-
Stand der
Technik
-
Elektromagnetische
Strahlung (im Folgenden kurz „Strahlung" genannt) wird in
verschiedener Weise und verschiedenen Anwendungen verwendet, die
die Übertragung
von Signalen und Informationen in Fernmeldesystemen einschließen. Die
Strahlerzeugung gewünschter
Frequenzen ist schwieriger und teurer als die Erzeugung anderer
Frequenzen. Da immer komplexere Fernmeldesysteme entwickelt worden
sind, hat der Bedarf an einer genauen Steuerung der Frequenz und
Wellenlänge
der für
diese Systeme erzeugten Strahlung zugenommen. Dies gilt insbesondere
für faseroptische
Fernmeldesysteme, die zur Erzeugung der optischen Trägersignale Laser
verwenden. Bei einigen faseroptischen Systemen, beispielsweise den
Wellenteilungsmultiplexsystemen (WDM), die die Informationen über optische Fasern
mittels Laserlichtimpulsen über
multiple Kanäle
und unterschiedliche Trägerfrequenzen übertragen,
ist schon lange eine genaue Stabilisierung der optischen Wellenlängen im
Bereich von plus oder minus 0,2nm erforderlich gewesen, damit benachbarte Trägersignale
einander nicht stören.
Die Nähe
der Trägersignale
in diesen Systemen ist bis zu einem gewissen Grad durch die Notwendigkeit
beschränkt, die
Temperaturschwankungen dieser System und deren Umgebung ausgleichen
zu müssen.
Daher ist es nötig
geworden, genau gesteuerte und temperaturunabhängige Strahlungsquellen bestimmter,
gewünschter
Frequenzen zu entwickeln.
-
Da
die meisten Materialien ihre Größe mit der
Temperatur ändern,
sind die Komponenten eines Lasers, der einen Laserresonator aufweist,
typischerweise einer Größenänderung
ausgesetzt, wenn sie erwärmt
oder abgekühlt
werden. Die meisten beim Aufbau von Laserresonatoren verwendeten
Materialien dehnen sich bei ihrer Erwärmung aus, d. h., dass sie
einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
Daher erfahren die meisten Laser eine Wellenlängenverlängerung, wenn die Wärme im Laser bei
dessen Betrieb zunimmt. Umgekehrt erfahren die meisten Laser bei
ihrer Abkühlung
eine Wellenlängenverkürzung. Der
Betrag dieser Wellenlängenänderung
kann für
Anwendungen beträchtlich
sein, die eine Strahlung mit einer Wellenlänge verwenden, die nicht viel
größer als
die Größenänderung
des Resonators aufgrund der Wärmeausdehnung
ist. Beispielsweise weisen Halbleiterdiodenlaser typischerweise
eine Wellenlängenverlängerung
von etwa 0,3nm/°C
auf. Für
eine Wellenlänge
von 905nm, die eine übliche
Wellenlänge
für Diodenlaser
ist, erzeugt eine Temperaturänderung
von einem Grad Celsius eine Änderung
der Ausgangswellenlänge
von 0,3nm; das entspricht einer Frequenzänderung des Laserausgangssignals
von etwa 1,0 × 1018Hz oder 1,0 × 106THz.
Diese thermisch induzierten Frequenzänderungen können für viele Anwendungen unannehmbar sein,
insbesondere wenn größere Temperaturänderungen
und die entsprechend größeren Verschiebungen
der Frequenz und der Wellenlängen
auftreten.
-
Die
Aufrechterhaltung der Ausgangsfrequenz und Wellenlänge einer
einzelnen, eine optische Wellenlänge
verwendenden Laserdiode mittels Kühl- und/oder Heizmitteln ist
bekannt, siehe beispielsweise das US-Patent 6 229 832, das einen „Optical
Wavelength Stability Control Apparatur, Optical Transmitter and
Multiple Wavelength Transmitter" (die
optische Wellenlängenstabilität steuernde
Vorrichtung, optischen Sender und Vielfachwellenlängensender)
offenbart. Diese Vorrichtung weist einen oder mehrere Laserdiodenmodule
auf, die jeweils eine Laserdiode und eine Fotodiode zur Feststellung der
optischen Leistung der Laserdiode aufweisen. Jede getrennte Fotodiode
vermindert daher die optische Stärke
des Systems und trägt
zu einer erhöhten Komplexität und erhöhten Kosten
bei.
-
Die
US-A-5 751 413 offenbart eine ähnliche Vorrichtung.
-
Trotz
der bekannten Verfahren für
die Temperaturstabilisierung der einzelnen Strahlungsquellen ist
es insbesondere schwierig gewesen, die Strahlung mit gewissen Frequenzen
und Wellenlängen
billig zu erzeugen, die beispielsweise Wellenlängern im Millimeterbereich
des Spektrums und insbesondere eine solche Strahlung aufweisen,
die temperaturstabilisiert ist. Unter anderem ist die Strahlung
in diesem Spektralbereich für
Anwendungen beim Radar, Radioteleskop und bei der Bilddarstellung
nützlich.
-
Die
optische Überlagerungstechnik
ist als ein Weg zur Erzeugung von Millimeterwellenstrahlung angesehen
worden. Gewisse Versuche sind unternommen worden, um die Ausgangssignale
zweier oder mehrerer Laserquellen zu koppeln und so eine Strahlung
mit Millimeterwellenlängen
zu erzeugen. Das US-Patent 5 007 058 offenbart einen „Millimeter Wave
Power Generator" (Millimeterwellenlängen-Leistungsgenerator),
der zwei Laserstrahlenbündel
kombiniert. Das kombinierte Strahlungsbündel wird in eine Vielzahl
von extern gespeisten Wellenlängenwandlern
zur Umwandlung von optischen Wellen in Millimeterwellen gebeugt.
Eine Vielzahl von Antennen ist vorgesehen, von denen jeweils eine zwischen
jedem Paar von benachbarten Wellenlängenwandlern angeordnet ist.
Die Antennen liegen parallel zueinander, und jede Antenne wird durch
den Wellenlängenwandler
an seinen Enden betrieben. Die sich rückwärts ausbreitende Millimeterwellenstrahlung
wird mittels eines parallel zu den Antennen ausgerichteten Drahtgitters
nach vorn reflektiert. Das Drahtgitter ist zwischen einer Beugungsvorrichtung und
den Wellenlängenwandlern
angeordnet und derart räumlich
abgestimmt, dass die sich rückwärts ausbreitende,
reflektierte Welle mit der sich nach vorn ausbreitenden Millimeterwellenlängenstrahlung konstruktiv
interferiert. Die Verwendung einer Vielzahl von Antennen und Wandleranordnungen
machen das System jedoch komplex und teuer. Diese Anordnung reagiert
auch empfindlich auf Schwankungen der Umgebungstemperatur.
-
Die
US-Patentanmeldung US2001/0014106A1 offenbart einen „Optical
Electromagnetic Wave Generator" (optischen,
elektromagnetischen Wellengenerator), in dem Mikrowellen durch Überlagerung
von Ausgangssignalen zweier oder mehrerer optischer Laser erzeugt
werden, die verschiedene Mittenfrequenzen aufweisen, um Schwebungsfrequenzen
im Mikrowellenbereich zu erzeugen. Eine der Überlagerungsfrequenzen wird zum
Modulieren des Ausgangsignals von mindestens einem der Laser verwendet,
um Seitenbänder zu
erzeugen, die sich von der Mittenfrequenz durch eine integrierte
Anzahl von Seitenbandfrequenzen unterscheidet. Jeder Laser ist mit
einem der übrigen Laser
durch eine schwache, optische Verbindung verbunden, um den Laser
durch Injektion gegen das Seitenband der übrigen Laser zu sperren. Dieser
Aufbau reagiert empfindlich auf eine Frequenzverschiebung der Ausgangssignale
der optischen Laser, die von Veränderungen
der Umgebungstemperatur herrührt.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung weist generell zwei oder mehrere Strahlungsquellen
(im Folgenden kurz „Quellen" genannt), die eine
kohärente
Strahlung erzeugen. Die Quellen sind mit einer Steuereinheit durch
eine Temperatursteuerschleife verbunden. Eine Temperaturdifferenz
zwischen zwei oder mehreren der Quellen wird gemessen, entweder
direkt mittels eines Differentialtemperatursensors oder indirekt mittels
Temperatursensoren und eines Komparators, und damit wird ein Temperaturdifferenzsignal
erzeugt. Die Steuereinheit steuert den Wärmefluss zu einer oder mehreren
oder zwischen zwei oder mehreren der Quellen, wobei diese Steuerung
sich auf das Temperaturdifferenzsignal stützt. Die Ausgangssignale der
zwei oder mehreren Quellen werden in einem nichtlinearen Medium
gemischt oder einander überlagert
und damit Schwebungsfrequenzen erzeugt. Die Strahlung einer gewünschten
Schwebungsfrequenz oder gewünschter
Schwebungsfrequenzen können
ausgewählt
werden. Die Temperaturdifferenz zwischen den Quellen kann durch
die Steuereinheit unter Anwendung des Wärmeflusses genau gesteuert,
beispielsweise aufrecht erhalten oder verändert, werden. Die gewünschte Schwebungsfrequenz
oder die Schwebungsfrequenzen kann bzw. können mittels einer Resonanzstruktur oder
das Material eines nichtlinearen Mediums ausgewählt werden. Das Ergebnis ist
die Erzeugung der gewünschten
Schwebungsfrequenz oder der Schwebungsfrequenzen unabhängig von
den Schwankungen der Umgebungstemperatur. Eine Rückkopplungsschleife kann vorgesehen
sein, um die gewünschte
Schwebungsfrequenz oder die Schwebungsfrequenzen zu steuern. Die
Strahlungsquellen können,
müssen
aber nicht, Laser und Maser aufweisen.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann diese ein System zur
Erzeugung einer Strahlung einer gewünschten Frequenz mit einer
Temperaturunabhängigkeit
aufweisen. Eine erste Quelle kann ein erstes Ausgangssignal mit
einer ersten Frequenz erzeugen. Ein erster Temperatursensor kann
mit einer ersten Quelle verbunden sein. Der erste Temperatursensor
kann derart ausgebildet sein, dass er eine erste Betriebstemperatur
der ersten Quelle misst und ein erstes Temperatursignal erzeugt,
das der ersten Betriebstemperatur proportional ist. Eine zweite
Quelle kann ein zweites Ausgangssignal mit einer zweiten Frequenz
erzeugen. Ein zweiter Temperatursensor kann mit der zweiten Quelle
verbunden sein. Der zweite Temperatursensor kann eine zweite Betriebstemperatur
der zweiten Quelle messen und ein zweites Temperatursignal erzeugen,
das der zweiten Betriebstemperatur proportional ist.
-
Das
System kann einen Komparator aufweisen, der mit dem ersten Temperatursensor
und dem zweiten Temperatursensor verbunden sein kann. Der Komparator
kann ein Temperaturdifferenzsignal aus dem ersten Temperatursignal
und dem zweiten Temperatursignal erzeugen. Eine Steuereinheit kann
mit der ersten Quelle und der zweiten Quelle mittels einer Temperatursteuerschleife
verbunden sein.
-
Die
Steuereinheit kann das Temperaturdifferenzsignal des Komparators
empfangen und ein Steuersignal erzeugen, das eine Temperaturdifferenz zwischen
der ersten Quelle und der zweiten Quelle steuern kann. Mindestens
eine Heiz- und Kühlvorrichtung
kann mit mindestens einer der ersten Quelle und der zweiten Quelle
verbunden sein und das Steuersignal der Steuereinheit empfangen.
Ein nichtlineares Medium kann das erste Ausgangssignal und das zweite
Ausgangssignal empfangen, und ein oder mehrere Schwebungsfrequenzen
können
mittels des nichtlinearen Mediums erzeugt werden.
-
Bei
bestimmten Ausführungen
kann eine Resonanzstruktur eine gewünschte Schwebungsfrequenz oder
Schwebungsfrequenzen auswählen.
Die gewünschte
Schwebungsfrequenz oder die Schwebungsfrequenzen kann bzw. können trotz
der Umgebungstemperaturschwankungen oder einer wärmeinduzierten Frequenzverschiebung
virtuell stabil sein. Das nichtlineare Medium oder die nichtlineare
Struktur kann, muss aber nicht, Fotodioden oder nichtlineare Oberflächen eines
Ziels oder Objekts aufweisen. Ferner können die Strahlungsquellen
u. a. Laser und Maser aufweisen. Bei einigen Ausführungen
kann eine Rückkopplungsschleife
vorhanden sein, die das nichtlineare Medium oder die Resonanzstruktur
mit dem Komparator verbindet. Die Rückkopplungsschleife kann mit
einem Sensor versehen sein, der einen oder mehrere Parameter der
Schwebungsfrequenzen misst. Der Sensor kann mit einer Phasenregelschleife
(PLL) verbunden sein, die ein Fehlersignal an den Komparator liefert.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann diese ein System
zur Erzeugung einer temperaturunabhängigen Strahlung mit mindestens
zwei Quellen aufweisen, die jeweils ein Ausgangsfrequenzsignal abgeben.
Eine Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass sie ein Temperaturdifferenzsignal
empfängt,
das sich auf eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Quellen
bezieht.
-
Die
Steuereinheit kann derart ausgebildet sein, dass sie einen Wärmefluss
zu mindestens einer der Quellen steuert. Bestimmte Ausführungen
weisen einen Temperaturdifferenzsensor auf, der mit zwei oder mehreren
der Quellen verbunden ist. Der Temperaturdifferenzsensor kann eine
Temperaturdifferenz zwischen zwei oder mehreren der Quellen messen.
Bei bestimmten Ausführungen
kann ein erster Temperatursensor mit einer ersten Quelle und ein zweiter
Temperatursensor mit einer zweiten Quelle verbunden sein. Die Temperatursensoren
können
ein erstes Temperatursignal und ein zweites Temperatursignal erzeugen,
die von einem Komparator dazu verwendet werden, ein Temperaturdifferenzsignal
zu erzeugen, das der Steuereinheit zugeführt werden kann.
-
Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann bei dieser eine Temperaturdifferenz
zwischen mindestens zwei Ausgangssignale aufweisenden Quellen gemessen
werden. Ein der gemessenen Temperaturdifferenz entsprechendes Temperaturdifferenzsignal
wird erzeugt, und ein Wärmefluss
zu einer oder mehreren der Quellen wird gesteuert. Die Ausgangssignale
werden gemischt, und die temperaturunabhängigen Schwebungsfrequenzen
werden erzeugt. Bei bestimmten Ausführungen kann der gesteuerte
Wärmefluss
von einer ersten Quelle zu einer zweiten Quelle übertragen werden und die Verwendung
eines Peltier-Elements einschließen. Das Temperaturdifferenzsignal
kann von einer gemessenen Temperaturdifferenz zwischen mindestens
zwei Quellen abgeleitet sein.
-
Kurzfassung
der Zeichnungen
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
und den beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein
schematisches Schaltbild einer ersten Ausführung eines Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung,
-
2 ein
schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführung eines Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem die Ausgänge
der ersten Strahlungsquelle und der zweiten Strahlungsquelle über optische
Fasern mit einem nichtlinearen Medium verbunden sind, das mit einer
Antenne gekoppelt ist,
-
3 ein
schematisches Schaltbild einer dritten Ausführung eines Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem eine nichtlineare Oberfläche eines Zielobjekts zur Mischung
des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals verwendet
wird, und
-
4 ein
Schaltbild zur Darstellung der Schritte eines Verfahrens zur Erzeugung
einer Strahlung gewünschter
Frequenz mit einer Temperaturunabhängigkeit gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Eine
Temperaturdifferenz zwischen Strahlungsquellen wird gesteuert, und
es werden eine oder mehrere temperaturunabhängige Schwebungsfrequenzen
mittels des Systems und des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
erzeugt. Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung
näher erläutert, die
nur als Beispiel gilt und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht
begrenzen soll.
-
In 1 ist
ein Strahlungserzeugungssystem 100 gemäß einer ersten Ausführung der
vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem eine Rückkopplung von einer Resonanzstruktur
zur Steuerung einer Temperaturdifferenz zwischen den Strahlungsquellen
verwendet wird. Eine erste Strahlungsquelle (erste Quelle) 12 und
eine zweite Strahlungsquelle (zweite Quelle) 14 sind mittels
einer Temperatursteuerschleife 26 mit einer Steuereinheit 16 verbunden.
Die Steuereinheit 16 steuert eine Wärmedifferenz oder einen Wärmefluss
F, der der ersten Quelle 12 oder der zweiten Quelle 14 bzw.
beiden zugeführt
wird. Die Strahlungsquellen 12, 14 können von
beliebiger Art sein, wenn sie nur eine kohärente Strahlung erzeugen. Geeignete
Beispiele für
diese Quellen sind Laser, Maser, Klystrons, auf die die Erfindung
aber nicht beschränkt
ist, und funktionsmäßig ähnliche
Arten von Strahlungsquellen. Geeignete, als Strahlungsquellen verwendbare
Arten der Laser sind u. a. Feststofflaser, Halbleiterlaser, oder
Laserdioden aller Arten einschließlich emittierender Laser mit
vertikaler Hohlraumfläche
(VCSEL) und kantenemittierender Laser, Flüssigfarbstofflaser, freie Elektronen
emittierender Laser und Gaslaser. Bei bevorzugten Ausführungen
werden VCSEL's oder
kantenemittierende Laser als Quellen verwendet. Aber es kann auch
jede geeignete Strahlungsquelle verwendet werden, und es dürfte klar
sein, dass geeignete Mittel für
das Betreiben, Pumpen oder die Erregung der Quellen, beispielsweise
optische, thermische, elektrische usw., verwendet werden, wenn andere
Arten von Strahlungsquellen benutzt werden.
-
In 1 steuert
ferner eine Steuereinheit 16 eine Temperaturdifferenz zwischen
den Quellen 12, 14 durch Zuführen und Regeln des Wärmeflusses
F zu einer oder beiden der Quellen 12, 14. Die
Steuereinheit 16 kann mit einer ersten Heiz- und Kühleinheit 22 und
einer zweiten Heiz- und Kühleinheit 24 verbunden
sein, die mit der ersten Quelle 12 bzw. der zweiten Quelle 14 verbunden
sind. Die Steuereinheit 16 kann den Wärmefluss F zu einer oder beiden
der Quellen 12, 14 mittels Selbsterhitzung, d.h.
durch Zuführen
von mehr oder weniger Strom zu den Quel len, oder mittels Temperaturteuervorrichtungen
oder Heiz- und Kühlvorrichtungen 22, 24 übertragen.
Der Wärmefluss
F kann in die eine der beiden Quellen hineinfließen oder aus diesen herausfließen. Beispiele geeigneter
Heiz- und Kühlvorrichtungen
umfassen u.a. Peltier-Elemente, Widerstands- oder Ohmsche Heizelemente,
Wärmeabflüsse, Ventilatoren,
Wärmeleitungen,
Kombinationen aus diesen Elementen und dergleichen. Die erste Heiz-
und Kühlvorrichtung 22 und
die zweite Heiz- und Kühlvorrichtung 24 können im
einfachsten Fall Zuführleitungen
sein, die den Quellen 12, 14 Spannung oder Strom
zuführen;
zusätzlich
können
sie geeignete elektronische Komponenten und Schaltungen umfassen,
die die Zuführung
von Spannung oder Strom oder beidem modifizieren.
-
Die
Steuereinheit 16 verwendet ein Temperaturdifferenzsignal 40,
um den Wärmefluss
zu den Quellen 12, 14 zu regeln. Das Temperaturdifferenzsignal 40 kann
durch Differenzverfahren und Vorrichtungen festgelegt werden. Wie
durch ausgezogene Linien in 1 gezeigt
ist, kann beispielsweise ein erster Temperatursensor 28 vorgesehen
sein, der mit der ersten Quelle 12 verbunden ist. Ferner
kann ein zweiter Temperatursensor 30 vorgesehen sein, der mit
der zweiten Quelle 14 verbunden ist. Der erste Temperatursensor 28 stellt
eine erste Temperatur der ersten Quelle 12 fest und erzeugt
ein erstes Temperatursignal 42, das in Beziehung, beispielsweise
in proportionaler Beziehung, zur ersten Temperatur steht. Der zweite
Temperatursensor 30 stellt eine zweite Temperatur der zweiten
Quelle 14 fest und erzeugt ein zweites Temperatursignal 44,
das in Beziehung zur zweiten Temperatur steht. Die Temperatursensoren 28, 30 sind
mit einem Komparator 36 verbunden, der Temperatursignale 42, 44 empfängt. Bei bevorzugten
Ausführungen
kann der Komparator 36 ein Summierglied sein, einen Summenverstärker oder
eine andere, funktionell vergleichbare Schaltung sein. Der Komparator 36 erzeugt
das Temperaturdifferenzsignal 40 aus dem ersten Temperatursignal 42 und
dem zweiten Temperatursignal 44, und die Steuereinheit 16 empfängt das
Temperaturdifferenzsignal 40. Das erste Temperatursignal 42 und
das zweite Temperatursignal 44 können durch verschiedene Verfahren
bestimmt werden, die beispielsweise das Messen einer Spannung an
jeder entsprechenden Quelle während
des Zuführens
eines bekannten Stroms zu jeder Laserdiode, beispielsweise zu deren Übergangszone,
oder das Messen einer Spannung an einem Thermopaar, einem Thermistor
oder einer wärmeempfindlichen
Widerstandsschaltung (RTD) usw. umfasst. Wenn wie bei bevorzugten
Ausführungen
die erste Quelle 12 und die zweite Quelle 14 Laserdioden
sind, können
die Temperatursensoren an einem zweier Punkte jeder Laserdiode angeschlossen
sein. Es dürfte
klar sein, dass die Signalbedingung der Temperatursignale zugelassen
wird, wenn sie geeignet ist.
-
Bei
weiteren, in 1 durch gestrichelte Linien
angedeuteten Ausführungen
kann ein Differentialtemperatursensor 58 eine Temperaturdifferenz oder
eine Differentialtemperatur zwischen den Quellen 12, 14 direkt
messen. Der Differentialtemperatursensor 58 fegt das Temperaturdifferenzsignal
fest und kann dieses dem Komparator 36 oder der Steuereinheit 16 zuführen. Bei
bestimmten Ausführungen werden
in Reihe mit jeder Quelle geschaltete Thermopaare als Differentialtemperatursensoren 58 verwendet.
-
Ein
erstes Ausgangssignal mit der Frequenz der ersten Quelle 12 wird
mit einem zweiten Ausgangssignal mit der Frequenz der zweiten Quelle 14 in
einem nichtlinearen Medium 18 überlagert oder gemischt, das
eine beliebige, nichtlineare Schaltung oder Struktur sein kann,
und damit werden Schwebungsfrequenzen erzeugt. Die sich ergebenden Schwebungsfrequenzen
können
in hohem Maße
kohärent
sein. Eine gewünschte
Schwebungsfrequenz 50 oder Schwebungsfrequenzen kann bzw.
können aus
den Schwebungsfrequenzen durch verschiedene Mittel einschließlich durch
das Mittel des Materials des nichtlinearen Mediums 18 selbst
oder durch eine Resonanzstruktur 20 ausgewählt werden,
die mit dem nichtlinearen Medium 18 verbunden ist, wie
es in 1 gezeigt ist. Die gewünsch te Schwebungsfrequenz kann
eine Frequenz sein, die mit nur einer Strahlungsquelle schwierig,
teuer oder unwirksam herzustellen ist, beispielsweise als Millimeterwellenstrahlung.
-
Die
Anwendung eines Wärmeflusses,
die auch als Temperaturdifferenzsteuerung bezeichnet werden kann,
kann mit Milligradgenauigkeit mittels bekannter Techniken durchgeführt werden.
Durch Anwendung des Wärmeflusses
F mit derartiger Genauigkeit kann die Temperaturdifferenz zwischen
den Quellen 12, 14 mit Milligradgenauigkeit gesteuert werden.
Als Ergebnis werden die gewählten
Ausgangssignale 32, 34 und damit die gewünschte Schwebungsfrequenz
oder die Schwebungsfrequenzen genau gesteuert und damit temperaturunabhängig oder
virtuell bzw. im Wesentlichen temperaturunabhängig ungeachtet der Schwankungen
der Umgebungstemperatur oder der Schwankungen der Temperaturen der
Quellen 12, 14 gemacht. Die gewünschte Schwebungsfrequenz
oder die Frequenzen kann bzw. können
damit eine temperaturunabhängige
Strahlung erzeugen. Die Faktoren, die die Temperaturunabhängigkeit
beeinflussen können, umfassen
die aktuelle Mittenfrequenz des Ausgangssignals der Quelle(n), die
Auflösung
der Temperatursensoren, die Steuerstabilität und die thermische Zeitkonstante
der Heiz- und Kühlvorrichtung
und die Temperaturempfindlichkeit der Quelle(n).
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine gewünschte Schwebungsfrequenz
oder Schwebungsfrequenzen aufrecht erhalten werden kann bzw. können, indem
eine verhältnismäßig kleine
Wärmemenge
einer der Quellen 12, 14 hinzugefügt oder
weggenommen wird, deren Temperaturen der Umgebungstemperatur „folgen" oder „nachfließen" kann, wenn sich
die Temperatur der das System 100 umgebenden Umgebung ändert. Durch
das Zufügen
oder Wegnehmen der Wärme
zu bzw. von einer oder beiden der Quellen 12, 14 bei
der Erhöhung
der Umgebungstemperatur kann bzw. können die gewünschte Schwebungsfrequenz
oder die Schwebungsfrequenzen wirtschaftlicher aufrecht erhalten werden,
als wenn jede Quelle auf eine konstante Temperatur aufrecht erhalten
werden würde. Die
vorliegende Erfindung bietet daher einen Vorteil gegenüber dem
Stand der Technik dadurch, dass die Steuereinheit einen Wärmefluss
direkt von einer Quelle zur anderen steuern kann. Bei bevorzugten Ausführungen
kann die Steuereinheit einen Wärmefluss
von einer Quelle, beispielsweise einer Laserdiode, zu einer anderen
Quelle über
ein Peltier-Element steuern.
-
Beispiele
für das
nichtlineare Medium 18 umfassen u.a. Halbleiter-Fotodioden
oder Transistoren, Halbleiter-Wellenhohlleiter, Fotodetektoren,
Frequenzwandler, parametrische Oszillatoren, parametrische Verstärker, Vakuumröhren, Fotovervielfacher, steckbare
Antennen, Durchbruchsfotodioden, und auch nichtlineare Flächen oder
Strukturen eines Materials, Ziels oder Objekts. In bestimmten Fällen kann das
nichtlineare Medium 18 eine Fotodiode mit einer aktiven
Region sein, die Indiumphosphid (InP), Silizium, Germanium, Galliumarsenid
oder Siliziumkarbid umfasst. Bei anderen Ausführungen kann das nichtlineare
Medium 18 eine Galliumnitridarsenid-Fotodiode (GaNAs) sein.
Bei bestimmten, anderen Ausführungen
kann das nichtlineare Medium 18 eine Fotodiode mit einer
aktiven Region sein, die Indium/Galliumarsenidphosphid (InGaAsP)
umfasst. Bei weiteren Ausführungen
kann das nichtlineare Medium 18 eine Fotodiode sein, die
eine aktive Region mit Indium/Galliumarsenidphosphidnitrid/Indiumphosphid (InGaAsPN/InP)
umfasst und für
Wellenlängen
in der Nähe
von 1,65nm geeignet ist. Es dürfte
klar sein, dass der Ausdruck „Fotodiode" sich auch auf eine Durchbruchs-Fotodiode
bezieht.
-
Beispiele
für die
Resonanzstruktur 20 umfassen u.a. einen Oszillatorschwingkreis,
ein optisches oder Mikrowellenleitungsrohr oder ein Filter, wie
beispielsweise ein Abstimmleitungsstück, ein Viertelwellen-Abstimmleitungsstück, ein
offenes Halbwellenabstimmleitungsstück, einen dielektrischen Resonator oder
einen Oszillatorschwingkreis aus diskreten Komponenten, die für besondere
Frequenzen, beispielsweise solche Frequenzen geeignet sind, die
die interessierende Schwe bungsfrequenz oder die interessierenden
Schwebungsfrequenzen betreffen. Bei bevorzugten Ausführungen
ist die Resonanzstruktur derart ausgebildet, dass sie einen hohen
Qualitätsfaktor
Q aufweist, der ein Maß dafür ist, wie
schnell die in der Resonanzstruktur 20 gespeicherte Energie verloren
geht, so dass hohe Umwandlungswirkungsgrade erzielt werden können. Bei
Ausführungen
mit einer einen hohen Qualitätsfaktor
aufweisenden Resonanzstruktur sieht die Erfindung eine wirksame Vorrichtung
und ein wirksames Verfahren zur Umwandlung eines Strahlungstyps
in einen anderen, beispielsweise der optischen Strahlung in eine
Millimeterwellenlängenstrahlung,
vor.
-
Bei
bestimmten Ausführungen
kann eine das nichtlineare Medium mit dem Komparator verbindende
Rückkopplungsschleife
zugefügt
sein. Die Rückkopplungsschleife
kann einen Parameter einer oder mehrerer Schwebungsfrequenzen messen
und aufgrund des gemessenen Parameters ein Fehlersignal erzeugen.
Das Fehlersignal kann dazu verwendet werden, die Temperaturdifferenz
zwischen den Quellen durch Anwendung des Wärmeflusses einzustellen, so
dass ein gewünschtes
Frequenzprofil erzielt werden kann. Ein Beispiel für eine derartige
Rückkopplungsschleife 54 ist
durch gestrichelte Linien in 1 gezeigt.
Die Rückkopplungsschleife 54 kann einen
Rückkopplungssensor 38 umfassen,
der mit der Resonanzstruktur 20 verbunden ist. Der Rückkopplungssensor 38 kann
einen oder mehrere Parameter 56, beispielsweise die Frequenz,
Phase usw., der im nichtlinearen Medium 18 erzeugten und
in der Resonanzstruktur 20 empfangenen Schwebungsfrequenzen
feststellen. Der Rückkopplungssensor 38 ist wie
gezeigt mit einer Phasenregelschleife (PLL) 52 verbunden,
die an den Komparator 36 angeschlossen ist. Die PLL 52 kann
derart arbeiten, dass sie die Phase oder Frequenz der ausgewählten Schwebungsfrequenz(en)
von einer oder beiden der Quellen 12, 14 regelt.
Die PLL 52 kann das Fehlersignal dem Komparator 36 zuführen.
-
In 2 ist
ein Strahlungserzeugungssystem 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung gezeigt, bei dem eine Rückkopplung von einem nichtlinearen
Medium bei der Steuerung der Temperaturdifferenz zwischen den Strahlungsquellen
verwendet werden kann und eine gewünschte Schwebungsfrequenz oder
Schwebungsfrequenzen mittels einer Antenne gesendet werden kann
bzw. können.
Ein erster Ausgang 232 einer ersten Quelle 212 und
ein zweiter Ausgang 234 einer zweiten Quelle 214 sind
mit einem nichtlinearen Medium 218 durch jeweils eine optische
Faser 252 bzw. 254 verbunden. Die erste Quelle 212 und
die zweite Quelle 214 sind miteinander mittels einer Temperatursteuerschleife 226 verbunden.
Der erste Ausgang 232 und der zweite Ausgang 234 weisen
Frequenzkomponenten auf, die Signale dieser Ausgänge werden im nichtlinearen
Medium gemischt, und Schwebungsfrequenzen werden erzeugt. Ein erster Temperatursensor 228 ist
mit der ersten Quelle 212 verbunden, und ein zweiter Temperatursensor 230 ist mit
der zweiten Quelle 214 verbunden. Der erste Temperatursensor 228 stellt
eine erste Temperatur der ersten Quelle 212 fest und erzeugt
ein erstes Temperatursignal 242, das sich auf die erste
Temperatur bezieht, beispielsweise dieser Temperatur proportional
ist. Der zweite Temperatursensor 230 stellt eine zweite
Temperatur der zweiten Quelle 214 fest und erzeugt ein
zweites Temperatursignal 244, das sich auf die zweite Temperatur
bezieht, beispielsweise dieser Temperatur proportional ist. Ein
Komparator 236 empfängt
das erste Temperatursignal 242 und das zweite Temperatursignal 244,
vergleicht diese und erzeugt ein Temperaturdifferenzsignal 240. Das
Temperaturdifferenzsignal 240 wird von einer Steuereinheit 216 empfangen,
die mittels einer Temperatursteuerschleife 226 mit den
Quellen 212, 214 verbunden ist. Eine Temperaturdifferenz
zwischen den Quellen wird durch die Steuereinheit 216 gesteuert.
Die Steuereinheit 216 kann einen Wärmefluss F einer oder beiden
der Quellen 12, 14 zuführen mittels selbstheizender
Mittel, beispielsweise durch Zuführen
von mehr oder weniger Strom zu den Quellen oder durch Temperatursteuervorrichtungen
oder einer Heiz- und Kühlvorrichtung 222, 224.
Eine Resonanzstruktur ist nicht gezeigt, kann aber vorhanden sein,
und das nichtlineare Medium 218 selbst kann derart ausgebildet
sein, dass es eine gewünschte Schwebungsfrequenz 250 durch
Materialeigenschaften und Vorrichtungsabmessungen des nichtlinearen Mediums 218 auswählt, beispielsweise
kann das Material des nichtlinearen Mediums 218 aufgrund
der Frequenzen der Strahlung, die es absorbiert, ausgewählt werden.
Eine Antenne 260 kann mit dem nichtlinearen Medium 218 gekoppelt
werden, um die gewünschte
Schwebungsfrequenz 250 auszusenden. Eine Rückkopplungsschleife 264 kann
vorhanden sein und einen Rückkopplungssensor 238 aufweisen,
der einen Parameter 266, beispielsweise die Phase oder
die Frequenz oder beides, der ausgewählten Schwebungsfrequenz 250 misst.
Der Rückkopplungssensor 238 kann
mit einer PLL 256 verbunden sein. Die PLL 256 kann
betrieben werden, um ein Fehlersignal 268 einem Komparator 236 zuzuführen, so
dass die Schwebungsfrequenz (Ausgangssignal) 250 gesteuert
wird.
-
In 3 ist
nun eine Ausführung 300 gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt, bei der eine nichtlineare Oberfläche oder
ein Volumen eines Objekts oder Ziels 352 zur Mischung eines
ersten Ausgangssignal 332 einer ersten Quelle 312 und
eines zweiten Ausgangssignals 334 einer zweiten Quelle 314 verwendet
wird. Die erste Quelle 312 und die zweite Quelle 314 sind
durch eine Temperatursteuerschleife 326 mit einer Steuereinheit 316 verbunden. Eine
Temperaturdifferenz zwischen den Quellen wird durch die Steuereinheit 316 gesteuert.
Die Temperaturdifferenz zwischen den Quellen kann durch verschiedene
Mittel und Schaltungen bestimmt werden. Beispielsweise zeigt die
Ausführung
in 3 in ausgezogenen Linien einen ersten Temperatursensor 328,
der mit der ersten Quelle 31^2 verbunden ist, und einen
zweiten Temperatursensor 330, der mit der zweiten Quelle 314 verbunden
ist. Der erste Temperatursensor 328 stellt eine erste Temperatur
der ersten Quelle 312 fest und erzeugt ein erstes Temperatursignal 342,
das sich auf die erste Temperatur bezieht, beispielsweise dieser
proportional ist. Der zweite Temperatursensor 330 stellt
eine zweite Temperatur der zweiten Quel le 314 fest und
erzeugt ein zweites Temperatursignal 344, das sich auf
die zweite Temperatur bezieht, beispielsweise dieser proportional
ist. Bei der in ausgezogenen Linien dargestellten Ausführung empfängt ein
Komparator 336 das erste Temperatursignal 342 und
das zweite Temperatursignal 344, vergleicht diese beiden
Temperatursignale und erzeugt ein Temperaturdifferenzsignal 340. Bei
der Ausführung
der 3 ist ein durch gestrichelte Linien verbundener
Differentialtemperatursensor 358 gezeigt, der eine Temperaturdifferenz
zwischen den Quellen misst und ein Temperaturdifferenzsignal erzeugt,
das sich auf die Temperaturdifferenz bezieht. Ein Komparator ist
bei dieser Ausführung
nicht nötig.
Das Temperaturdifferenzsignal 340, das entweder vom Komparator 336 oder
durch den Temperaturdifferenzsensor 358 erzeugt wird, wird
von der Steuereinheit 316 empfangen. Die Steuereinheit 316 kann
einer oder beiden der Quellen 312, 314 den Wärmefluss
F mittels Selbsterhitzung zuführen,
d.h., dass den Quellen mehr oder weniger Strom zugeführt wird,
oder durch Temperatursteuervorrichtungen oder Heiz- und Kühlvorrichtungen 322, 324 zuführen.
-
Das
erste Ausgangssignal 332 und das zweite Ausgangssignal 334 können auf
das Ziel 352 mittels beliebiger, verschiedener und bekannter
Verfahren gerichtet werden, die u. a. eine Strahllenkung und eine
mechanische Lenkung umfassen. Eine nichtlineare Oberfläche oder
ein nichtlineares Volumen innerhalb des Ziels 352 kann
ein nichtlineares Medium bilden, das das erste Ausgangssignal 332 und
das zweite Ausgangssignal 334 mischt und eine Schwebungsfrequenz
oder Schwebungsfrequenzen erzeugt. Die Schwebungsfrequenz oder die
Schwebungsfrequenzen kann bzw. können
vom Ziel 352 reflektiert oder absorbiert werden. Ein Detektor 354, eine
Antenne oder ein Empfänger
kann die reflektierte Schwebungsfrequenzstrahlung empfangen. Der Detektor 354 kann
eine Resonanzwellenführung oder
einen Oszillatorschwingkreis umfassen, der eine gewünschte Schwebungsfrequenz
auswählt. Der
Detektor 354 kann mit einem nicht gezeigten Computer verbunden
sein, der ein digitales Bildprogramm umfassen kann, um das De tektieren
des Ziels 352 zu erleichtern. Der Detektor 354 kann
getrennt und entfernt von der Quelle 312, 314 angeordnet sein.
Bei bestimmten Ausführungen
können
viele Quellen in einer Anordnung vereinigt sein, so dass eine Strahllenkung
der Ausgangssignale und ein darauf folgendes Abtasten eines sich
bewegenden Ziels durchgeführt
werden können.
Bei bestimmten Ausführungen
können
die Ausgangssignale aktuell innerhalb des Ziels oder Objekts gemischt
werden, beispielsweise in einer Materialschicht, die im Ziel 352 angeordnet
ist.
-
Um
weiter die Detektion des Ziels 352 zu erleichtern, kann
der durch die Steuereinheit 316 gesteuerte und einer oder
beiden der Quellen 312, 314 zugeführte Wärmefluss
F in planmäßiger Weise
geändert
werden. Die Steuereinheit 316 kann durch bekannte Techniken
veranlassen, dass die Temperaturdifferenz zwischen den Quellen in
planmäßiger Weise
durch einen Wertebereich geändert
oder „weggefegt" wird. Die Änderung
der Betriebstemperatur von einer der Quellen gegenüber der
anderen Quelle bewirkt, dass die Frequenzen der Ausgangssignale
der Quellen in entsprechender Weise geändert werden. Eine Änderung
der Frequenzen der Ausgangssignale verursacht eine Änderung
der Schwebungsfrequenzen, die erzeugt werden, wenn die Ausgangssignale gemischt
und vom Ziel reflektiert werden. Weil verschiedene Materialien verschiedene
Frequenzen in sich ändernden
Graden absorbieren und reflektieren und weil sich ändernde
Bedingungen in der Atmosphäre,
beispielsweise Wasserdampf, Temperaturgradienten usw., die Strahlungsübertragung
beeinflussen, kann das planmäßige Ändern oder
Wegfegen der Ausgangssignale und Schwebungsfrequenzen die Feststellung
des Ziels 352 mittels des Detektors 354 erleichtern.
-
Anhand
der 4 wird nun ein Verfahren 400 zur Erzeugung
einer temperaturunabhängigen Frequenz
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Eine erste Temperatur einer ersten Strahlungsquelle
wird gemäß dem Kästchen 402 festgestellt,
und ein erstes Temperatursignal, das der ersten Temperatur proporti onal
ist, wird gemäß dem Kästchen 404 erzeugt.
Eine zweite Temperatur einer zweiten Strahlungsquelle wird gemäß dem Kästchen 406 festgestellt,
und ein zweites Temperatursignal, das der zweiten Temperatur proportional
ist, wird gemäß dem Kästchen 408 erzeugt.
Ein Temperaturdifferenzsignal wird gemäß dem Kästchen 410 aus dem ersten
Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal gebildet. Ein
Komparator oder eine andere ähnliche
Anordnung kann das Temperaturdifferenzsignal erzeugen. Ein Wärmefluss,
der einer oder beiden Quellen der ersten Quelle und der zweiten
Quelle zugeführt
wird, wird gemäß dem Kästchen 412 durch
das Temperaturdifferenzsignal gesteuert. Der Schritt der Steuerung
des Wärmeflusses
gemäß dem Kästchen 412 kann
durch eine Steuereinheit durchgeführt werden, die das Temperaturdifferenzsignal empfängt. Die
Ausgangssignale der ersten Quelle und der zweiten Quelle werden
gemäß dem Kästchen 414 gemischt.
Das Mischen kann beispielsweise in einem nichtlinearen Medium, einer
Vorrichtung, einem chemischen Vorläufer, einem sich bewegenden
oder stationären
Ziel usw. erfolgen. Das Mischen erzeugt Schwebungsfrequenzen, und
eine gewünschte
Schwebungsfrequenz wird gemäß dem Kästchen 416 ausgewählt. Die
gewünschte
Schwebungsfrequenz kann gemäß dem Kästchen 416 in verschiedener
Weise ausgewählt
werden, beispielsweise können
u. a. ein Oszillatorschwingkreis oder eine andere Resonanzstruktur
ausgewählt
werden. Bei bestimmten Ausführungen
können
die Schritte gemäß den Kästchen 402–408 ersetzt
oder durch einen Schritt der Feststellung einer Temperaturdifferenz
gemäß dem Kästchen 418 zwischen
zwei oder mehreren Quellen ergänzt
werden, wie es in 4 durch gestrichelte Linien
angedeutet ist. Es dürfte klar
sein, dass die vorgehenden Schritte in einer beliebigen Reihenfolge
im Sinn der vorliegenden Erfindung ablaufen können.
-
Der
Schritt der Steuerung des Wärmeflusses kann
auch einschließen,
dass eine Rückkopplung von
der gewünschten
Schwebungsfrequenz oder den Schwebungsfrequenzen zur Steuereinheit
vorgesehen ist, um den den Quellen zugeführten Wärmefluss zu beeinflussen. Der
Steuerungsschritt kann das Ändern
des Temperaturdifferenzsignals und der Temperaturdifferenz einschließen, wodurch
eine gewünschte
Schwebungsfrequenz oder Schwebungsfrequenzen geändert wird bzw. werden. Die
gewünschte
Schwebungsfrequenz kann durch bekannte Techniken übertragen
werden. Der Übertragungsschritt
kann das Fokussieren der Schwebungsfrequenz umfassen. Die Schwebungsfrequenz
kann festgestellt werden, nachdem sie von einem Ziel oder Objekt
reflektiert wird. Zusätzlich
kann die Absorption einer bekannten, zu erzeugenden Schwebungsfrequenz
auch von einer Schwebungsfrequenzstrahlung festgestellt werden,
von einem Ziel reflektiert wird. Ziele oder Objekte können von
beliebiger Art sein. Geeignete Beispiele umfassen u. a. vergrabene Minen,
tödliche
Waffen, beispielsweise Bomben, Kanonen und Messer, und Substanzen,
die an Personen, in Ladungen, Mineral- und Petroleumlagen versteckt
sind usw.
-
Besondere
Ausführungsbeispiele
gemäß der Erfindung
sind vorstehend beschrieben worden, doch sind diese nur beispielhaft
gemeint. Dem Fachmann dürfte
klar sein, dass verschiedene Änderungen,
Modifikationen und Substitutionen erfolgen können, ohne den durch die folgenden
Ansprüche
festgelegten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise
kann der hier verwendete Ausdruck „Temperaturdifferenzsignal" in Wirklichkeit
eine beliebige Kombination der Temperatursignale bezeichnen, die
von den Temperatursensoren erzeugt werden, und nicht notwendigerweise
die Differenz zwischen diesen Signalen. Ferner kann, obwohl die
vorstehend beschriebenen Ausführungen
und Figuren nur zwei Strahlungsquellen aufweisen, jede Anzahl von
Quellen im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ferner
kann beispielsweise, obwohl die vorstehende Beschreibung sich nur
auf Diodenlaser stützt,
jede geeignete Strahlungsquelle verwendet werden. Weiterhin ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die Größe festgelegt. Die Strahlungsquellen
und das Medium können
auf einem Substrat mittels bekannter Techniken hergestellt und integriert werden
sowie durch Wellenführun gen
oder Lichtleitungsrohre miteinander verbunden werden. Geeignete
Techniken für
eine Integrierung auf einem Substrat können u. a. die Halbleiterherstellungstechniken sein,
beispielsweise die Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder die metallorganische,
chemische Dampfablagerung (MOCVD) und auch diejenigen, die für mikroelektromechanische
Systeme (MEMS) verwendet werden.
-
Dem
Fachmann dürfte
klar sein, dass die vorliegende Erfindung sich selbst zahlreichen
Anwendungen anbietet. Beispielsweise kann die Erfindung durch Auswahl
einer Schwebungsfrequenz oder von Schwebungsfrequenzen entsprechend
der Absorptions- oder Reflektionseigenschaften verschiedener Materialien
oder Strukturen u. a. für
die Feststellung von Minen oder anderen, in der Erde vergrabenen
Gegenständen,
die Kartierung und Vermessung von natürlichen und künstlichen
Resourcen, das Schweißen
und die Herstellung oder Synthese von Chemikalien verwendet werden.