DE69006297T2

DE69006297T2 - Brillouin-phasenkonjugierter spiegel mit bandbreitenerhaltung und verfahren.

Info

Publication number: DE69006297T2
Application number: DE69006297T
Authority: DE
Inventors: Richard Lind; David Pepper; David Rockwell
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1989-03-15
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2010-02-23
Also published as: EP0416066A1; IL93651A; US4958908A; WO1990010889A1; EP0416066B1; IL93651A0; JPH03504902A; DE69006297D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der nicht- linearen optischen Phasenkonjugation im allgemeinen und insbesondere einen phasenkonjugierenden Spiegel, der eine neue und einzigartige Kombination aus der stimulierten Brillouin- Streuung (Stimulated Brillouin Scattering=SBS) im Verstärkungsbetrieb und der Vier-Wellen-Mischung (Four Wave Mixing=FWM) verwendet, um eine Effizienz von wenigstens 50% bei der Erzeugung einer hochenergetischen phasenkonjugierten Reflexion zu realisieren, die eine niedrige spektrale Bandbreite aufweist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die nicht-lineare optische Phasenkonjugaton (Nonlinear Optical Phase Conjugation=NOPC) umfalt die räumliche und/oder zeitliche Informationsverarbeitung von elektromagnetischen Feldern in Real zeit unter Verwendung von nicht-linearen optischen (Non Linear Optical=NLO) Techniken. Obgleich sich dieses Gebiet dahingehend entwickelt hat, als das es bemerkenswert reichhaltige und unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten einschließlich der nicht-linearen Laserspektroskopie umfaßt, liegt die Hauptzielrichtung der NOPC in dem Bereich der Kompensation von Verzerrungen in Realzeit, die in elektromagnetischen Feldern infolge der Ausbreitung und/oder der Transmission durch unterschiedliche, aberrationerzeugende Medien auftreten.
Ein phasenkonjugierender Spiegel (Phase Conjugate Mirror=PCM) erzeugt eine Retro-Reflexion eines einfallenden Strahles. Die einzigartigen Eigenschaften einer phasenkonjugierten Reflexion sind in den Figuren 1a und 1b illustriert. Fig. 1a zeigt einen Fall, in dem ein konventioneller ebener Spiegel 10 mit einer monochromatischen Punktlichtquelle 12 beleuchtet wird. Der Spiegel 10 ändert lediglich die Ausbreitungsrichtung eines divergenten einfallenden Strahles 14, der in einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, zu der eines reflektierten Strahles 16, der in einer gestrichelten Linie dargestellt ist, und zwar derart, daß die Einfallswinkel und Reflexionswinkel (nicht dargestellt) gleich sind.
Die Fig. 1b illustriert einen Fall, in dem ein phasenkonjugierender Spiegel 18 einen einfallenden Strahl 14 derart reflektiert, dar der reflektierte Strahl 16' den einfallenden Strahl 14 in einem "zeit-umgekehrten Sinn" zurückverfolgt. Die Wellenfronten 22' des reflektierten Strahles 16', die gestrichelt dargestellt sind, überlappen die Wellenfronten 20 des einfallenden Strahles 14, obgleich sie aus Illustrationszwecken in der Zeichnung versetzt dargestellt sind.
Es wird darauf hingewiesen, dar in Fig. 1a die Wellenfronten 20 des einfallenden Strahles 14 konkav erscheinen, wenn man sie von der Quelle 12 her betrachtet, wohingegen die Wellenfronten 22 des reflektierten Strahles 16 konvex erscheinen, wenn man sie von der Quelle 12 her betrachtet. In Fig. 1b erscheinen beide Wellenfronten 20 und 22' konkav, wenn man sie von der Quelle 12 her betrachtet. Infolge dieser Umkehrung in der Phase der Wellenfronten wird dieses Phänomen als Wellenfrontumkehrung (wave-front reversal=WFR) in der sowjetischen Literatur bezeichnet.
Der Phasenumkehreffekt ist weiter in den Figuren 2a und 2b illustriert. In Fig. 2a wird eine ebene Wellenfront 24 eines kohärenten Lichtstrahles durch ein verzerrendes Element wie beispielsweise einen Glaszylinder 26 geführt, der einen "Buckel" 28a in einer Wellenfront 28 des Strahles während der Ausbreitung durch den Zylinder 26 einführt. Die Reflexion der Wellenfront 28 an dem ebenen Spiegel 10 erzeugt eine Wellenfront 30, die einen Buckel 30a aufweist, der dem Rest der Wellenfront 30 in der Phase hinterherläuft. Die Ausbreitung der Wellenfront 30 zurück durch den Zylinder 26 erzeugt eine Wellenfront 32, die einen Buckel 32a aufweist, der im Hinblick auf seine Größe doppelt so groß ist wie die Buckel 28a und 30a. Wenn man den Zylinder 26 durch ein transmittierendes Medium ersetzt, so wie beispielsweise die Atmosphäre in einem Luftanwendungsbereich oder durch einen Verstärker, dann ist dieser Effekt besonders unerwünscht. Jede Verzerrung, durch ein zwischenliegendes Medium oder einen Verstärker erzeugt, wird bei den zwei Durchläufen durch es bzw. ihn verdoppelt.
Der in Fig. 2b illustrierte phasenkonjugierende Spiegel 18 weist die sehr erwünschte Eigenschaft der Umkehrung und dadurch der Eliminierung jeder Verzerrung auf, die durch ein Medium eingeführt worden ist, das durch den Zylinder 26 dargestellt ist. Die Ausbreitung der Wellenfront 24 durch den Zylinder 26 erzeugt die verzerrte Wellenfront 28, wie im Fall der Fig. 2a. Indessen wird die Phase der Wellenfront 34, die von dem phasenkonjugierenden Spiegel 18 reflektiert wird, im Vergleich zu der einfallenden Wellenfront 28 umgekehrt, so daß ein Buckel 34a den Rest der Wellenfront 34 in der Phase in einer Weise anführt, die dem in Fig. 2a gezeigten Fall der Wellenfront 30 entgegengesetzt ist. Die Ausbreitung der Wellenfront 34 durch den Zylinder 26 erzeugt eine Wellenfront 36 die eben (gleichphasig) ist, da ein hinterherlaufender Buckel (nicht dargestellt), der von dem Zylinder 26 eingeführt wird, den führenden Buckel 34a der Wellenfront 34 aufhebt. Es ist diese Eigenschaft der phasenkonjugierenden Reflexion, die so erwünscht ist, da sie die Ausbreitung und Verstärkung durch zwischenliegende Medien erlaubt, ohne daß dabei Verzerrungen erzeugt werden.
Zwei weit verbreitete Verfahren zur Erzeugung der optischen Phasenkonjugation sind die stimulierte Brillouin-Streuung und die Vier-Wellen-Mischung (Four Wave Mixing=FWM). Die Phasenkonjugation durch die stimulierte Brillouin-Streuung ist zuerst durch Forscher vom Lebedev Physical Institute in Moskow im Jahre 1972 entdeckt worden, wie im einzelnen in Zel'dovich, B. Ya et al. Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. Pisma 15, 160 [JETP Lett. (Engl. Tranl.) 15, 109] (1972) dokumentiert ist. Eine allgemeine Einführung in die Prinzipien der optischen Phasenkonjugation findet man in "Optical Phase Conjugation" von Vladimir V. Shkunov und Boris Ya. Zel'dovich, Scientific American., Dezember 1985, Seiten 54 bis 59. Eine Einführung zu praktischen Anwendungen der optischen Phasenkonjugation einschließlich detaillierter Darstellungen der stimulierten Brillouin-Streuung und der Vier- Wellen-Mischung findet man in "Applications of Optical Phase Conjugation", von David M. Pepper (einem der Erfinder der vorliegenden Erfindung), Scientific American., Januar 1986, Seiten 74 bis 83. Eine detaillierte Abhandlung der optischen, physikalischen und mathematischen Eigenschaften der optischen Phasenkonjugation findet man in "Non-Linear Optical Phase Conjugation", von David M. Pepper, Laser Handbook Band 4, Elsevier Science Publishers BV, North-Holland Physics Publishing, Amsterdam 1985. Einen grundlegenden Hinweis auf die Brillouin-verstärkte Vier-Wellen-Mischung, dem speziellen Typ der Vier-Wellen-Mischung, der für die vorliegende Erfindung relevant ist, findet man in einem Papier mit dem Titel "Wave-front inversion of weak optical signals with a large reflection coefficient", von N.F. Andreev et al., JETP Lett., Band 32, Nr. 11, 5. Dezember 1980, Seiten 625 bis 629. Dieser Literturhinweis lehrt auch, wie man all die wechselwirkenden Strahlen, die man für den Vier-Wellen- Mischprozeß benötigt, aus einer einzelnen kohärenten Laserstrahlquelle mittels Strahlteilung erhalten kann.
Das Laserradar hat für eine Anzahl von modernen Militär- Einsatzgebieten wie beispielsweise die Raketenführung, dem Geländefolgeflug, die Störungsverhinderung, den globalen Atmosphärenmessungen und als Element von Systemen der strategischen Verteigungsinitiative (Strategic Defense Initiative=SDI) eine steigende Bedeutung. Gegenwärtige Laser- Radarkonzepte setzen ausschließlich CO&sub2;-Laser ein, die im Hinblick auf ihre Lebensdauer Beschränkungen unterliegen (und zwar insbesondere für raumgestützte Anwendungsbereiche).
Es besteht ein Bedarf an einer schmalbandigen Laserquelle mit hoher Leistung für Laser-Radaranwendungen. Unterschiedliche Beschränkungen haben bislang die Verwendung von phasenkonjugierenden Spiegeln in Anwendungen einschließlich des Laserradars ausgeschlossen, die schmale Quellenbandbreiten von ungefähr 10 KHz bis 1 MHz benötigen. Die spektrale Bandbreite eines konjugierten Strahles, der von einem herkömmlichen (SBS) phasenkonjugierenden Spiegel erzeugt worden ist, kann nicht geringer sein als ungefähr ein-zehntel der Brillouin-Verstärkungslinienbreite. Diese minimale spektrale Bandbreitenbeschränkung resultiert aus den Phasensprüngen, die infolge der zufälligen Natur des akustischen Rauschens entstehen, das den Brillouin-Prozeß erzeugt und aufrechterhält. Typische Brillouin-Linienbreiten bewegen sich zwischen ungefähr 5 MHz und 300 MHz, und zwar für eine Pumplaserwellenlänge von 1 Mikrometer. Die Vier-Wellen-Mischung eliminiert die Phasensprünge und erlaubt schmale Linienbreiten, aber sie bedingt kohärente Hilfslichtquellen, um die Referenzstrahlen zu erzeugen, die leistungsstärker sein müssen als der zu konjugierende Strahl, darüber hinaus müssen sie eine nahezu beugungsbegrenzte optische Qualität aufweisen, wodurch die Kosten und die Komplexität der Vorrichtung erheblich ansteigen. Grundsätzlich kann man ein hochenergetisches optisches System mit schmaler Modulationslinienbreite auf unterschiedliche Art und Weise realisieren. Zunächst kann der Ausgang eines hoch-energetischen Lasers direkt mit einem Modulator schmaler Linienbreite moduliert werden. Dieses Schema ist unerwünscht, da der Modulator in dem hoch-energetischen Ausgangsarm des Systems plaziert werden muß und daher im Hinblick auf die Zerstörung durch den Laser, der spannungsinduzierten Doppelbrechung und anderen mechanischen und thermischen Störungen widerstandsfähig sein muß. Alle diese Probleme können die Leistungsfähigkeit des Systems vermindern, indem sie Phasenaberrationen einführen und unterschiedliche schädliche nicht-lineare optische Verzerrungen auf den Ausgangsstrahl aufprägen. Ein anderer Lösungsansatz liegt darin, einen schmalbandigen Oszillator geringer Energie zu modulieren, der dann eine Laserverstärkungskette treibt. Dieses Schema weist gleichfalls Nachteile auf, obgleich der Modulator sich in dem nieder-energetischen Arm des Systems befindet, da der sich ergebende hoch-energetische Ausgang von dem Verstärker bzw. den Verstärkern selbst verzerrt werden kann. Verzerrungen wie die Spannungsinduzierte Doppelbrechung, thermische und mechanische Strahlwanderungen etc. können auf den Laserstrahl aufgeprägt werden, wenn er sich durch eine Reihe von Verstärkern hindurch ausbreitet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß sorgt die vorliegende Erfindung für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines optischen Ausgangsstrahles mit schmaler Bandbreite als eine phasenkonjugierte Reflexion eines optischen Eingangsstrahles schmaler Bandbreite, wie sie in den Ansprüchen 1 und 8 definiert sind. Ein kohärenter Eingangsstrahl von einem Laser wird in einen Brillouin-verstärkten Vier-Wellen-Mischer eingeführt, der einen phasenkonjugierten Saat- bzw. Anfangsstrahl erzeugt, der sich in entgegengesetzter Richtung zum Eingangsstrahl ausbreitet. Ein Brillouin-Verstärker wird zwischen dem Laser und dem Vier-Wellen-Mischer vorgesehen, um Energie von dem Eingangsstrahl auf den Saatstrahl zu transferieren und dadurch den Saatstrahl zu verstärken, um einen phasenkonjugierten Ausgangsstrahl zu erzeugen, der ungefähr 50% der Energie des Eingangsstrahles sowie eine schmale Bandbreite aufweist, und der frei von zufälligen Phasensprüngen ist, die mit dem akustischen Rauschen verbunden sind, das im allgemeinen notwendig ist, um die stimulierte Brillouin-Streuung zu initiieren und aufrechtzuerhalten. Referenzstrahlen für den Vier-Wellen-Mischer können von der gleichen Las erquelle abgeleitet werden wie der Eingangsstrahl. Darüber hinaus kann, da der phasenkonjugierte Saatstrahl, der von dem Vier-Wellen-Mischer erzeugt worden ist, nur ungefähr 1 bis 10% der Energie des anfänglichen Eingangsstrahls haben muß, der Referenzstrahl Energien haben, die eine oder mehr Größenordnungen kleiner sind als die Energie des Eingangsstrahls.
Die vorliegende Erfindung eröffnet die Möglichkeit des Einsatzes von phasenkonjugierenden Festkörper- und Halbleiterdiodenlasern mit höherer Zuverlässigkeit und besserer Energie-Skalierbarkeit, und zwar für Anwendungen einschließlich des Laserradars, die Quellen mit schmalen Bandbreiten benötigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die schmalbandige Modulation auf einen nieder-energetischen Arm des Systems aufgeprägt. Darüber hinaus kompensiert die Verwendung eines Phasenkonjugators in Verbindung mit der doppelten Durchlaufgeometrie die Verstärkerverzerrungen und sie entnimmt gleichzeitig effizienter die in den Verstärkern gespeicherte Energie als zu verwendendes beugungsbegrenztes Ausgangslicht. Weiterhin kann die Phasenkonjugationstechnik verwendet werden, um gespeicherte Energie in einer kohärenten Art und Weise aus einem Satz von parallelen sowie reihengeschalteten Laserverstärkern zu entnehmen, oder aus Kombinationen davon.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines die Bandbreite bewahrenden phasenkonjugierenden Brillouin-Spiegels, der eine Phasenkonjugationsreflektivität in der Größe von 50% aufweist und der einen phasenkonjugierten reflektierten Strahl mit einer Linienbreite erzeugt, die nicht erheblich größer ist als die eines Eingangsprüfstrahles.
Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines die Bandbreite bewahrenden phasenkonjugierenden Brillouin-Spiegels, der in Laser-Radaranwendungen anwendbar ist und der auf höhere Energiepegel unter Verwendung einer Mehrzahl von parallelen Strahlen skalierbar ist.
Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines die Bandbreite bewahrenden phasenkonjugierenden Brillouin-Spiegels, der frei ist von jeder Abhängigkeit von spontanen akustischen Rauschquellen und dadurch von zufälligen Phasensprüngen, sowie dem damit verbundenen Ansteigen der Bandbreite, und der lediglich eine einzelne kohärente Lichtquelle benötigt, sowie Referenzstrahlen, die mehrere Größenordnungen schwächer sein können als der Eingangsprüfstrahl.
Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines die Bandbreite bewahrenden phasenkonjugierenden Brillouin-Spiegels, der die Modulation des phasenkonjugierten Strahles in einem Bereich niedriger Leistung der Vorrichtung ermöglicht.
Eine weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Spiegel den phasenkonjugierten Strahl präzise steuern kann, indem einer der Referenzstrahlen, der in dem phasenkonjugierenden Spiegel eingesetzt wird, verkippt wird.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlich, die in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung zu sehen ist, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigt:
Figuren 1a, 1b Diagramme, die die grundlegenden Eigenschaften der optischen Phasenkonjugation illustrieren;
Figuren 2a, 2b Diagramme, die die Eliminierung von Wellenfrontaberrationen mittels der optischen Phasenkonjugation illustrieren;
Figuren 3a, 3b Diagramme, die einen grundlegenden stimulierten Brillouin-Streuprozeß illustrieren;
Fig. 4 ein Blockdiagramm, in dem ein grundlegender Vier-Wellen-Mischprozeß illustriert ist;
Fig. 5 ein Blockdiagramm, in dem ein hybrider stimulierter Brillouin-Streu/Vier-Wellen-Mischprozeß nach dem Stand der Technik illustriert ist; und
Fig. 6 ein Blockdiagramm, in dem ein bandbreitenbewahrender phasenkonjugierender Brillouin- Spiegel gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wie in den Figuren 3a und 3b illustriert, weist ein auf der stimulierten Brillouin-Streuung basierender, phasenkonjugierender Spiegel 40 den Vorteil auf, daß er lediglich einen Behälter 42 umfaßt, der mit einem geeigneten nicht-linearen Medium 44 gefüllt ist. Ein konjugierter reflektierter Saat- (bzw. Anfangs-)Strahl Ec wird erzeugt, indem ein Eingangs- oder Pump- oder Prüfstrahl EP an einem periodischen Muster aus "Gittern" 48 in der Form von Schallwellenfronten gestreut wird, die sich durch das Medium 44 in der Richtung der Bewegung 50 des Eingangsstrahles EP mit der örtlichen Schallgeschwindigkeit in dem Medium 44 ausbreiten. Die Gitter 48 werden in Antwort auf die progressive Verstärkung von geeignet ausgerichteten, thermischen Rausch-Phononenwellen 46 durch Wechselwirkung mit dem Eingangsstrahl EP erzeugt. Wie man am besten der Fig. 3b entnehmen kann, steigen die geeignet ausgerichteten Phonenwellen 46 progressiv im Hinblick auf ihre Amplitude durch die Wechselwirkung mit dem Eingangsstrahl EP an und Überlagern alle anderen zufälligen Rausch-Phononenwellen, die naturgemäß in dem Medium 44 existieren. Der konjugierte reflektierte Strahl Ec wird relativ zu dem Eingangsstrahl EP um eine Frequenzverschiebung b nach unten verschoben, die manchmal in der Literatur als die Stokes- oder Brillouin-Verschiebung bezeichnet wird und die von einem Dopplereffekt erzeugt wird, der von den sich bewegenden Gitter 48 induziert wird.
Indessen unterliegt dieser Prozeß einem wesentlichen Nachteil, der eine unmittelbare Auswirkung auf die vorliegende Erfindung hat. Infolge der Tatsache, daß thermisches Rauschen für die Initiierung benötigt wird, ist die absolute Phase der konjugierten Welle unbestimmt und darüber hinaus kann die Phase der konjugierten Welle diskrete "Sprünge" während der Entwicklung des SBS-Prozesses erfahren. Die Unbestimmtheit der absoluten Phase hat im allgemeinen nur geringe praktische Auswirkungen. Indessen kann die Existenz von "Phasensprüngen" ernsthaft die Brauchbarkeit der stimulierten Brillouin-Streuung in bestimmten praktischen Anwendungen beschränken. Eine detaillierte Darstellung dieses Phänomens wird von Basov, N. G. et al in Zh. Eksp. Teor. Fiz. Pis'ma 31, 685 [JETP Lett. 31, 645] (1980) gegeben.
Der grundlegende Vier-Wellen-Mischprozeß ist in Fig. 4 illustriert und er verlangt eine Zelle 60, die ein geeignetes nicht-lineares Material oder Medium enthält. Ein Prüfstrahl EP, der direkt dem entsprechenden Pumpstrahl entspricht, der in den Figuren 3a und 3b illustriert ist, wird in die Zelle 60 geführt. Ein phasenkonjugierter Stokes-Strahl Ec wird aus der Zelle 60 in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung zu dem Strahl EP reflektiert.
Sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreitende Pump- oder Referenzstrahlen E&sub1; und E&sub2; werden wie illustriert in die Zelle 60 geführt. Die Referenzstrahlen E&sub1; und E&sub2; werden von einem oder zwei externen Lasern (nicht dargestellt) erzeugt. In Abhängigkeit des spezifischen Typs der verwendeten Vier- Wellen-Mischung können die Frequenzen der drei Strahlen E&sub1;, E&sub2; und EP alle gleich sein, oder sie können sich voneinander unterscheiden. Für die vorliegende Erfindung sind die Frequenzen E&sub1; und EP gleich, während die Frequenz E&sub2; um einen Betrag niedriger ist, der der Stokes- oder der Brillouin- Verschiebung entspricht. Wenn man annimmt, daß die Frequenzen richtig ausgewählt worden sind, dann wechselwirken die drei Eingangsstrahlen in der Zelle 60, um Interferenzmuster im Raum und/oder der Zeit zu bilden, die zu der Erzeugung des phasenkonjugierten Strahles Ec führen.
Der Vier-Wellen-Mischer überwindet die der stimulierten Brillouin-Streuung innewohnenden Nachteile, die zuvor diskutiert worden sind. Die Interferenzmuster oder Gitter, die innerhalb der Zelle durch die interferierenden Lichtstrahlen erzeugt werden, sind um Größenordnungen in der Intensität stärker als das thermische Rauschen, das den stimulierten Brillouin-Streuprozeß initiiert und aufrechterhält. Daher werden die Phasensprünge eliminiert. Indessen leidet der grundlegende Vier-Wellen-Mischprozeß unter dem Nachteil, daß zwei zusätzliche Lichtquellen benötigt werden, die bislang die Referenzstrahlen E&sub1; und E&sub2; zu erzeugen hatten und die erheblich leistungsstärker zu sein hatten als der Prüfstrahl EP.
Eine partielle Lösung der bislang existierenden Probleme, die den den Erfindern bekannten, nächstkommenden Stand der Technik bildet, ist in Fig. 5 illustriert. Der Prozeß wird in "Investigation of a Hypersonic Wavefront-Reversing Mirror Operating in a Master-Oscillator-Amplifier Configuration" von N. B. Basov et al. beschrieben, und zwar in Sow. J. Quantum Electron, 16 (6), Juni 1986. Gemäß der dort beschriebenen Anordnung werden zwei SBS-Zellen 72 und 74 verwendet (wobei beide das gleiche nicht-lineare Medium wie beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff enthalten) und eine effiziente phasenkonjugierende Reflexion eines Prüfstrahles EP resultiert aus einer Sequenz von den folgenden drei Schritten:
(1) Der Erzeugung von sich entgegengesetzt ausbreitenden Referenzstrahlen,
(2) der Erzeugung eines schwachen konjugierten Saatstrahles, und
(3) der SBS-Verstärkung des konjugierten Saatstrahles.
Ein Referenzstrahl E&sub1; wird erzeugt, indem man entweder einen Teil des Strahles EP abspaltet oder indem man eine separate Quelle (nicht dargestellt) einsetzt und ihn in die Zelle 72 wie illustriert einführt. Der Strahl E&sub1; durchquert die Zelle 72 und schreitet von ihr in eine stimulierte Brillouin- Streu(SBS)-Zelle 74, die einen zweiten Referenzstrahl E&sub2; als konjugierte Reflexion des Strahles E&sub1; erzeugt. Der Strahl E&sub2; breitet sich bezüglich des Strahles E&sub1; genau entgegengesetzt aus, und zwar infolge des Effektes, der unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 illustriert worden ist, und er ist in der Frequenz um die Stockes- oder die Brillouin-Verschiebung b nach unten verschoben. Der Erzeugung des Referenzstrahles E&sub2; folgend entsteht eine Situation, in der sowohl E&sub1; als auch E&sub2; in der Zelle 72 koexistent sind. Die optische Anordnung ist derart, daß der Prüfstrahl EP derart ausgerichtet, daß er die Referenzstrahlen E&sub1; und E&sub2; in der Zelle 72 überlappt. Infolge eines Prozesses, der als die Brillouin-verstärkte Vier-Wellen-Mischung (Brillouin-enhanced four-wave mixing=BEFWM) bezeichnet wird, wird ein konjugierter Saatstrahl Ec für den Prüfstrahl erzeugt und dieser konjugierte Saatstrahl ist in der Frequenz relativ zum Referenzstrahl E&sub1; nach unten verschoben, und zwar um die gleiche Stokes- oder Brillouin-Verschiebung b. Ein Überblick über die BEFWM ist von A. M. Scott und K. D. Ridley geschrieben worden, er wird in der Märzausgabe von 1989 des IEEE Journal of Quantum Electronics erscheinen.
In den verschiedenen Anwendungen der BEFWM sowie in der obigen Diskussion der gewöhnlichen FWM sind die Referenzwellen typischerweise erheblich energetischer als das Signal, was dazu führt, daß die Konjugierte gleichfalls erheblich energetischer ist als das Signal. Bei der vorliegenden Erfindung trift genau das Gegenteil zu. Die Referenzwellen sind typischerweise schwächer als der Prüfstrahl (und zwar um einen Faktor von ungefähr 10), sowie die konjugierte Anfangssaatwelle, die infolge der BEFWM-Wechselwirkung erzeugt worden ist. Indessen kann, und zwar infolge der Brillouin- Frequenzverschiebung, die auf den konjugierten Saatstrahl infolge des BEFWM-Prozesses aufgeprägt worden ist, sofern das Brillouin-Medium sich ausreichend weit entlang der Richtung des einfallenden Prüfstrahles erstreckt, eine effiziente Brillouin-Verstärkung des konjugierten Saatstrahles auftreten, und zwar auf Kosten des einfallenden Prüfstrahles (dieser Prazeß ist vollständig der Rückwärts-Ramanverstärkung eines schwachen Saatstrahles analog).
In einer Ausführungsform, die von Basov et al. demonstriert worden ist, liegt der Reflexionskoeffizient des konjugierten Strahles Ec relativ zum Prüfstrahl EP in der Größenordnung von 20%. Indessen kann, wie sie weiter zeigen, der Koeffizient bis zur Größenordnung von 50% erhöht werden, und zwar durch partielle Entkopplung des Referenzstrahles E&sub2; und des Prüfstrahles EP, indem man ihre relativen Polarisationen ändert oder die Wechselwirkungs und Verstärkungsbereiche der vier Strahlen in der Zelle 72 auf eine Art und Weise separiert, die in der Referenz beschrieben ist.
Die in Fig. 5 illustrierte Konfiguration sorgt für eine akzeptable Konjugations-Reflexionseffizienz in der Größenordnung von 50% und sie ermöglicht es den Referenzstrahlen, im Hinblick auf ihre Energie niedriger zu sein als der Prüfstrahl. Indessen leidet dieses Hilfsmittel nach dem Stand der Technik nach wie vor unter dem Problem der spektralen Verbreiterung, das der stimulierten Brillouin-Streuung innewohnt, da der Referenzstrahl E&sub2; in der SBS-Zelle 74 durch den grundlegenden SBS-Prozeß erzeugt wird, der von dem zufälligen akustischen Rauschfaktor begleitet wird. Im allgemeinen wird jeder Prozeß, bei dem die Erzeugung eines Strahles in einer SBS-Zelle beteiligt ist, die schmalbandige Natur der Konfiguration zerstören.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist dort ein die Bandbreite bewahrender, phasenkonjugierender Brillouin-Spiegel gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnet und er umfaßt eine Quelle 82 zur Erzeugung eines beugungsbegrenzten schmalbandigen Strahles, der ähnliche Charakteristiken aufweist wie ein Laser. Der Laser 82 ist vorzugsweise vom Festkörper- oder Halbleiterdiodentyp, er kann aber auch von einem beliebigen anderen Typ sein, der die notwendigen Anforderungen im Hinblick auf die Leistung. Frequenz und die Linienbreite erfüllt. Fig. 6 deutet gleichfalls eine typische Anwendung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Laserverstärker 121 an, die zu einem konjugierten Strahl führt, der relativ zu dem Anfangsstrahl verstärkt ist. Der verstärkte oder intensivierte Ausgangsstrahl wird mit EAus bezeichnet. Der Verstärker 121 kann aus einer einzelnen Komponente bestehen, einer Reihenschaltung aus Verstärkern, oder einer parallelen Gruppe aus Verstärkern, oder einer beliebigen Kombination daraus. Lösungsansätze zur Ablenkung des Ausgangsstrahles EAus fort von dem Laser 82 sind im Stand der Technik wohlbekannt. Derartige Lösungsansätze setzen oft polarisierende Strahlteiler und Vorrichtungen zum Polarisieren des Strahles EAus orthogonal zum Strahl EP ein. Indessen wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung auch in anderen Anwendungsbereichen ohne Laserverstärker verwendet werden kann.
Der Laser 82 erzeugt einen Strahl EP, der zu den oben diskutierten Prüfstrahlen äquivalent ist. Indessen wird er aufgespalten und im Hinblick auf seine Frequenz in einer Art und Weise verschoben, die im folgenden detailliert beschrieben werden wird, um eine einzelne Quelle für die Referenzstrahlen zu bilden, die für den Vier-Wellen-Mischprozeß benötigt werden.
Eine Komponente des Strahles EP, die einen Eingangsstrahl bildet, bewegt sich von der Zeichnung aus betrachtet nach rechts, und zwar von dem Laser 82 fort durch einen strahlteilenden Spiegel 84 und die Brillouin-Verstärkungszelle 86 zu einer Brillouin-verstärkten Vier-Wellen-Mischzelle 88. Die Zellen 86 und 88 ähneln denen, die zuvor in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben worden sind und sie umfassen Lichtröhren oder andere geeignete Behälter 90 und 94, die jeweils mit nicht-linearen Medien oder Materialien 92 und 96 gefüllt sind. Die nicht-linearen Medien 92 und 96 können in der Form eines Halbleiters, eines Kristalls, eines Liquides, eines Gases, eines Plasmas, eines Flüssigkristalls, eines Aerosols oder eines atomaren Dampfes vorliegen. Typischerweise bestehen die nicht-linearen Medien 92 und 96 aus einem Gas wie beispielsweise aus N&sub2;, Xe, Ch&sub4; oder SF&sub6;.
Eine andere Komponente des Strahles EP wird von dem Laser 82 mittels des Strahlteilerspiegels 84 fortreflektiert und über ebene reflektierende Spiegel 98 und 100 einem akusto-optischen Modulator (acousto-optic modulator=AOM) 102 zugeführt. Eine Komponente des Strahles EP breitet sich gerade durch den akusto-optischen Modulator 102 hindurch aus und bildet einen Referenzstrahl E&sub1;, der in die Mischzelle 88 geführt wird. Eine zweite Komponente des Strahles EP wird von dem akusto-optischen Modulator 102 in Richtung eines ebenen reflektierenden Spiegels 104 abgelenkt. Die zweite Komponente wird von dem AOM 102 im Hinblick auf seine Frequenz nach unten verschoben, und zwar um einen Betrag, der der Stokes- oder der Brillouin-Frequenz b des Materiales in den Zellen 86 und 88 entspricht, um so den Referenzstrahl E&sub2; zu bilden. Es wird darauf hingewiesen, daß wenn die Ausgangsfrequenz des Strahles EP, wie er im Laser 82 erzeugt worden ist, &sub0; beträgt, die Frequenz des Referenzstrahles E&sub1; gleichfalls &sub0; beträgt und die Frequenz des Referenzstrahles E&sub2;, der um die Stokes-Frequenz nach unten verschoben ist, ist &sub0; - b.
Der akusto-optische Modulator 102 ist für sich betrachtet wohlbekannt und ein konventionelles Element in dem Bereich der Laseroptik; er kann einen Kristall in Kombination mit einem akustischen Wandler umfassen, obgleich dies nicht illustriert ist. Wenn erwünscht kann der akusto-optische Modulator 102 durch jeden anderen bekannten äquivalenten Modulator mit einzelnem Seitenband (single-sideband modulator) ersetzt werden.
Der abgelenkte und in seiner Frequenz nach unten verschobene Strahl E&sub2; wird von dem Spiegel 104 reflektiert, sowie von ebenen reflektierenden Spiegeln 106, 108 und 110, und zwar in die Vier-Wellen-Mischzelle 88 hinein, damit er sich zu dem Strahl E&sub1; in entgegengesetzter Richtung ausbreitet. Die Eigenschaften des Strahlteilerspiegels 84 und des akusto- optischen Modulators 102 werden derart ausgewählt, daß die Energien der Referenzstrahlen E&sub1; und E&sub2; wesentlich niedriger liegen als die der Komponente des Prüfstrahles EP, die die Brillouin-Zelle 86 betritt. Typischerweise werden die Referenzstrahlen um eine oder zwei Größenordnungen (10 bis 100 fach) schwächer sein als der Prüfstrahl. Dieses Merkmal stellt einen der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung dar. Nicht nur das die Interferenzmuster in der Mischzelle 88 erzeugt werden können, indem man Referenzstrahlen mit niedriger Leistung verwendet, sondern alle Strahlen, die für den erfindungsgemäßen Prozeß benötigt werden, können aus einer einzelnen Quelle abgeleitet werden. Indessen können gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Quellen verwendet werden, um die gewünschten Prüf- und Referenzstrahlen zu erzeugen. In derartigen Fällen sollten die Frequenzen der Vielzahl der Quellen auf einen gemeinsamen Standard verriegelt werden.
Der Vier-Wellen-Mischprozeß, der in der Mischzelle 88 auftritt, ist dem oben unter Bezugnahme auf die Fig. 4 beschrieben ähnlich, er erzeugt einen reflektierten phasenkonjugierten Ausgangssaatstrahl Ec. Infolge der Tatsache, daß die Frequenz des Strahles E&sub2; von der des Strahles EP um die Stokes-Frequenz b nach unten verschoben ist, erzeugt die Streuung des Referenzstrahles E&sub1; an dem Gitter, das durch die Interferenz der Strahlen EP und E&sub2; erzeugt worden ist, den Strahl Ec bei einer Frequenz, die von der des Referenzstrahles E&sub1; nach unten verschoben ist, und zwar um die Brillouin-Verschiebung oder um &sub0; - b.
Der konjugierte Saatstrahl Ec, der von der Mischzelle 88 ausgeht, tritt in die Brillouin-Verstärkungszelle 86 ein, und zwar in entgegengesetzer Ausbreitungsrichtung zu dem Eingangsprüfstrahl EP. Die Stoke'sche-Frequenzverschiebung zwischen den in der Zelle 86 koexistierenden Strahlen EP und Ec ermöglicht eine Kopplung zwischen ihnen und eine Brillouin-Verstärkung der konjugierten Strahles Ec auf Kosten des Prüfstrahles EP. Der konjugierte Strahl Ec wird weiter im Laserverstärker 121 verstärkt und er wird nachfolgend von der Zeichnung aus gesehen nach unten von dem Spiegel 84 abgelenkt, um einen Ausgangsstrahl EAus des vorliegenden bandbreitenerhaltenden phasenkonjugierenden Brillouin-Spiegels 80 zu bilden. Aus der folgenden mathematischen Analyse der Wechselwirkungsprozesse wird deutlich, daß die in der Zelle 86 auftretende Brillouin-Verstärkung es dem vorliegenden bandbreitenerhaltenden, phasenkonjugierenden Brillouin-Spiegel 80 erlaubt, einen Gesamtkonjugations- Reflexionskoeffizienten in der Größenordnung von 50% bei sehr brauchbaren Energiepegeln zu erhalten, eine Zahl, die für praktische Anwendungen im Laser-Radarbereich vollständig akzeptabel ist.
Es wird angenommen, daß die Intensitäten der Referenzstrahlen E&sub1; und E&sub2;, wenn die Strahlen die Zelle 88 betreten, jeweils mit I&sub1; und I&sub2; bezeichnet sind, wobei die Frequenz des Strahles E&sub2; um die Stokes-Frequenz b relativ zu E&sub1; nach unten verschoben ist, und das die Intensität des Prüfstrahles EP, wenn er die Zelle 88 betritt, mit IP bezeichnet ist. Wenn man weiter annimmt, daß keine Entleerung der Intensitäten I&sub1; und IP auftritt, dann ist die Intensität Ic des konjugierten, Stokes-verschobenen Strahles Ec durch die folgende Gleichung 1 gegeben:
wobei g der Brillouin-Verstärkungskoeffizient und l die Wechselwirkungslänge in der Mischzelle 88 ist. Damit das vorliegende Konzept praktikabel wird, muß die Summe (I&sub1;=I&sub2;) im Vergleich zu IP klein werden. Wenn man annimmt, daß die Summe 10% von IP ist, und wenn man weiter annimmt, das I&sub1; = I&sub2;, dann sagt Gleichung 1 voraus, das Ic/IP ungefähr 10% sein wird, und zwar für gIP l=3. Dieser Wert für den konjugierten Saatstrahl sollte ausreichend sein, den rückwärtigen Brillouin-Verstärker 86, der von dem einfallenden IP gepumpt wird, effektiv zu sättigen. Basierend auf der Erfahrung der Erfinder der vorliegenden Erfindung mit Raman-Verstärkern ist zu erwarten, daß der Brillouin-Verstärker 86 ein gIPL von ungefähr 5 bis 6 verlangen würde, wobei L die Wechselwirkungslänge des Verstärkers 86 ist. Wenn die Brillouin- Medien 92 und 96 in den Zellen 86 und 88 Methan sind (g = 70 cm/GW bei einem Druck von 105 Atmosphären) und die Wechselwirkungslänge l 10 cm beträgt, dann ergibt sich ein gIP l -Wert von 3 aus einer Intensität von nur ungefähr 4,3 MW/cm². Die gleiche Intensität und eine längere Wechselwirkungslänge L von 20 cm würde für den Brillouin-Verstärker 86 einen adequaten gIPL-Wert erzeugen.
Da der Strahl E&sub2; um die Brillouin-Frequenzen b relativ zum Strahl E&sub1; nach unten verschoben ist, können die zwei Referenzstrahlen in der Mischzelle 88 wechselwirken, um ein akustisches Gitter zu bilden, daß einen Teil von IP in die Richtung von I&sub2; beugt. Darüber hinaus kann I&sub2; auch direkt eine Brillouin-Verstärkung durch I&sub1; erfahren, wodurch ein Teil von I&sub1; in die Richtung von I&sub2; gestreut wird. Diese beiden Prozesse sind in der Analyse enthalten, die zu der Gleichung (1) führt. Es ist nicht naheliegend zu klären, ob diese Wechselwirkungen die erfolgreiche Funktion der vorliegenden Erfindung stören würden. Indessen können, in dem Fall das sie dies tun, die Wechselwirkungen zwischen den Referenzstrahlen E&sub1; und E&sub2; optional eliminiert werden, indem man die Polarisation des Strahles E&sub1; um 90º dreht, indem man einen konventionellen Faraday-Dreher 112 oder eine andere, die Polarisation drehende Einrichtung verwendet, die gestrichelt dargestellt ist, bevor er die Mischzelle 88 betritt. In diesem Fall würde ein kompensierender Faraday- Dreher 114, der mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist, zwischen den Zellen 86 und 88 angeordnet werden, um die Polarisation des konjugierten Strahles Ec derartig zu drehen, daß sie mit der des Prüfstrahles EP innerhalb des Brillouin-Verstärkers koinzidiert. Eine detaillierte Abhandlung der Entkopplung von Prüf- und Referenzstrahlen in einem Vierwellenmischer ist einer Veröffentlichung entnehmbar, die mit "Polarization methods for improvement of the energy characteristics of wavefront-reversing mirrors" bezeichnet ist, von V. F. Efimkov et al, Sow. J. Quantum Electron. 14 (2), Feb. 1984, Seiten 209 bis 213.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch die Modulation oder das "Zwitschern" (das Frequenzwobbeln) des konjugierten Strahles innerhalb der Grenzen der Brillouin-Verstärkungsbandbreite, wie dies für einige Anwendungen nötig ist. Die Modulation kann auf den Referenzstrahl E&sub1; mittels eines separaten Modulators 116 in dem optischen Pfad zwischen dem akusto-optischen Modulator 102 und der Mischzelle 88 auf gebracht werden. Es ist gleichfalls möglich, den Referenzstrahl E&sub2; zu modulieren, indem man einen optionalen Modulator 118 in dem optischen Pfad zwischen dem akusto-optischen Modulator 102 und der Mischzelle 88 vorsieht. Im allgemeinen kann die Modulation auf einfache Art und Weise bei jedem beliebigen tieferen Punkt in dem optischen Pfad des Laserstrahles eingeführt werden, wodurch Probleme minimiert werden, die mit der Leistungsbelastung zusammenhängen. Ein effizienter Betrieb des Mischers 88 bedingt, daß die Frequenz des Strahles E&sub2; niedriger ist als die des Strahles EP, und zwar um einen Betrag, der der Stokes-Frequenzverschiebung des Mischermediums 96 entspricht. Auf ähnliche Art und Weise bedingt ein effizienter Betrieb des Brillouin-Verstärkers 86, daß die Frequenz des Strahles Ec niedriger ist als die des Strahles EP, und zwar um einen Betrag, der der Stokes- Frequenzverschiebung des Verstärkungsmediums 92 entspricht. Für eine gegebene Frequenz des Strahles EP und eine zufällige Modulations-Bandbreite sowie des -formats, die bzw. das auf den konjugierten Saatstrahl Ec über die Modulatoren 116 und/oder 118 aufgeprägt wird, können die obigen Bedingungen erfüllt werden, indem man eine aus mehreren möglichen Methoden einsetzt. Repräsentative Beispiele derartiger Methoden umfassen (1) die Justage der Zusammensetzung des Mediums 92 und/oder des Mediums 94; (2) die Anderung der Frequenz des AOM 102, um den Frequenz-Offset zu kompensieren, der von dem Modulator 118 aufgebracht worden ist; oder (3) die Aufprägung eines konstanten Frequenz-Offsets auf die Modulatoren 116 und/oder 118.
Die vorliegende Konfiguration erlaubt es einem weiterhin, den konjugierten Strahl leicht relativ zu der exakten entgegengesetzten Richtung des Prüfstrahles EP zu steuern bzw. einzustellen. Obgleich eine derartige Strahlsteuerung einige der Vorteile der Phasenkonjugation opfern könnte, kann sie in Anwendungen erwünscht sein, in denen man beabsichtigt, den konjugierten Strahl der Richtung des Prüfstrahles vorzuhalten bzw. ihn vorauseilen zu lassen, wenn der Prüfstrahl von einer sich bewegenden Quelle erzeugt wird (beispielsweise einem Satelliten). Die Strahlsteuerung wird erreicht, indem man einen der Referenzstrahlen E&sub1; und E&sub2; leicht verkippt, so daß sie sich nicht mehr exakt entgegengesetzt zueinander ausbreiten.
Die Fachleute werden anerkennend zur Kenntnis nehmen, daß der akusto-optische Modulator 102 oder eine äquivalente Einrichtung, die den Referenzstrahl E&sub2; bei einer Frequenz erzeugt, die um die Stokes- oder Brillouin-Frequenz relativ zu dem Referenzstrahl E&sub1; nach unten verschoben ist, das gewünschte Ergebnis ohne eine Erhöhung der Bandbreite des konjugierten reflektierten Strahles Ec erzeugt, wie dies die SBS-Zelle 74 in der Konfiguration nach dem Stand der Technik aus Fig. 6 tut. Dies liegt daran, daß der akusto-optische Modulator 102 keine Phasensprünge des Types erzeugt, der aus dem thermischen Rauschen in einer SBS-Zelle resultiert. Tatsächlich kann die Frequenzstabilität eines typischen AOM lediglich einige Hz sein, ein Wert, der von vernachlässigbarer Konsequenz in den zu erwartenden Laser-Radarsystemen ist. Daher ist die Bandbreite des reflektierten konjugierten Strahles Ec im wesentlichen die gleiche wie jeweils die der Prüf- und Referenzstrahlen EP, E&sub1; und E&sub2;, und die Bandbreite des phasenkonjugierenden Spiegels wird lediglich durch die Bandbreite der Laserstrahlen begrenzt, die mit ihm verwendet werden. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung eine getreue konjugierende Reflexion eines Laserstrahles mit sehr schmaler Bandbreite, wodurch die bislang nicht mögliche Konstruktion einer schmalbandigen Laserwelle mit hoher Leistung möglich wird, die direkt in Laser-Radarsystemen einsetzbar ist.
Zusammenfassend wird deutlich, daß der die Bandbreite erhaltende, phasenkonjugierende Brillouin-Spiegel, der die vorliegende Erfindung einsetzt, die Nachteile des Standes der Technik in einer neu- und einzigartigen Art und Weise überwindet, wodurch ein hoch-energetischer Ausgang möglich wird, eine Konjugationsreflektivität von wenigstens 50%, eine schmale Bandbreite für Laserradar und sonstige Anwendungen, sowie schließlich eine Einfachheit des Designs, die lediglich eine einzelne Laserquelle verlangt.
Obgleich die vorliegende Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf eine bestimmte vorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, werden die Personen mit dem gewöhnlichen Fachwissen, auf die sich diese Erfindung bezieht, mit Anerkennung zur Kenntnis nehmen, daß verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Daher ist beabsichtigt, die Erfindung nicht nur auf die beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Beispielsweise kann die oben beschriebene Anordnung mit einzelnem Laserkanal und Brillouin-Zelle durch eine Konfiguration mit einer Vielzahl von Kanälen ersetzt werden, wodurch eine Energieskalierung in einem großen Umfang möglich wird.
Weitere Modifikationen sind zu erwarten und sie können durchgeführt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der im folgenden durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

1. Ein Verfahren zur Erzeugung eines optischen Ausgangsstrahles (Eout) mit schmaler Bandbreite als phasenkonjugierte Reflexion eines optischen Eingangsstrahls (Ep) mit schmaler Bandbreite, welches die Schritte aufweist:

(a) Aufteilen eines kohärenten optischen Strahles mit schmaler Bandbreite (Ep) von einer Laserquelle (82) in eine erste Komponente, die den Eingangsstrahl (Ep) bildet, sowie in zweite und dritte Komponenten, die jeweils erste (E&sub1;) und zweite (E&sub2;) Referenzstrahlen bilden;

(b) nach unten Verschieben der Frequenz von einem der ersten oder zweiten Referenzstrahlen (E&sub1;, E&sub2;), indem eine Modulation aufgebracht wird, deren Betrag der Stokes-Frequenz eines nicht-linearen Mediums (96) in einem Vier-Wellen-Mischer (88) entspricht, während die schmale Bandbreite des in der Frequenz nach unten verschobenen Strahles bewahrt wird;

(c) Führen des ersten (E&sub1;) und des zweiten (E&sub2;) Referenzstrahles in den Vier-Wellen-Mischer (88) in entgegengesetzter Richtung zueinander;

(d) Einbringen des Eingangsstrahles (Ep) in den Vier-Wellen-Mischer (88), um einen phasenkonjugierten optischen Saatstrahl (Ec) zu erzeugen, der sich in entgegensetzter Richtung zu dem Eingangsstrahl (Ep) ausbreitet;

(e) Einbringen der sich entgegengesetzt ausbreitenden Eingangs- (Ep) und Saatstrahlen (Ec) in einen Brillouin-Verstärker (86), um Energie von dem Eingangsstrahl (Ep) auf den Saatstrahl (Ec) zu transferieren und dabei den Saatstrahl (Ec) zu verstärken, so daß er den Ausgangsstrahl (Eout) bildet.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Schritt (a) das Aufteilen des kohärenten Strahles (Ep) von der Laserquelle (82) derart umfaßt, daß die Intensitäten der ersten (E&sub1;) und zweiten (E&sub2;) Referenzstrahlen kleiner sind als die Intensität des Eingangsstrahles (Ep).

3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Schritt (c) die Reflexion mittels ebenen Spiegeln (104, 106, 108, 110) umfaßt.

4. Das Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, welches des weiteren den zwischen den Schritten (a) und (d) durchgeführten Schritt umfaßt:

(f) Drehen der Polarisation von einem der ersten (E&sub1;) und zweiten (E&sub2;) Referenzstrahlen.

5. Das Verfahren nach Anspruch 4, welches des weiteren den zwischen den Schritten (b) und (e) durchgeführten Schritt umfaßt:

(g) Drehen der Polarisation des Saatstrahles (Ec) derart, daß er mit der Polarisation des Eingangsstrahles (Ep) koinzidiert.

6. Das Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, welches des weiteren den zwischen den Schritten (a) und (d) durchgeführten Schritt umfaßt:

(h) Aufbringen einer weiteren Modulation auf wenigstens einem der ersten (E&sub1;) und zweiten (E&sub2;) Referenzstrahlen, um einen modulierten phasenkonjugierten Strahl zu erhalten.

7. Das Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, welches des weiteren den zwischen den Schritten (a) und (e) durchgeführten Schritt umfaßt:

(i) Aufbringen einer Modulation auf wenigstens einen von dem Eingangs- (Ep) und dem Saatstrahl (Ec).

8. Ein optischer phasenkonjugierender Spiegel (80), um einen optischen Ausgangsstrahl (Eout) mit schmaler Bandbreite als phasenkonjugierte Reflexion eines optischen Eingangsstrahles (Ep) mit schmaler Bandbreite zu erzeugen, mit:

einer Vier-Wellen-Mischvorrichtung (88) zur Erzeugung eines phasenkonjugierten optischen Saatstrahles (Ec), welcher sich im wesentlichen in entgegengesetzter Richtung zu dem Eingangsstrahl (Ep) ausbreitet;

einer Brillouin-Verstärkungsvorrichtung (86), die ein nicht-lineares Medium (92) umfaßt und die in dem optischen Pfad des Eingangs- (Ep) und des Staatstrahles (Ec) angeordnet ist, um Energie von dem Eingangsstrahl (Ep) auf den Saatstrahl (Ec) zu transferieren und dabei den Saatstrahl (Ec) zu verstärken, so daß er den Ausgangsstrahl (Eout) bildet;

einer Strahlteilervorrichtung (84, 102) zum Aufteilen eines kohärenten optischen Strahles (Ep) mit schmaler Bandbreite von einer Laserquelle (82) in eine erste Komponente, die den Eingangsstrahl (Ep) bildet, sowie in zweite und dritte Komponenten, die jeweils erste (E&sub1;) und zweite (E&sub2;) Referenzstrahlen bilden;

einer Strahlführungsvorrichtung (104, 106, 108, 110), um den ersten (E&sub1;) und den zweiten (E&sub2;) Referenzstrahl in die Vier-Wellen-Mischvorrichtung (88) zu führen, und zwar in im wesentlichen entgegensetzten Richtungen zueinander; wobei

die Strahlteilervorrichtung (84, 102) eine Modulationsvorrichtung (102) umfaßt, um die Frequenz von einem der ersten und zweiten Referenzstrahlen (E&sub1;, E&sub2;) nach unten zu verschieben, indem eine Modulation aufgebracht wird, die von ihrem Betrag her der Stokes-Frequenz des nicht- linearen Mediums entspricht, wobei die schmale Bandbreite des in der Frequenz nach unten verschobenen Strahles erhalten bleibt.

9. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach Anspruch 8, in dem der erste (E&sub1;) und der zweite (E&sub2;) Referenzstrahl und der Eingangsstrahl (Ep) jeweils eine Intensität aufweisen, wobei die Strahlteilervorrichtung (84, 102) derart konstruiert ist, daß sie den kohärenten Strahl von der Laserquelle (82) derartig aufspaltet, daß die Intensitäten des ersten (E&sub1;) und zweiten (E&sub2;) Referenzstrahles kleiner sind als die Intensität des Eingangsstrahles (Ep).

10. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach Anspruch 8 oder 9, in dem die Strahlführungsvorrichtung (104, 106, 108, 110) wenigstens einen ebenen Spiegel umfaßt.

11. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in dem die Modulatorvorrichtung (102) aus einem akusto-optischen Modulator besteht.

12. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 11, in dem die Strahlteilervorrichtung (84, 102) des weiteren eine die Polarisation drehende Vorrichtung umfaßt, um die Polarisation von einem der ersten (E&sub1;) und zweiten (E&sub2;) Referenzstrahlen zu drehen.

13. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach Anspruch 12, in dem die die Polarisation drehende Vorrichtung (112) des weiteren eine Vorrichtung (114) umfaßt, um die Polarisation des Eingangsstrahles (Ep) zu drehen.

14. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 13, welcher des weiteren eine Modulationsvorrichtung (116, 118) umfaßt, um wenigstens einen von dem Eingangsstrahl (Ep), dem Saatstrahl (Ec), dem ersten Referenzstrahl (E&sub1;) und dem zweiten Referenzstrahl (E&sub2;) zu modulieren.

15. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 14, in dem die Vier-Wellen-Mischvorrichtung (88) aus einem nicht-linearen Medium (96) besteht.

16. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 15, welcher des weiteren eine Laserquelle (82) umfaßt.

17. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 16, welcher des weiteren eine Verstärkungsvorrichtung (121) umfaßt, die zwischen der Laserquelle (82) und der Brillouin-Verstärkungsvorrichtung (86) angeordnet ist, um den Eingangsstrahl (Ep) und den Ausgangsstrahl (Eout) zu verstärken.

18. Der optische phasenkonjugierende Spiegel nach einem der Ansprüche 8 bis 17, in dem die Strahlführungsvorrichtung (104, 106, 108, 110) eine Strahlsteuervorrichtung umfaßt, um eine Achse von einem der ersten (E&sub1;) und zweiten (E&sub2;) Referenzstrahlen relativ zu einer Achse des anderen der ersten (E&sub1;) und zweiten (E&sub2;) Referenzstrahlen leicht zu verkippen.