DE1151601B - Optischer Lichtverstaerker fuer selektive Floureszenz - Google Patents

Description

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DES DORSCHE» PATEfJT₁JSST

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT.· 18. JULI 1963

Die Erfindung betrifft einen optischen Lichtverstärker zur Erzeugung kohärenter monochromatischer Lichtstrahlung. Im einzelnen betrifft sie die Ausführung eines Resonatorkristalls, der Lichtstrahlung einer bestimmten Frequenz als stehende Welle einer bevorzugten Lichtfrequenz führen kann; diese stehende Welle wird entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem Lichtverstärker verstärkt, so daß sich eine kohärente Strahlung ergibt, die, wenn sie aus dem Kristall ausgestrahlt wird, moduliert, verstärkt und als Lichtsignal übertragen werden kann.

Als Lichtstrahlung in diesem Zusammenhang soll das elektromagnetische Band vom Ultravioletten bis zum tiefsten Infrarot gelten. Damit wird ein allgemeiner Wellenlängenbereich von 100 bis zu 2· 10⁶ Ä umfaßt.

Die erfindungsgemäßen Kristallresonatoren sind als frequenzselektive Anordnungen ausgebildet und bilden ein Analogon zu den bekannten Mikrowellen-Hohlraumresonatoren.

Gegenwärtig sind Resonatoren von besonderem Interesse, die fluoreszente Materialien einschließen können und für die selektive Fluoreszenz, sei es für spontane oder induzierte Emission, dienen können. In letzter Zeit ist es als nützlich und in vieler Hinsicht wünschenswert betrachtet worden, den Bereich der Trägerfrequenzen für Nachrichtensignale auf den Frequenzbereich der Lichtstrahlung auszudehnen. Viele der bekannten Vorteile, durch die Mikrowellenverbindungen günstig erscheinen, treffen in größerem Maße für Nachrichtenverbindungen im Frequenzbereich des Lichtes zu.

Ein ernstes Hindernis für das Vordringen zu optischen Übertragungen oder Lichtübertragungen ist die Erzeugung kohärenter Lichtstrahlung, der ein Nachrichtensignal überlagert werden kann. Aus verschiedenen Gründen können die Herstellungsprinzipien bekannter Einrichtungen zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung (wie Hohlraumresonatoren zur Erzeugung kohärenter Mikrowellenstrahlung) nicht leicht auf Strahlung im Frequenzbereich des Lichts angewendet werden. Einer der offensichtlichen Gründe ist der, daß solche Hohlräume üblicherweise Abmessungen haben, die in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der Strahlung, die sie führen, liegen. Ein Hohlraum jedoch mit den annähernden Abmessungen der Lichtwellenlängen ist mit heute üblichen Verfahren in der erforderlichen Präzision nur schwer herzustellen.

Es sind bereits Resonatorkristalle bekannt, bei denen durch eine äußere Verspiegelung von Kristall-Optischer Lichtverstärker
für selektive Floureszenz

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. Oktober 1960 (Nr. 64 879)

Charles Geoffrey Blythe Garrett,

Morristown, N.J. (V.St.A.),

ist als Erfinder genannt worden

flächen der Einschluß von Lichtstrahlung und damit die Erzeugung stehender Wellen bestimmter Frequenzen erreicht wird.

Die Erfindung will verbesserte Anordnungen dieser Art verfügbar machen. Sie geht dazu aus von einem optischen Lichtverstärker für selektive Fluoreszenz mit einem fluoreszenten Kristall, der für inverse metastabile Termbesetzung geeignet ist, und empfiehlt dazu, daß die geometrische Gestalt des fluoreszenten Kristalls derart gewählt ist, daß das von ihm ausgehende spontane oder stimulierte Fluoreszenzlicht lediglich mittels Totalreflexion zurückgespiegelt wird.

Dadurch ergibt sich neben einer vereinfachten Herstellung eine verbesserte Wirkungsweise, da die Zuführung der Anregungsstrahlung zur Erzeugung einer inversen metastabilen Termbesetzung im Kristall wesentlich erleichtert ist.

Zur Erzielung der gewünschten Totalreflexion sind eine spezielle Kristallgeometrie und damit verbundene Grenzbedingungen für die Brechungsindizes des Kristalls und des umgebenden Mediums erforderlich. Wenn dann monochromatische Lichtstrahlung in einem solchen Kristall geeigneter Form vorhanden ist, unterliegt ein Teil dieses Lichtes innerer Totalreflexion. Das gestattet das Zustandekommen einer stehenden Welle für die Strahlung mit einer durch die Raumform bevorzugten Wellenlänge. Dadurch wird die Strahlung in dem Kristall für einen Zeitabschnitt eingeschlossen, der ausreicht, um die Welle in anderer

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Form zu beeinflussen, wie ζ. B. durch Modulation, und kohärente Verstärkung. Der Kristall ist insbesondere zur Erzeugung kohärenter Strahlung unter Verwendung induzierter Emission geeignet. Es ist zwar gesagt, daß das Licht durch innere Totalreflexionen eingeschlossen ist. Selbstverständlich muß aber das Licht für irgendeine Verwendung aus dem Kristall ausgestrahlt werden. Praktisch wird das Licht nach vielen Reflexionen aus dem Kristall durch Kanten und

gung, Diffusion und Fehler der Kristallgeometrie ausnutzen, so daß Licht mit geringem Wirkungsgrad in den Kristall eingeführt werden kann und eine Richtung einnimmt, die eine ausreichende innere Reflexion 5 ermöglicht, so daß das Licht wirksam eingeschlossen ist. Das ist offensichtlich eine notwendige Bedingung für einen optischen Lichtverstärker. Dem Zweck der vorliegenden Erfindung dient am besten ein Kristall, der die ursprüngliche monochromatische Lichtquelle

von Snell kann dieser kritische Winkel wie folgt in Beziehung zu den relativen Brechungsindizes gesetzt werden:

Ecken austreten. Wenn eine besser gerichtete Emission ίο enthält. Eine solche Quelle soll später besprochen gewünscht wird, kann eine Kante oder Ecke abge- werden.

schrägt werden oder ein Fehler in Form einer Vertie- In Fig. 1 sind fünf sich ausbreitende Lichtstrahlen

fung oder eines Vorsprunges an einer Fläche des Kri- eingezeichnet, die von der Quelle S ausgehen und auf stalls vorgesehen werden. eine Grenzfläche zwischen den Medien 1 und 2 auf-

Die speziellen geometrischen Körper, die im wesent- 15 treffen, wobei das Medium 1 den höheren Brechungslichen einen dauernden Einschluß des Lichtes ergeben, index aufweist. Die elementare Optik verlangt, daß sind Kugeln, regelmäßig rechtwinklige Zylinder und Strahlen nur bis zu einem bestimmten Winkel, dem Prismen, d. h. Körper, die zwei sich direkt gegenüber- kritischen Winkel, der durch den Strahl d dargestellt liegende, parallele und kongruente Seiten mit regel- wird, in das zweite Medium gebrochen werden. Über mäßiger polygonaler Gestalt besitzen und bei denen 20 diesen Winkel hinaus wird das Licht im wesentlichen alle Seiten diese Flächen in Winkeln von 90° treffen. reflektiert (Strahl e). Unter Benutzung des Gesetzes

Die Formen, die eine runde Oberfläche besitzen,
d. h. Zylinder und Kugeln, haben die Eigenschaft, daß
ein gewisser Einschluß im Innern immer dann auftritt,
wenn der Brechungsindex des Kristalls den des um- 35
gebenden Mediums übersteigt. Der Grad des Einschlusses in diesen Fällen ist proportional dem Verhältnis der Brechungsindizes. Bei prismatischen Ausbildungen muß jedoch ein Grenzwert des Verhältnisses zwischen den Brechungsindizes erreicht werden, 30 Mediums sind. Beim kritischen Winkel wird <9.,=90°. bevor ein Einschluß von Licht auftritt. Die Erschei- Wenn man für n₉ einen Wert von 1 annimmt" (Luft), nung des Einschlusses von Licht und die Beziehung
des Grades an Einschließung zu den geometrischen
Ausbildungen der Körper und den Brechungsindizes
sind besser an Hand der Zeichnungen zu verstehen. 35
Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung von Lichtstrahlung, die unter verschiedenen Winkeln auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit verschiedenen Bre-

W₁ sin Θ_χ = «2 sin <9₂,

wobei H₁ und O₁ der Brechungsindex und Einfallswinkel des ersten Mediums und n.₂ und Θ₂ der Brechungsindex und Brechungswinkel des zweiten

wird die Gleichung (1)

chungsindizes auffallen,

Fig. 2 ein ähnliches Diagramm mit den Grundlagen für den Einschluß von Licht in zwei Dimensionen,

Fig. 3 die schematische Ansicht eines kubischen Kristalls mit seinen Brechungseigenschaften mit Bezug

In weiterer Verfolgung der theoretischen Erklärung zeigt Fig. 2 zweidimensional die Bedingung für den Einschluß von Licht für eine vertikale Ebene eines Kastens. Wiederum sind fünf sich ausbreitende Strah-40 len gezeigt, die von der Quelle S auf die Grenzfläche zwischen 3 und 4 auftreffen, wobei das Medium 3 einen höheren Brechungsindex besitzt. Die Welle / wird in das Medium 4 gebrochen, ähnlich wie die Wellen a, b und c in Fig. 2. Die Welle h trifft die erste

auf eine in seinem geometrischen Mittelpunkt ange- 45 Fläche oder Wand unter einem Winkel, der den kriordnete punktförmige Lichtquelle, tischen Winkel übersteigen soll, und wird daher reflek-

Fig. 4 die räumliche Ansicht des Kubus der Fig. 3 tiert. Wenn der Strahl h jedoch die zweite Fläche oder mit allen räumlichen Richtungen, die ein Strahl im Wand trifft, schneidet er unter einem Winkel kleiner Kubus annehmen kann, und die Beziehung dieser als der kritische Winkel und tritt daher aus dem Qua-Richtungen zu einem bestimmten Brechungsindex des 50 drat aus. Das gleiche Verhalten zeigt auch der Strahl i. Kubus, Der Strahl g jedoch, von dem angenommen werden

Fig. 5 die perspektivische Ansicht eines erfmdungs- soll, daß er unter einem Winkel von annähernd 45° gemäßen Kristalls kubischer Form, bei dem der kristal- auffällt und reflektiert wird, trifft die zweite Fläche auf lographische Winkel dargestellt ist, der von den rela- Grund der geometrischen Form der Figur notwenditiven Brechungsindizes des Kubus und des umgeben- 55 gerweise unter dem gleichen Winkel von 45°. Es ist den Mediums abhängt und für den die gewünschte Be- jetzt leicht einzusehen, daß jeder Strahl, der auf die dingung für die innere Totalreflexion von Licht vor- erste Fläche unter einem Winkel von 45° oder einem liegt, und kleineren Winkel einfällt und reflektiert und nicht

Fig. 6 schematische Ansicht eines optischen Licht- durchgelassen wird, eine nachfolgende Fläche niemals Verstärkers für selektive Fluoreszenz, dessen indu- 60 wieder unter einem Winkel trifft, der kleiner ist als der zierte Emission eine kohärente Lichtquelle darstellt. beim ersten Auftreffen. Unter Betrachtung von nur

Es sollte zunächst beachtet werden, daß in dieser zwei Dimensionen eines Quadrates ist daher der Win-Darstellung nur von Licht gesprochen wird, das im kel, bei dem ein völliger Einschluß des Lichtes zuerst Innern des Kristalls entsteht. Es wird sich bei Prüfung auftritt, Q_e, in diesem Falle 45°, der der minimale der Grundlagen der Brechung ergeben, daß Licht theo- 65 Einschlußwinkel genannt werden soll, retisch nicht von einer äußeren Quelle in den Kristall Dieser Minimalwinkel für den Einschluß von Licht

eingeführt und für immer eingeschlossen werden kann. kann unter Verwendung der Gleichung (2) in Bezie-Es gibt jedoch praktische Möglichkeiten, die die Beu- hung zu dem Brechungsindex (ή) gesetzt werden, der

notwendig ist, um diesen Winkel in einem Medium zu erhalten.

sin Θ = —. η

Fig. 4 fällt, eingeschlossen werden. Die Ausdehnung der schraffierten Zone wird durch das Verhältnis der Brechungsindizes bestimmt. Es soll hier festgestellt werden, daß der minimale Einschlußwinkel ®_e, der

— = sin45⁵. η

«= 1,414.

mit Brechungsindizes, die kritische Winkel in diesem Bereich des minimalen Einschlußwinkels besitzen, sind leicht zu erhalten.

Im vorhergehenden ist festgestellt worden, daß die

index mit Bezug auf das Umgebungsmedium. Die Größe des Kristalls und die zulässigen Formfehler sind weitere wesentliche Merkmale der Erfindung.

Die Zahl der durch die Ausbildung von stehenden Wellen bevorzugten Frequenzen, die in einem Kristall total reflektiert werden können, ist proportional der Größe des Kristalls. Im Idealfall sollte der Kristall Abmessungen haben, die etwa mit der Wellenlänge

für einen Kubus abgeleitet worden ist, in ähnlicher Weise für ein rechtwinkliges Parallelepiped Gültigkeit hat. Andere Formen können jedoch verschiedene Werte für Q₀ haben. Der 0_e-Wert für regelmäßige, rechtwinklige Polyeder hängt ab von der Zahl der

Es ist offensichtlich, daß für Brechungsindizes grö- io Saiten und den relativen Abmessungen. Materialien ßer als dieser Wert zunehmende Lichtmengen eingeschlossen werden. Es ergibt sich außerdem, daß, obwohl eine punktförmige Lichtquelle 5 betrachtet worden ist, diese Beziehung in gleicher Weise für jeden

Punkt in dem zweidimensionalen Raum Gültigkeit 15 Kristafl-RaunWrn eine bestiinmte geometrische Aushau bildung besitzen muß und einen kritischen Brechungs-Wenn diese Theorie auf praktische geometrische
Ausbildungen ausgedehnt wird, d. h. auf geometrische
Körper, gelten die gleichen Prinzipien, sie sind jedoch
wesentlich komplizierter. Fig. 3 zeigt einen typischen 20
geometrischen Körper, in diesem Falle einen Kubus,
der bei richtiger Auswahl des Brechungsindex einen
Einschluß von Licht im Innern ermöglicht. Man stelle

sich zunächst eine punktförmige Lichtquelle im geo-

metrischen Mittelpunkt des Körpers vor. Davon aus- ₂₅ de'rm'ihnTgeführten Strahlung übereinstimmen." Wie gehende Lichtstrahlen können aus dem Kubus nur _{bereits frü}h_er festgestellt, ist die Ausbildung für durch die Trichter A, B und C austreten (an den drei Strahlung mit Frequenzen im Bereich des Lichtes unnicht sichtbaren Würfelflächen sind weitere drei Aus- praktisch. Jedoch kann ein Kristall, wenn er entspretnttstnchter vorhanden). Die Konizität der Trichter _ch_end den Lehren der vorliegenden Enfindung richwird durch den kritischen Winkel wie in Fig. 1 be- 30 tig ausgeführt ist, eine Anzahl monochromatischer stimmt. Das von den konischen Trichtern nicht er- Lichtwellen führen, von denen eine aber vorherrschen faßte Volumen stellt Richtungen dar, in denen von der _wj_rd. Um eine Auswahl der Wellenlängen zu ermögpunktförmigen Quelle 5 ausgehende Strahlen im liehen, muß der Kristall genügend klein sein, da zu Innern reflektiert werden. Diese geometrische Struktur _vi_ei_e Wellenlängen eine Auswahl unmöglich machen, besitzt die Eigenschaft, daß alle diese Strahlen die fol- 35 Eine praktisch maximale Abmessung ist 10 cm. Man genden Flächen unter solchen Winkeln treffen,, daß sie nimmt an, daß oberhalb dieses Punktes der Kristall reflektiert und nicht nach außen gebrochen werden. _{eme m gro}ß_e z_ani _von Frequenzen führt, so daß die Sie sind daher für immer eingeschlossen, weil sie eine brauchbare Auswahl einer Frequenz in Frage gestellt unendliche Zahl von inneren Reflexionen ausführen. j_st. Ein minimaler Grenzwert besteht nicht, da, wenn Wenn die Größe der Trichter zunimmt, nähert man 4.0 _{man s}i_cn der Wellenlänge des Lichtes nähert, eine sich dem Kreis-', bei dem die letzte reflektierende kleinere Zahl von Frequenzen im Kristall vorhan- oder Einschlußfläche oder -punkt die Ecken sind. den ist.

Diese Richtung, die im kristallographischen Sinne die Obwohl man es als unpraktisch ansieht, einen

(111)-Richtung ist, ist in Fig.. 5 gezeigt und entspricht _{Krista!1 mit} Abmessungen herzustellen, die in der einem minimalen Einschlußwinkel 0_e fur einen Kubus, 45 Größenordnung einer Wellenlänge liegen, ist es günfür den gilt: _stj_{& m}j_t HjJf₆ der zur Zeit verfügbaren Herstellungsverfahren einen Kristall so zu bearbeiten, daß er eine solche Abmessung besitzt. Dementsprechend ist es ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, 5° eine der drei Abmessungen auf einen Bereich zwischen 0,6 und 3 Wellenlängen herabzusetzen. Für das sichtbare Spektrum bedeutet das einen Bereich von etwa 0,2 bis 2 μΐη (Mikrometer). Die Auswirkung dieser Geometrie besteht im wesentlichen in einer Eine verfeinerte Darstellung der Richtungen des 55 Begrenzung der Wellenausbreitung zwischen den Lichtes in einem Körper ist in Fig. 4 gezeigt. Diese großen parallelen Oberflächen in bekannter Weise, Figur ist eine räumliche Ansicht des Kubus nach Fig. 3, die im einzelnen in »Electromagnetic Theory« von wobei alle räumlichen Richtungen in Verbindung mit S. A. Schelkunof f beschrieben ist. Dadurch ergibt dem Kubus gezeigt sind. Dazu ist nur eine Ansieht der sich ein bedeutsamer Vorteil, da im wesentlichen alle oberen Fläche und der Hälfte jeder Seitenfläche not- 60 miteinander konkurrierenden Wellenlängen in andewendig. Die Trichter A, B, C, D und E entsprechen ren Ebenen des festen Körpers ausgeschaltet werden, denen der Fig. 3, wobei aber auch die in Fig. 3 nicht die im anderen Falle kreuz und quer durch die besichtbaren Flächen hier zu sehen sind. Während in vorzugte Frequenz laufen würden und deren Wir-Verbindung mit Fig. 3 eine punktförmige Lichtquelle S kungsgrad herabsetzen würden. Dieses Ausführungsbetrachtet wurde, ist Fig. 4 eine Projektion aller mög- 65 beispiel besteht im wesentlichen aus dünnen Schichlichen Richtungen, die ein Lichtstrahl in dem kubi- ten mit entweder quadratischer, rechteckiger oder sehen Körper einnehmen kann. Folglich kann jeder kreisförmiger Gestalt. Die kreisförmige Schicht oder. Strahl, dessen Richtung in die. schraffierte Zone der anders gesehen, ein Zylinder mit sehr kleiner Höhe

ί^{2 =} iß

Indem man diesen Wert unter Verwendung der Gleichung (2) in Beziehung zu dem Brechungsindex setzt, ergibt sich der minimale Brechungsindex für den Einschluß von Licht in einem Kubus zu 1,22.

ist von Interesse, da sie den dauernden Einschluß von Licht für kleinere Verhältnisse der Brechungsindizes ermöglicht.

Die vorher besprochenen geometrischen Körper wurden als ideale Körper betrachtet. Praktische Probleme bei der Herstellung optischer Kristalle der benötigten Größe bedingen jedoch notwendigerweise gewisse Abweichungen vom Idealzustand, die noch geduldet werden können. Der Grad der Polierung der

folgt mithin im Rhythmus der induzierenden Frequenz, so daß als Folge davon sich eine kohärente verstärkte Strahlung ergibt. Wenn die induzierte und kohärente Emission die spontane, rein statische Emission oder 5 das Rauschen übersteigt, liegt eine sogenannte optische Lichtverstärkung vor.

Wie bereits vorher festgestellt wurde, erfordert die Einschließung von Licht im Innern des festen Kristalls eine Strahlungsquelle, die sich innerhalb des

Oberfläche muß innerhalb von zwei Wellenlängen io Kristalls befindet. Der metastabil angeregte fluores- und vorzugsweise innerhalb einer Wellenlänge liegen. zente Kristall nach dem Ausführungsbeispiel stellt Jede der parallelen Seiten (bei allen Formen mit Aus- eine solche innere Lichtquelle dar und ergibt maxinahme der Kugel) muß mit einer Abweichung von male Reflexionen innerhalb des Kristalls. Das Einzwei Wellenlängen, geteilt durch die Abmessung der schließen kohärenter Strahlung im Kristall für einen Seite, parallel sein, wobei das Ergebnis in Bogenein- ig maximalen Zeitabschnitt stellt das Mitschwingen heiten angegeben ist, und sollte vorzugsweise inner- einer maximalen Zahl von Kristallatomen sicher. Die halb einer Wellenlänge, geteilt durch die Abmessun- so induzierte kohärente Strahlung kann aus dem Krigen der Seite, liegen. Die rechten Winkel sollten in stall durch eine Kante, Ecke oder einen Fehler im gleichem Maße genau sein. Für einen fluoreszenten Kristallgefüge entweichen, wie oben angegeben. Eine Kristall für selektive Fluoreszenz, der bei 5000 A 20 solche Lichtquelle für kohärente elektromagnetische strahlt, sollte die Oberfläche eben sein innerhalb eines Strahlung kann moduliert, verstärkt und als Licht-Bereiches von 10"⁶ m, und die rechten Winkel sollten signal, beispielsweise für Nachrichten, übertragen bis auf wenigstens 3 Bogenminuten genau sein. werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Der für die selektive Fluoreszenz verwendete Krider Erfindung wird der Kristall zur optischen Licht- 25 stall ist seinem physikalischen Aufbau nach analog verstärkung benutzt. Dieser Kristall besteht aus einem einem als Phosphor bezeichneten nachleuchtenden Material, das die oben definierten geometrischen und Stoff ein Leuchtstoff. Die allgemein verwendeten physikalischen Eigenschaften aufweist und zugleich Leuchtstoffe weisen aber keine ausreichend kleine eine inverse metastabile Besetzung seiner höheren Bandbreite auf, um wirksam in einem eben beschrie-Energiezustände erlaubt. Bei der Anregung des Kri- 30 benen optischen Lichtverstärker verwendet werden stalls sind drei seiner Atom- oder Molekularstruktur zu können. Daher wurden Materialien entwickelt, die eigentümliche Energiestufen von Bedeutung. In die- extrem schmale Linienbreiten besitzen. Rubin beisem Kristall wird die Anregung mittels einer geeigne- spielsweise wurde als gut geeignet für Lichtverstärten Lichtquelle durchgeführt, wobei die Elektronen ker befunden. Andere sind CaF₂-Wirts-Kristalle, die in den höchsten Energiezustand übergeführt werden 35 mit bestimmten seltenen Erden als Aktivatoren und und dadurch eine Störung des Gleichgewichtszustandes des Atoms bewirkt wird. Diese nicht ausgeglichene Elektronenbesetzung, die theoretisch erst bei
einer Temperatur über 00 eintreten könnte und bisweilen als »negative« Temperatur charakterisiert 40 Strahlung mit einer Frequenz von 5500 A. Als anwird, versucht dann sich auszugleichen und unter Ab- regende Strahlung wird vorzugsweise ultraviolettes gäbe von Energie in den Gleichgewichtszustand zu- Licht mit einer Wellenlänge zwischen 2000 und rückzukehren, wenn Elektronen in den niedrigeren 3000 A benutzt.

Zustand »fallen«. Es gibt zwei Mechanismen, durch Ein optischer Lichtverstärker nach der vorliegendie die Überbesetzung sich ausgleichen oder entspan- 45 den Erfindung, der induziertes kohärentes Licht Henen kann. Das Atom kann, wenn man ihm genügend fert, ist in Fig. 6 gezeigt. Als Resonator dient der Zeit läßt, zurückfallen und dabei spontane Strahlung Kristall 31, der die oben beschriebene Zusammenaussenden, um den unausgeglichenen Zustand der setzung und kubische Form aufweist. Die Flächen des überbesetzten Energiestufen auszugleichen. Diese zu- Kristalls sind poliert bis auf 5 · 10~⁷ m. Sie sind rechtfällige oder spontane Emission verbürgt keine scharfe 50 winklig innerhalb einer Bogenminute. Der Kristall Frequenzauswahl und gibt daher Veranlassung zu wird mit einer Strahlung angeregt, die von den Lam-Rauschen, d. h., die Strahlung erfolgt nicht nur in der pen 32 ausgesendet wird. Es sind Ultraviolett-Lampen bevorzugten kohärenten Wellenlänge. mit einem kräftigen Quecksilberdampf-Hochdruck-Der andere Mechanismus, durch den Energie vom bogen. Das von den Lampen emittierte ultraviolette Kristall abgegeben wird, besteht in einer induzierten 55 Licht wird mit HiHe von sphärischen Spiegeln 33 auf Emission der angeregten Zustände. Es wird eine in- den Kristall konzentriert. Der sonst rein kubische duzierende Strahlung einer ausgewählten Frequenz, Kristall weist an einer Ecke eine Fehlstelle 34 auf, die

Cer als Sensibilisator dotiert sind. Eine bestimmte bevorzugte Zusammensetzung für einen solchen Kristall ist [0,98 Ca, 0,01 Ce, 0,01 Tb] F₂. Dieses Material emittiert, wenn es genügend angeregt wird, wirksam

die annähernd der Differenz der Energiestufen des angeregten Kristalls mit den überbesetzten höheren Energiestufen entspricht, in den angeregten Kristall, 60 d. h. in einen Kristall gegeben, dessen metastabil aufgestaute optische Energie mit der aufgeprägten eingeschleusten Welle in Resonanz gerät, so daß eine der aufgeprägten Welle phasengleiche monochromatische und optisch kohärente Lichtstrahlung die Folge ist.

Unter Aussendung der induzierten Strahlung kehrt der angeregte Kristall somit wieder in seinen Gleichgewichtszustand zurück. Die induzierte Emission erden Zweck hat, das kohärente Licht des Kristalls austreten zu lassen.

Der Kristall wird während seiner Funktion als Lichtverstärker vorzugsweise in einer Atmosphäre von flüssigem N«, (d. h. bei einer Temperatur von annähernd 79°K)" gehalten. Bei dieser verringerten Temperatur strahlt der Aktivator mit kleinerer 65 Linienbreite. Das in diesem fluoreszenten Kristall erzeugte monochromatische kohärente Licht hat eine Wellenlänge von 5500 A. Dieses kohärente Licht kann moduliert, verstärkt und übertragen werden.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Optischer Lichtverstärker für selektive Fluoreszenz mit einem fluoreszenten Kristall, der für inverse metastabile Termbesetzung geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Gestalt des fluoreszenten Kristalls derart gewählt ist, daß das von ihm ausgehende spontane oder stimulierte Fluoreszenzlicht lediglich mittels Totalreflexion zurückgespiegelt wird.

2. Fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er die Gestalt eines regelmäßigen Zylinders oder eines regelmäßigen Prismas besitzt.

3. Fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er die Gestalt eines rechtwinkligen Parallelepipeds besitzt.

4. Fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ab-

messung des Kristalls im Bereich zwischen 0,2 und 2 μΐη liegt.

5. Fluoreszenter Kristall nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er die Gestalt eines Kubus besitzt.

6. Fluoreszenter Kristall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kristalls bis zu einer Genauigkeit von 10~⁶ m poliert ist, daß seine rechten Winkel bis auf 3 Bogenminuten genau sind und daß er eine maximale lineare Ausdehnung von 10 cm besitzt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 929 922;

»Nachrichtentechnische Zeitschrift«, Februar 1959, S. 61 bis 67;

»Nature«, 6. 8. 1960, S. 493;

»Mechanical Engineering«, September 1960, S. 75.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen