DE1167978B - Geometrische Formgebung fuer einen selektiv fluoreszenten Kristall - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 05 b

Deutsche KL: 2If-90

Nummer: 1167 978

Aktenzeichen: A 42825 VIII c / 21 f

Anmeldetag: 5. April 1963

Auslegetag: 16. April 1964

Die Erfindung bezieht sich auf einen selektiv fluoreszenten Kristall für einen optischen Verstärker, dessen beide Enden jeweils von ebenen Oberflächen begrenzt werden, die in einem Winkel von 45° zur geometrischen Hauptachse des Kristallstabes geneigt sind und sich in einem rechten Winkel treffen.

Ein optischer Kristallverstärker besteht aus einem Kristallstab aus einem Material, das Ionen enthält, die mindestens zwei charakteristische Energiestufen einnehmen können. Der Kristall hat eine solche Struktur, daß bei Bestrahlung mit einem Lichtstrahl einer bestimmten Frequenz die Ionen zu einer Überbesetzung der höheren Energiestufe angeregt werden und dann entweder spontan von der höheren Energiestufe unter Strahlung zur niedrigeren Energiestufe ¹S übergehen oder durch eine zusätzlich eingebrachte stimulierende Resonanzfrequenz ausgelöst werden. Im letzteren Falle wird der Einfallslichtstrahl zu einem sehr intensiven Lichtstrahl konstanter Frequenz verstärkt. Zur Ausbildung stehender Wellen wird das Kristallstück in einen Resonator gesetzt. Damit die Verstärkung zu einer Selbstanregung ausreicht, muß der Resonator ein hohes Q haben, d. h., das Verhältnis der im Innern des Resonators gespeicherten Strahlungsenergie zur Menge der in einem Zyklus gestreuten Energie muß hoch sein. Bei anderen Anwendungen ist jedoch ein relativ niedriges Q erforderlich.

Ein Verfahren zum Erreichen eines hohen Q liegt darin, das Kristallstück, das beispielsweise aus Rubin bestehen kann, in ein Fabry-Perot-Interferometer umzuwandeln, indem die gegenüberliegenden Enden des Kristallstückes flach und parallel ausgeführt und diese Enden durch Metallisieren oder durch Aufbringen von Mehrschichten-Interferenzfiltern hochreflektierend gemacht werden. Der Lichtstrahl wandert im Innern des Kristallstückes parallel zur Hauptachse des Kristallstückes hin und her, wobei er an den Endflächen aufeinanderfolgende Reflexionen erfährt. Ein kleiner Teil des Lichtstrahls tritt an einem Ende oder an beiden Enden heraus und bildet einen ausfallenden verstärkten Strahl oder ausfallende verstärkte Strahlen.

Bei einer derartigen Anordnung ist das erreichbare β durch die beträchtliche Absorption des Lichtstrahls in den Metallfilmen begrenzt. Die Interferenzfilter sind zerbrechlich und verursachen ein Streuen des Lichtes, was zu einer der Absorption äquivalenten Wirkung führt.

Um diese Nachteile zu vermeiden, kann jedes der beiden Enden des Kristallstückes zu zweiflächigen Reflektoren ausgebildet werden, von denen jeder aus Geometrische Formgebung für einen selektiv fluoreszenten Kristall

Anmelder:

Associated Electrical Industries Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt, Berlin-Grunewald, Hohenzollemdamm 150

Als Erfinder benannt:

James Dyson, Tilehurst, Reading, Berkshire, Thomas Peter Hughes,

Cold Ash, Newbury, Berkshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 6. April 1962 (13 393)

zwei ebenen Flächen besteht, die einen Winkel von 45° zur geometrischen Hauptachse des Kristallstükkes bilden und sich im rechten Winkel treffen. Damit der von jeder dieser Fläche reflektierte Lichtstrahl wiederum aus dem Kristallstück austreten kann, wird ein kleiner Teil eines zweiflächigen Reflektors in der Nähe des von seinen beiden Flächen gebildeten Randes entfernt, so daß das Licht durch diesen Spalt austreten kann.

Bei dieser Anordnung wird jedoch die Menge des austretenden Lichts durch Kristallunvollkommenheiten beeinflußt und kann daher nicht gut kontrolliert werden. Außerdem muß sich das Licht, um in den Bereich zu gelangen, von dem es austreten kann, durch Brechung nach der Seite ausbreiten. Daher muß der austretende Strahl nicht unbedingt parallel sein.

Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte geometrische Formgebung für den Kristallblock zur Verwendung in einem optischen Verstärker.

Gemäß der Erfindung wird bei einem selektiv fluoreszenten Kristall für einen optischen Verstärker, dessen beide Enden jeweils von ebenen Oberflächen begrenzt werden, die in einem Winkel von etwa 45° zur geometrischen Hauptachse des Kristallstabes geneigt sind und sich in einem rechten Winkel treffen, die geometrische Formgebung dahingehend abgeändert, daß der Kristall mittels einer unter 45° zur

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optischen Achse des optischen Verstärkers verlaufenden dünnen Trennschicht, die aus lichtdurchlässigem Material mit einem abweichenden Brechungsindex besteht, aus zwei Teilen zusammengefügt ist.

Die geometrische Formgebung des Kristallstückes gemäß der Erfindung ermöglicht bei voller Ausnutzung der total reflektierenden Flächen den unbehinderten Austritt einer exakt ebenen Wellenfront in voller Breite des Kristalls.

Ein Lichtstrahl, der auf einem im wesentlichen parallel zur geometrischen Hauptachse des Kristallstabes verlaufenden Weg im Innern des Kristallstabes entlang läuft, wird an jeder der ebenen Flächen an den Enden des Kristallstabes total ins Innere und an der dünnen Schicht teilweise reflektiert, so daß er in ¹S zwei Strahlen im rechten Winkel zur geometrischen Hauptachse des Kristallstabes austritt.

Günstig kann eine besondere reflektierende Fläche vorgesehen werden, damit einer dieser austretenden Strahlen reflektiert wird, so daß beide austretenden Strahlen in eine Richtung laufen. Andererseits kann der Kristallstab vorteilhaft so ausgebildet sein, daß ein Teil des Hauptstrahls, der an der dünnen Schicht teilweise reflektiert wird, im folgenden im Innern des Kristallstabes so reflektiert wird, daß er mit dem anderen Teil des Hauptstrahls, der an der dünnen Schicht teilweise reflektiert wird, im wesentlichen gemeinsam austritt. Eine solche vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß der Teil des Kristallstabes auf der einen Seite der dünnen Schicht quaderförmig 3" ausgebildet ist. Vorzugsweise weist derjenige stabförmige Kristallteil auf der anderen Seite der dünnen lichtdurchlässigen Schicht in Richtung der geometrischen Hauptachse des Kristallstabes eine so kleine Länge auf, daß diejenige ebene um einen Winkel von 45° zur Hauptachse geneigte Oberfläche am Stabende, die senkrecht zur Ebene der dünnen lichtdurchlässigen Schicht steht, die dünne lichtdurchlässige Schicht trifft und in die parallele Fläche des anderen Kristallteiles übergeht.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der Fig. Ibis5 erläutert, in denen in zum Teil schematischer Darstellung selektiv fluoreszente Kristalle für optische Verstärker im Schnitt sowie der Strahlengang gezeichnet sind. Die

Fig. 1 und 2 zeigen bekannte Formen eines Kristallblockes für optische Verstärker,

Fig. 3, 4 und 5 veranschaulichen drei vorteilhafte Ausführungsformen eines Kristallstückes gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine bekannte Ausführungsform eines Kristallblocks dargestellt, der aus einem Stab 1 besteht, dessen zwei Endflächen eben und glatt sind und eine Ebene im rechten Winkel zur Hauptachse des Stabes bilden. Jede Endfläche ist mit einer Schicht 2 versehen, die entweder aus Metall besteht oder ein Mehrschichten-Interferenzfilter ist. Beim Betrieb läuft das Licht in stehenden Wellen im Innern des Kristallblocks auf zur Hauptachse des Stabs parallelen Wegen hin und her und wird dabei an den Endflächen mehrfach nacheinander reflektiert. Ein kleiner Teil tritt durch ein Ende oder durch beide Enden hindurch und bildet so einen austretenden Strahl oder austretende Strahlen.

Fig. 2 zeigt eine weitere bekannte Ausführungsform eines Kristallblocks, der aus einem Stab 3 besteht, dessen beide Enden mit je einem Paar ebener Oberflächen 4 und 5 versehen ist, die in einem Winkel von etwa 45^C zur Hauptachse des Stabs geneigt sind und sich in je einem rechten Winkel treffen. Eine Kante, an der sich die Flächen 4 und S eines Paares treffen, wird bei 6 weggeschnitten. Beim Betrieb läuft der Lichtstrahl im Innern des Kristallblockes auf zur Hauptachse des Stabes parallelen Wegen hin und her, wird dabei an den durch die Flächen 4 und 5 gebildeten zweiflächigen Reflektoren mehrfach nacheinander reflektiert und tritt schließlich durch die Fläche 6 aus.

Die bekannten Kristallblocks der Fig. 1 und 2 haben die durch Absorption und Brechung des Strahls innerhalb des Stabs bedingten Nachteile.

F i g. 3 zeigt ein selektiv fluoreszenten Kristall gemäß der Erfindung, der die Gestalt eines Stabes 7 hat, dessen Enden durch je ein Paar ebener und glatter Flächen 8 und 9 gebildet werden, die in einem Winkel von etwa 45° zur Hauptachse des Kristallstabes 7 geneigt sind und sich in einem rechten Winkel treffen. Der Kristallstab 7 wird in einer Ebene von etwa 45° zur Hauptachse des Kristallstabes durchgeschnitten, so daß die beiden Teilstücke 7 und 15 entstehen. Eine der hierdurch gebildeten Flächen wird mit einer dünnen Schicht 11 aus lichtdurchlässigem Material mit einem anderen Brechungsindex als dem des Kristallstückes überzogen. Die zweite beim Schnitt entstandene Fläche wird auf die freie Fläche der Schicht 11 gesetzt und die ganze Anordnung durch einen Kitt oder durch ein optisches Kontaktmittel so verbunden, daß sich die Schicht 11 im Innern des Kristallstabes 7 und 15 befindet. Ist beispielsweise der Kristall, aus dem der Stab 7 und 15 besteht, ein Rubin mit einem Brechungsindex 1,76, so wäre Quarz mit einem Brechungsindex von 1,48 ein geeignetes Material für die lichtdurchlässige Schicht 11.

Der Lichtstrahl, der entlang einem Weg parallel zur Hauptachse des Kristallstabes 7 läuft, wird an der dünnen Schicht 11 teilweise reflektiert. Das Reflexionsvermögen der Schicht 11 kann von etwa 3 °/o bis zu einem beliebig kleinen Wert verändert werden, indem die Schichtstärke entsprechend gewählt wird. Außerdem ist die Schicht 11 auch absorptionsfrei.

Soll das Kristallstück einen niedrigen Gütefaktor Q haben, so wird das Reflexionsvermögen der lichtdurchlässigen Schicht 11, indem man eine dünne Schicht 11 aus einem Material mit einem Brechungsindex verwendet, der sich von dem des Kristallstükkes 7 stärker unterscheidet, oder indem man ein Mehrschichten-Interferenzfilter verwendet. Bei dieser Anordnung wird das Mehrschichten-Interferenzfilter durch das Material der Umgebung vor Beschädigung geschützt.

Der in F i g. 3 dargestellte Strahlengang zeigt, daß aus einem solchen Kristall zwei Strahlen 12 und 13 austreten und daß diese austretenden Strahlen 12 und 13 nach entgegengesetzten Richtungen, im wesentlichen im rechten Winkel zur Hauptachse des Kristallstabes 7 verlaufen.

Angrenzend an die Staboberfläche oder in Kontakt mit ihr kann eine reflektierende Fläche 14 vorgesehen werden, die den Strahl 13 reflektiert, so daß er in derselben Richtung wie Strahl 12, z. B. bei 13' austritt. Die beiden austretenden Strahlen 12, 13 oder 13' haben einen Querschnitt, der dem Querschnitt des Kristallstabes 7 gleich ist, und ihre Wellenfronten sind so eben wie die Wellenfronten des Strahls im Innern des Kristallstabes 7, da bei der

Bildung des austretenden Strahles keine Brechung eintritt, im Gegensatz zu dem Strahlengang der in F i g. 2 dargestellten Anordnung.

In F i g. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Kristallstückes gemäß der Erfindung dargestellt, bei der die beiden austretenden Strahlen zusammenfallen. Der Kristallteil 15 auf der einen Seite der lichtdurchlässigen Schicht 11 weist Quaderform auf. Aus dem Strahlengang sieht man, daß die zwei heraustretenden Strahlen in einen Strahl zusammenfallen, da sie im Kristallteil 15 zweimal nach innen reflektiert werden.

Fig. 5 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel zu der an Hand von F i g. 4 erläuterten Ausführungsform der Erfindung. Die gezeichnete Anordnung weist ein Kristallstück 7 und einen mit diesem über die dünne lichtdurchlässige Schicht 11 verbundenen Kristallteil 15 auf. Der gezeichnete Strahlengang zeigt, daß die Anordnung der Fig. 5 ein gleiches optisches System ist, wie das der Anordnung der ao Fig. 4. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der Kristallstab 7 sehr kurz, so daß die ebene Fläche 8 des einen Endes sich bis zu der lichtdurchlässigen Schicht 11 erstreckt und in die parallele Fläche 16 des Kristallteiles 15 übergeht. Bei dieser Anordnung fallen die zwei heraustretenden Strahlen 12 und 13 ebenfalls zusammen.

Wird ein Kristallstück gemäß der Erfindung in einem optischen Verstärker verwendet, so wird der Einfallslichtstrahl nach einem beliebigen Verfahren zum Eintritt in den Kristall gebracht. Beispielsweise kann eine Blitzlichtentladungslampe um das Kristallstück herum angeordnet werden, so daß Einfallslichtstrahlen in vielen Richtungen in den Kristall eintreten. Ein Teil des Lichtes wird absorbiert, und ein Teil fließt durch das Kristallstück hindurch, der Rest des Lichts folgt jedoch den angedeuteten Wegen.

Bei einer geometrischen Formgebung des selektiv fluoreszenten Kristalls für optische Verstärker gemäß der Erfindung gewährleisten diese, daß bei voller Ausnutzung der total reflektierenden Flächen der aus dem Kristallstück austretende Lichtstrahl eine exakt ebene Wellenfront hat, weil das selektive Fluoreszenzlicht unbehindert in voller Breite des Kristalls austreten kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Selektiv fluoreszenter Kristall für einen optischen Verstärker, dessen beide Enden jeweils von ebenen Oberflächen begrenzt werden, die in einem Winkel von etwa 45° zur geometrischen Hauptachse des Kristallstabes geneigt sind und sich in einem rechten Winkel treffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mittels einer unter 45° zur optischen Achse des optischen Verstärkers verlaufenden dünnen Trennschicht (11), die aus lichtdurchlässigem Material mit einem abweichenden Brechungsindex besteht, aus zwei Teilen (7,15) zusammengefügt ist.

2. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der beiden Austrittsstellen der beiden senkrecht zur optischen Achse und in entgegengesetzter Richtung austretenden Strahlen (13,13') angrenzend an die Kristalloberfläche oder in Kontakt mit ihr eine zur geometrischen Hauptachse des Kristallstabes parallele reflektierende Fläche (14) angeordnet ist.

3. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kristallteil (15) Quaderform hat.

4. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der andere stabförmige Kristallteil (7) in Richtung der geometrischen Hauptachse des Kristallstabes eine so kleine Länge aufweist, daß diejenige ebene (um einen Winkel von 45° zur Hauptachse) geneigte Oberfläche (8) am Stabende (8, 9), die senkrecht zur Ebene der dünnen lichtdurchlässigen Schicht (11) steht, die dünne lichtdurchlässige Schicht trifft und in die parallele Fläche (16) des anderen Kristallteils (15) übergeht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Electronics, vom 27.10.1961, S. 38 bis 47, insbesondere S. 44.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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