DE1175792B - Modulationsvorrichtung fuer einen optischen Sender oder Verstaerker mit einem selektiv fluoreszenten Medium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H Ol r;

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H05b

Deutsche Kl.: 2If-90

C 30289 VIII c / 21 f

27.Juni 1963

13. August 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Modulationsvorrichtung für einen optischen Sender oder Verstärker mit einem selektiv fluoreszenten Medium, das axial zwischen zwei einander gegenüberstehenden parallelen Spiegelflächen angeordnet ist.

Die Modulation von auf selektiver Fluoreszenz beruhender Strahlung ist an sich bekannt. Es könnte in bestimmten Fällen von Bedeutung sein, einen optischen Sender oder Verstärker zu erhalten, bei welcher die Richtung des selektiv fluoreszenten Strahles mittels elektrischer Kreise steuerbar ist. Die unter dem Namen »Laser« bekannten Lichtquellen, die ein monochromatisches und kohärentes Licht abgeben, sind insbesondere zur Erzielung großer Ausgangsleistungen in der Radartechnik und in der Fernmeldetechnik von Bedeutung. Zur Zeit kann man jedoch die Richtung der Strahlung nicht durch andere Mittel als durch mechanische Mittel einstellen.

Erfindungsgemäß wird eine Richtungsmodulation des selektiv fluoreszenten Strahles dadurch ermöglicht, daß das Reflexionsvermögen wenigstens eines der beiden Spiegel in einem bestimmten Bereich seiner Fläche zeitlich derart durch Vorschalten einer Kerr-Zelle veränderlich gemacht wird, daß nur die zugeordneten entsprechenden Querschnittsbereiche des selektiv fluoreszenten Mediums wahlweise emittieren können, und zudem wird der Strahl eines jeden Teilbereichs mittels einer außen zugeordneten Optik in einem anderen Winkel abgelenkt.

In vorteilhafter Weise kann die optische Achse des selektiv fluoreszenten Kristalls senkrecht zu seiner Längsachse und zur Ausbreitungsrichtung seiner Strahlen stehen, und die mittlere Polarisationsrichtung der dem Spiegel vorgeschalteten Kerr-Zelle kann um 45° gegenüber der optischen Achse des Kristalls verdreht sein, und die mit einer doppelbrechenden Flüssigkeit arbeitende Kerr-Zelle kann einem sich zeitlich ändernden inhomogenen elektrischen Feld ausgesetzt sein. Auf diese Weise kann in steuerbarer Weise das Reflexionsvermögen zeitlich geändert werden. Die Kerr-Zelle kann parallel zur Längsachse des selektiv fluoreszenten Kristalls von leitenden Gittern durchzogen sein. Die Kerr-Zelle kann aber auch Teil eines Zylinders mit einem kreissektorförmigen Querschnitt sein, wobei die eine Elektrode von dem Zylindermantelausschnitt und die andere von der Keilschneide gebildet wird und wobei der Kreissektor eine solche Größe aufweist, daß die Projektion des kreisförmigen Querschnittes des Kristalls von dem Sektor eingeschlossen wird. Jedem Spiegel kann eine solche Kerr-Zelle zugeord-Modulationsvorrichtung für einen optischen
Sender oder Verstärker mit einem selektiv
fluoreszenten Medium

Anmelder:

CSF - Compagnie Generale de Telegraphie

sans FiI, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz,

Dr. rer. nat. G. Hauser

und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsberger Str. 19

Als Erfinder benannt:
Guy Mayer, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 29. Juni 1962 (902 435)

net sein, und die eine mittlere Polarisationsebene einer Kerr-Zelle kann der senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes dienenden optischen Achse des Kristalls um 45° vorausgehen, und die andere Polarisationsebene kann dagegen um 45° hinterhergehen, so daß beide Kerr-Zellen im Mittel um 90° zueinander versetzt arbeiten. Die gekreuzten Kerr-Zellen ermöglichen eine willkürliche Punktrasterauslösung der selektiven Fluoreszenz des zugeordneten Kristallkanals über den Kristallquerschnitt.

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darstellen, nochmals erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemadarstellung des Prinzips der Vorrichtung, die Gegenstand der zitierten Patentanmeldung ist,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung,

F i g. 3 eine Schemadarstellung einer elektrischen Äquivalentschaltung,

F i g. 4 eine Schnittdarstellung eines zylindrischen Kondensators,

F i g. 5, 8 und 6, 9 Schnitt- und Endansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung und

Fig. 7 und 10 Spannungsdiagramme.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des in der Patentanmeldung C 28156 VIIIc/21f beschriebenen optischen Verstärkers.

409 640/177

Eine Lichtquelle in Form eines optischen Verstärkers für selektive Fluoreszenz weist einen Körper auf, der aus einer selektiv fluoreszierenden Substanz besteht, beispielsweise einen zylindrischen Rubin 1, der die Ausbreitungsachse Z-Z' hat und dessen optische Achse C parallel zu den reflektierenden Oberflächen! verläuft, welche den Raum abschließen, in dem der Rubin eingeschlossen ist. Das polarisierte Licht, welches der Rubin unter der Einwirkung der Anregungslichtquelle 8 emittiert, ist in Richtung des Pfeiles P polarisiert, wobei dieser Pfeil P mit der Achse Z-Z' des Zylinders und der optischen Achse C ein rechtwinkliges Achsenkreuz bildet. Die reflektierende Fläche 2 hat ein konstantes Reflexionsvermögen R1. Gegen den Zylinder ist eine Steuereinrichtung gesetzt, im vorliegenden Falle eine Kerr-Zelle 3, deren eine Belegung 41 an Masse liegt und deren andere Belegung 42 mit einem Generator 5 verbunden ist, der eine Spannung V_c(t) liefert, die sich als Funktion der Zeit ändert. Die beiden Belegungen der Kerr-Zelle sind eben, und das Feld zwischen diesen beiden Belegungen ist homogen.

Gegen die Kerr-Zelle ist ein Polarisator 6 gesetzt, dessen Polarisationsrichtung parallel zu P ist. Die Kerr-Zelle ist derart angeordnet, daß der elektrische Feldvektor E der Kondensatorflächen mit P einen Winkel von 45° bildet. Ein Spiegel 17 ist, wie gezeigt, gegen den Polarisator gesetzt. Es wurde in der Patentanmeldung C 28156 VIII c/21 f ausgeführt, daß an die Kerr-Zelle eine zeitlich veränderliche Spannung angelegt wird, wobei diese Spannung V einen Maximalwert F₀ und einen dicht bei Null liegenden Minimalwert hat. Das Reflexionsvermögen R_t(t) der Anordnung Kerr-Zelle—Spiegel ist gleich ε, und dieser Wert ist für V in der Umgebung von F₀ klein, und s ist für V in der Umgebung von Null etwa gleich 1.

Die Formel, welche die kritische Schwelle der Besetzung in einem höheren Niveau, welches eine selektive Fluoreszenz ermöglicht, angibt, lautet:

n_c = n_e — /Z₀

(D

+C. (2)

Wenn nun /?,·(ί) eine abnehmende Funktion von V₁ (i) ist, so wird n_t(t) eine zunehmende Funktion dieser Spannung, und es wird der Augenblick eintreten, in dem «,· (i) durch den kritischen Wert hindurchgeht, wenn V₁ (?) wächst, und von diesem Augenblick an ist eine Emission nicht mehr möglich. Die Vorrichtung beruht auf diesem Prinzip.

Während der Zeitintervalle, in denen n_t(i) größer ist als n_e — n₀, wird die selektiv fluoreszente Substanz mit Lichtenergie beschickt und speichert diese Lichtenergie. Während der Zeitintervalle, in denen eine Emission möglich ist, wird ein Lichtimpuls erzeugt, und die selektiv fluoreszente Substanz entlädt sich.

Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Ziel, die es ermöglicht, die selektiv fluoreszente Substanz in vorbestimmten Zeitintervallen selektiv zu entladen, wobei die selektiv fluoreszente Substanz in verschiedene Elemente unterteilt ist.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsmäßen Einrichtung. Die Kerr-Zelle weist ein Gefäß 3 auf, in welchem eine homogene Flüssigkeit angeordnet ist. In diesem Behälter, der durch zwei Belegungen 42 und 43 begrenzt ist, sind Metallgitter g_v g₂... g„ eingesetzt. Diese Gitter umschließen Zonen Z₁ ... Z_n, die zwischen zwei aufeinanderfolgende Beläge eingeschlossen sind. Die Gitter gj ... g„ und die Beläge 41 und 42 sind mit den Ausgängen S₁ ... s„ eines Spannungsgenerators 50 verbunden.

Es ist zu erkennen, daß sich jede Zone Z₁ in der Richtung der Ausbreitung des in der selektiv fluoreszenten Substanz erzeugten Lichtes erstreckt (Achse Z-Z' des Zylinders, der die selektiv fluoreszente Substanz umschließt). Die Abmessungen dieser Zone in Richtung y (senkrecht zur Figur) sind gering. Im Gegensatz hierzu sind die Querabmessungen (längs der Achse Ox, welche das rechwinklige Koordinatenkreuz vervollständigt) die gleichen wie die der Achse Ox der gesamten Kerr-Zelle.

Das elektrische Äquivalent-Schaltbild (Fig. 3) weist eine Anordnung von Kapazitäten C₁.. .C_n auf, die zwischen Anschlüssen a₀ ... a„ angeordnet sind. Diese Anschlüsse sind mit den entsprechenden Ausgängen des Generators 50 verbunden. Das Feld in der Gesamtzelle ist inhomogen, da das Feld an jedem Punkt von den Spannungen abhängt, die zwischen den beiden am nächsten liegenden Gittern herrschen.

Da die zugeführten Spannungen Spannungen sind, die sich als Funktion der Zeit verändern, kann man in der vorher beschriebenen Weise jeden Teil der selektiv fluoreszenten Substanz oder des »Lasers« aufladen und anschließend entladen, der in der Verlängerung eines Elementes der Kerr-Zelle angeordnet ist.

Eine Optik 51 lenkt die aus den verschiedenen selektiv fluoreszenten Schichten emittierten Strahlen in die verschiedenen Richtungen P₁.. .P_n ab. Die Stirnseite des Rubins befindet sich in der Bildbrennebene der Zelle. Eine Lichtquelle 400 liefert die Anregungsenergie.

Es ist zu erkennen, daß, wenn man ein inhomogenes Feld in der Kerr-Zelle erzeugt, man eine Einrichtung erhält, die es ermöglicht, daß bestimmte Teile einer selektiv fluoreszenten Substanz oder eines »Laser«-Materials selektiv emittieren, und es wurde gezeigt, daß es möglich ist, mit den emittierten Strahlen den Raum zu überstreichen.

Es ist einfach, ein nichthomogenes elektrisches Feld in einem Raum zu erzeugen, der zwischen zwei Leitungsbelägen enthalten ist. Es reicht aus, diesen Leitungsbelägen eine andere Form als eine ebene Form zu geben.

So ist beispielsweise in Fig. 4 ein zylindrischer Kondensator dargestellt, der zwei koaxiale Beläge A und B aufweist. Der Belag A kann beispielsweise an einer Spannungsquelle V₁, liegen, und der Belag B kann an Masse liegen. Man weiß, daß das Feld an einem Punkt M in einem Abstand R von der Achse der beiden Zylinder (R_a Radius von A und R₁ Radius von B), wenn

ist, gegeben wird durch

k R

R₁

Vc,

(3)

wobei k eine Konstante ist, die von R₁₁ und von
abhängt.

Wenn nun die Spannung V_c eine Funktion der Zeit V_c—V_c(t) ist, so ist in jedem Augenblick der Kondensator in zwei konzentrische Bereiche Z₁ und Z₂ unterteilt, und zwar in einen Bereich Z₁, in welchem das Feld größer ist als ein vorbestimmtes Feld E₀, und in einen Bereich Z₂, in welchem das Feld kleiner ist, wobei Z₁ innerhalb von Z₂ liegt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Schnittansicht und eine Endansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung, bei welcher die Kerr-Zelle durch einen zylindrischen Kondensator ersetzt ist.

Die Kerr-Zelle 100 weist einen inneren Leiter 101 und einen äußeren Leiter 102 auf. Der innere Leiter 101 ist an eine Spannungsquelle 103 angeschlossen, deren Spannung sich als eine Funktion der Zeit verändert. Der Aufbau dieser Zelle zeigt die Form eines Teiles eines Drehzylinders, wobei dieser Teil von zwei ebenen Wänden 104 und 105 begrenzt wird. Diese ebenen Wände 104 und 105 bestehen aus einem dielektrischen Material. Die Zelle enthält eine doppelbrechende Flüssigkeit. Diese Kerr-Zelle ist neben dem Zylinder 1 angeordnet, der die selektiv fluoreszente Substanz enthält.

Die Funktionsweise dieser Einrichtung ist die folgende:

Die Spannungsquelle 103 liefert eine Spannung, deren Veränderung als Funktion der Zeit in F i g. 7 dargestellt ist.

Während eines Zeitintervalles T₀ verändert sich die Spannung von einem Maximalwert V₀ auf einen Minimalwert V₁; während der Zeit T₀ + T₁ behält die Spannung den Wert V₀ bei. Danach wiederholt sich dieser Zyklus.

Wenn die Spannung V₁ die kritische Spannung entsprechend dem Wert

n_e —

rn{t)

überschritten hat, wird augenblicklich eine Zone des Kondensators (Zone Z₁, die in F i g. 6 schraffiert ist) den für die Anregung der selektiv fluoreszenten Schicht notwendigen Reflexionsgrad aufweisen, der eine selektive Fluoreszenz in dem Bereich ermöglicht, der gerade in der Verlängerung dieser Zone angeordnet ist.

Die beschriebene Veränderung der Spannung V ermöglicht auf diese Art eine Abtastung des optischen Senders oder Verstärkers in Richtung dei Achse Oy.

Wenn die Zeit T₀ kleiner ist als die Zeit, die erforderlich ist, um den optischen Sender oder Verstärker wieder aufzuladen, wird zu jedem Zeitpunkt i,- des Intervalls O—T eine entsprechende Zone Z₁ vorhanden sein, die eine Entladung im optischen Sender oder Verstärker ermöglicht. Die Optik 51 ermöglicht, wie im vorhergehenden Falle, die Abtastung des Raumes.

Es sei bemerkt, daß die in Fig. 6 gezeigte Einrichtung derart angeordnet ist, daß das Feld im Mittelbereich einen Winkel von 45° mit der Polarisationsrichtung der Welle einschließt.

Die F i g. 8 und 9 zeigen eine Einrichtung, die es ermöglicht, die Fläche vor dem optischen Sender oder Verstärker gleichzeitig in der Richtung Ox und in der Richtung Oy abzutasten.

Die selektiv fluoreszente Substanz 1 ist zwischen zwei Kerr-Zellen 100 und 200 angeordnet, die in Endansicht in F i g. 9 dargestellt sind. Diese Zellen entsprechen der in F i g. 6 gezeigten Zelle, jedoch sind deren Symmetrieebenen unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet, und beide schließen einen Winkel von 45° mit der Polarisationsebene der Welle ein.

Zwei Spannungsquellen 51 und 52 speisen die Kondensatorbelegungen 101-102, 201-202,

Zwei . -Blättchen 301 und 302 fassen den optischen

Sender oder Verstärker ein. Diese - -Blättchen sind

vorgesehen, um die Wirkung mit steigenden Spannungen zu erzielen, die man ohne sie mit fallenden Spannungen erzielen würde, und umgekehrt.

Die Spannungsquellen 51 und 52 geben Spannungen ab, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind. In jedem Moment ist es wegen der Zelle 100 möglich, daß sich eine Zone Z,- parallel zur Achse Ox entladen könnte, das gleiche gilt wegen der Zelle 200 für eine Zone Zj parallel zu Oy. Daraus ergibt sich, daß sich lediglich der gemeinsame Teil dieser beiden Zonen zur Zeit t entladen kann.

Die Wahl der Spannungen V₁ für die Zelle 100 und V₂ für die Zelle 200 bestimmt das Abtastgesetz des Raumes.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt. Es können andere Formen von Kerr-Zellen mit nichtebenen Belägen verwendet werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Modulationsvorrichtung für einen optischen Sender oder Verstärker mit einem selektiv fluoreszenten Medium, das axial zwischen zwei einander gegenüberstehenden parallelen Spiegelflächen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Richtungsmodulation des selektiv fluoreszenten Strahles dadurch ermöglicht wird, daß das Reflexionsvermögen wenigstens eines der beiden Spiegel in einem bestimmten Bereich seiner Fläche zeitlich derart durch Vorschalten einer Kerr-Zelle (3) veränderlich gemacht wird, daß nur die zugeordneten entsprechenden Querschnittsbereiche des selektiv fluoreszenten Mediums wahlweise emittieren können und zudem der Strahl eines jeden Teilbereichs (Z₁, Zj) mittels einer außen zugeordneten Optik (4) in einem anderen Winkel abgelenkt wird.

2. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse des selektiv fluoreszenten Kristalls (c) senkrecht zu seiner Längsachse und zur Ausbreitungsrichtung seiner Strahlen steht, daß die mittlere Polarisationsrichtung der dem Spiegel vorgeschalteten Kerr-Zelle um 45° gegenüber der optischen Achse des Kristalls (c) verdreht ist und daß die mit einer doppelbrechenden Flüssigkeit arbeitende Kerr-Zelle einem sich zeitlich ändernden inhomogenen elektrischen Feld (50, 51, 52, 103) ausgesetzt ist.

3. Modulationseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerr-Zelle (3) parallel zur Längsachse des selektiv fluoreszenten Kristalls von leitenden Gittern (Gn) durchzogen ist.

4. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerr-Zelle Teil eines Zylinders (101,102,104,105) ist mit einem

kreissektorförmigen Querschnitt, wobei die eine Elektrode von dem Zylindermantelausschnitt (102), die andere von der Keisschneide (101) gebildet wird und der Kreissektor eine solche Größe aufweist, daß die Projektion des kreisförmigen Querschnittes des Kristalls von dem Sektor eingeschlossen wird.

5. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Spiegel eine solche Kerr-Zelle (100, 200) zugeordnet ist und daß die eine mittlere Polarisationsebene einer Kerr-Zelle der senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes stehenden optischen Achse des Kristalls (c) um 45° vorausgeht, die andere Polarisationsebene dagegen um 45° hinterher-

geht, so daß beide Kerr-Zellen im Mittel um 90° zueinander versetzt arbeiten.

6. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekreuzten Kerr-Zellen (101, 102, 201, 202) eine willkürliche Punktrasterauslösung (Z₁-, Z₁) der selektiven Fluoreszenz des zugeordneten Kristallkanals über den Kristallquerschnitt ermöglichen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2 929 922;

Bulletin American Physical Society, Ser. II. Bd. 8, Nr. 6, 1961, S. 68, WG;

Journal of Applied Physics, Bd. 33, Nr. 6, Juni 1962, S. 2009 bis 2011.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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