DE1199401B

DE1199401B - Optischer Verstaerker

Info

Publication number: DE1199401B
Application number: DEW36818A
Authority: DE
Inventors: Donald Richard Herriott; Herwig Werner Kogelnik; Rudolf Kompfner
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1963-09-16
Filing date: 1964-05-20
Publication date: 1965-08-26
Also published as: BE652610A; GB1056686A; NL6406954A; US3253226A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIs

Deutsche Kl.: 2If-90

BIBUtTHEK

DES DEUTSSHEN PATEHT4K1£S

Nummer: 1199 401

Aktenzeichen: W 36818 VIII c/21f

Anmeldetag: 20. Mai 1964

Auslegetag: 26. August 1965

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen optischen Verstärker, dessen Verstärkungswirkung auf stimulierter Emission der Fluoreszenzstrahlung eines angeregten selektiv fluoreszenten Mediums beruht, nachstehend kurz als stimulierbares Medium bezeichnet.

Vorrichtungen dieser Art werden in der englischsprachigen Literatur als »Laser« (Abkürzung von »light amplification by stimulated emission of radiation«) oder als optischer Maser (Abkürzung von »microwave amplification by stimulated emission of radiation«) bezeichnet.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist es allgemein bekannt, das stimulierbare Medium in einem auf die Nutzfrequenz abgestimmten Resonator unterzubringen.

Im allgemeinen kann die erzielbare Verstärkung eines optischen Verstärkers, z. B. mit einem gasförmigen Medium, durch Vergrößerung seiner Länge erhöht werden. Der ß-Wert des Resonators, der durch die reflektierenden Oberflächen oder die Spiegel gebildet wird, nimmt mit zunehmender Länge zu, bis die Beugungsverluste mit den Reflexionsverlusten vergleichbar werden. Oberhalb dieses Punktes ergibt eine weitere Längenzunahme wieder eine Abnahme der Verstärkung. Eine Anordnung eines Resonators mit niedrigen Beugungsverlusten weist konfokale sphärische Spiegel auf. Diese Anordnung ist in dem Artikel »Resonant Modes in a Maser Interferometer« von Fox und L i in der Zeitschrift »Bell System Technical Journal«, Bd. 40, Nr. 2, März 1961, S. 453 bis 488, beschrieben. Sphärische Spiegel haben nicht nur den Vorteil geringerer Beugungsverluste, es ist auch ihre Justierung im Vergleich zu einer Anordnung mit Planspiegeln weniger kritisch. Bei Verwendung konfokaler sphärischer Spiegel ist es möglich, den Spiegel über diejenigen Grenzen hinaus zu vergrößern, die der Verwendung von Planspiegeln gesetzt sind. Es kann daher eine größere Verstärkungswirkung erzielt werden. Resonatorformen mit sphärischen Spiegeln, die in einer vom konfokalen Abstand abweichenden Entfernung einander gegenüberstehen, sind gleichfalls bekannt.

Ferner ist es bekannt, dem stimulierbaren Medium eine hohlzylindrische Form zur Erhöhung des Wirkungsgrades zu geben.

Bei optischen Sendern oder Verstärkern mit gasförmigem Medium hängt der Verstärkungs- und Leistungsausgang in kritischer Weise vom Annäherungsgrad der Lichtstrahlen an die Innenwand des das Gas enthaltenden Rohres ab. Eine größere Verstärkungswirkung kann durch Kleinermachen des Optischer Verstärker

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Donald Richard Herriott, Morris Township, N. J.; Herwig Werner Kogelnik, New Jersey, N. J.;
Rudolf Kompfner, Middletown, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 16. September 1963
(309 026)

Rohrdurchmessers erreicht werden. Jedoch existieren bestimmte, offensichtlich praktische Grenzen, die bestimmen, wie klein der Durchmesser sein kann. Zum Beispiel ist eine untere Grenze für den Durchmesser dadurch gegeben, daß die Beugungsverluste mit abnehmendem Durchmesser bei einer gegebenen Länge zunehmen.

Bei den meisten optischen Verstärkern tritt, unabhängig davon, ob nun plane oder sphärisch gekrümmte Spiegel für den Resonator verwendet werden, ein Interferenzphänomen auf, das durch zwischen den Spiegeln hin- und herlaufende Lichtstrahlen verursacht wird. Im allgemeinen können die Lichtstrahlen das stimulierbare Medium nur zweimal durchlaufen, also nur eine »Rundreise« machen, bevor Interferenz auftritt. Diese Interferenz setzt die Eigenschaften des optischen Verstärkers herab, da hierbei Resonanzspitzen erzeugt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, den erzielbaren Ver-Stärkungsgrad in einem optischen Verstärker bei einem gegebenen Spiegelabstand oder einer gegebenen Länge des stimulierbaren Mediums zu vergrößern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einem optischen Verstärker mit stimulierter Strahlung in einem hohlzylindrisch ausgebildeten selektiv fluoreszenten Medium mit einer Einrichtung zum Anregen im Innern und mit einem aus sphärischen Spiegeln

505 658/209

gebildeten, nichtkonfokalen optischen Resonator. Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß eine Einrichtung zum außeraxialen und unter einem Winkel zur optischen Achse erfolgenden Einführen eines zu verstärkenden Lichtstrahles vorgesehen ist, so daß der Lichtstrahl innerhalb des hohlzylindrischen Mediums umlaufend mehrfach an immer anderen Stellen der Spiegel reflektiert wird.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß ein Resonator, der durch in vom konfokalen Abstand abweichendem Abstand voneinander angeordnete sphärische Spiegel gebildet ist, bei Durchstrahlung mit einem außeraxialen Lichtstrahl wiederholte nichtinterferierende Reflexionen des Strahls erzeugt, und diesen dazu zwingt, längs eines Weges fortzuschreiten, der im allgemeinen auf der Oberfläche eines Rotationshyperboloids liegt, wobei aufeinanderfolgende Reflexionsstellen des Strahls auf den Spiegeln eine Ellipse beschreiben. Unter bestimmten Bedingungen, und zwar in Abhängigkeit vom Einfallswinkel des Lichtstrahls, bilden die Reflexionspunkte auf den Spiegeln einen Kreis. Als Folge hiervon hat das durch die Spiegel gebildete, als Resonator dienende Interferometer eine effektive Weglänge, die viele Male größer ist als der tatsächliche Spiegelabstand. Die Zahl der Reflexionspunkte des Strahls auf jedem Spiegel, die längs der Ellipse oder des Kreises verlaufen, ist gleich dem Faktor, um den der effektive Interferometerabstand den tatsächlichen überschreitet.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein doppelwandiger, in Längsrichtung verlaufender Hohlzylinder vorgesehen, in dessen Ringraum das stimulierbare Medium und in dessen Innenraum die Einrichtung zum Anregen des Mediums untergebracht sind. Der Hohlzylinder ist innerhalb eines durch ein Paar im Abstand voneinander angeordneter sphärischer Spiegel gebildeten Resonators unter axialer Ausrichtung mit demselben angeordnet. Die sphärischen Spiegel haben voneinander eine vom konfokalen Abstand abweichende Entfernung. Im allgemeinen wird der Ausdruck konfokal im Zusammenhang mit einem aus sphärischen Spiegeln aufgebauten Resonator dann verwendet, wenn die beiden Spiegel einen Abstand aufweisen, der gleich ihrem gemeinsamen Krümmungsradius ist. Ferner ist eine Einrichtung zum in einer außerhalb der Achse gelegenen Stelle und unter einem Winkel hierzu erfolgenden Einstrahlen eines Lichtstrahls in den optischen Verstärker vorgesehen. Wie im einzelnen aus der nachstehenden Beschreibung noch ersichtlich werden wird, bestimmen der Spiegelabstand und die Brennweite die Anzahl der Durchläufe oder Durchquerungen des Strahls durch das stimulierbare Medium, bevor der Strahl wieder zum Eintrittspunkt zurückkehrt und denselben Weg nochmal zurücklegt; und es bestimmt der Winkel, unter dem der Strahl in den optischen Verstärker eingestrahlt wird, die Form des Reflexionsmusters auf den Spiegeln.

Bei dem Ausführungsbeispiel sind außerdem noch Mittel vorgesehn, mit denen ein vom optischen Verstärker verstärkter Lichtstrahl ausgekoppelt werden kann.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben, es zeigt

F i g. 1 einen axialen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 eine Schnittansicht längs der Linie A-A der F i g. 1,

F i g. 3 ein dem Spiegelsystem der F i g. 1 äquivalentes Linsensystem zum Zweck der analytischen Erläuterung und

F i g. 4 ein Diagramm des Reflexionsmusters eines Strahls auf einem der Spiegel zur analytischen und beschreibenden Erläuterung.

In der F i g. 1 ist ein einen Lichtstrahl verstärkender optischer Verstärker dargestellt. Der optische Verstärker 11 enthält einen doppelwandigen Zylinder 12, der durch koaxiale innere und äußere Wände 13 und 14 begrenzt wird. In dem eingeschlossenen zylindrischen Ringraum 16 ist das stimulierbare Medium, z. B. eine Helium-Neon-Gasmischung, untergebracht. Es sei bemerkt, daß auch an Stelle eines gasförmigen Mediums auch ein Festkörpermedium verwendet werden kann. So kann beispielsweise als das stimulierbare Medium ein zylinderringförmiger Rubinstab, der paramagnetische Ionen aufweist, verwendet werden. Der doppelwandige Zylinder 12 ist an beiden Enden durch lichtdurchlässige Platten 17 und 18 verschlossen. Es sei bemerkt, daß der doppelwandige Zylinder 12 nicht unbedingt mit Endplatten 17 und 18, wie es die Zeichnung zeigt, versehen werden muß. So kann der Zylinder 12 als einstückiger, an beiden Enden geschlossener Glaskörper ausgebildet sein.
. Der doppelwandige Zylinder 12 liegt zwischen einem Paar sphärischer Spiegel 19 und 21 und ist zu deren optischer Achse ausgerichtet. Die Spiegel 19 und 21 bilden ein Interferometer oder einen optischen Resonator und haben einen gegenseitigen Abstand, der vom konfokalen Abstand, also vom Krümmungsradius der Spiegel, verschieden ist. Die Spiegel 19 und 21 haben vorzugsweise den gleichen Krümmungsradius, obgleich dies nicht absolut notwendig ist.

Das innerhalb des zylindrischen Ringraumes 16 enthaltene stimulierbare Medium kann auf zahlreiche Weisen angeregt werden. In der F i g. 1 ist eine Radiofrequenzquelle 22 mit einer Stange 23 verbunden, die in axialer Ausrichtung mit den Spiegeln 19 und 21 angeordnet ist. Ferner ist die Quelle 22 mit einem Plattenpaar 24 und 26 verbunden, das außerhalb der Wand 14 und vorzugsweise koaxial zu dieser gelegen ist. Bei einer derartigen Anordnung entsteht eine Radiofrequenzanregungsspannung über dem hohlzylindrischen Ringraum 16, der das stimulierbare Medium enthält, wodurch das Medium zur Erzeugung einer Verstärkung angeregt wird. Falls gewünscht, kann auch eine Kombination einer Anregungs-Wechselspannung mit einem Gleichstrom zum Anregen eines optischen Verstärkers mit gasförmigem Medium verwendet werden. In einigen Fällen kann auch Gleichstrom allein verwendet werden. Enthält der optische Verstärker ein Festkörpermedium, so kann die Anregung auch auf optischem Wege erfolgen. Ein zu verstärkender Lichtstrahl läuft von einer Quelle 27, die beispielsweise ein optischer Helium-Neon-Sender sein kann, über einen justierbaren Spiegel 28 und von dort aus durch den Spiegel 19 hindurch und in den optischen Verstärker 11. In vielen Fällen kann das Licht des als Lichtquelle dienenden optischen Senders vor der Verstärkung moduliert worden sein. Der Spiegel 28 ist zur Einstellung des Winkels und des außeraxialen Abstandes des Eintrittspunktes des Lichtstrahls in den optischen Sender 11 vorgesehn. Damit der Lichtstrahl einer möglichst geringen Dämpfung unterliegt, hat der Spiegel 19 einen Schlitz 29, durch den der Lichtstrahl hindurchtritt, Es sei bemerkt, daß auch eine andere

5 6

Einrichtung zum Einführen des Lichtstrahls in den Aus den Gleichungen (4) und (5) ist es möglich, die

optischen Verstärker vorgesehen sein kann, und daß Eintrittsbedingungen des Strahls zu bestimmen, daß

die dargestellte Anordnung lediglich der Erläuterung er einen Kreis beschreibt. Ist beispielsweise y₀ = 0

dient. und X₀ so bestimmt, daß der Strahl im ringförmigen

Bevor die Wirkungsweise der Vorrichtung nach 5 Raum der Anordnung nach F i g. 1 verläuft, dann

F i g. 1 erläutert werden soll, soll zum besseren Ver- gelten die Beziehungen
ständnis der hierbei auftretenden Phänomene eine

analytische Erläuterung gegeben werden. ₂ _ _x a / ^/ A

In der Strahlenoptik ist ein Interferometersystem, ° \ ä /

das zwei sphärische axial zueinander ausgerichtete io

Spiegel aufweist, mit einer Reihe in gleichem Abstand ^a _{= ;c}2i_v2_ 4/ _a
voneinander angeordneter Linsen äquivalent, die eine ° ° d °
Brennweite / und einen gegenseitigen Abstand d aufweisen (s. Fig. 3). In einem kartesischen Koordina- _χ, __ 2x₀ _ A
tensystem ist ein paraxialer Strahl, der durch ein 15 ° d VTd
solches Linsensystem hindurchläuft, in dem Abschnitt
zwischen der «-ten und (n + l)-ten Linse durch die Diese Gleichungen bestimmen die notwendigen Koordinaten X_n und y_n an der Stelle, in der der Strahl Eintrittsbedingungen für den Strahl, damit dieser die Mittelebene der «-ten Linse schneidet, beschrieben, einen Kreis des Radius A beschreibt,
sowie durch die Steigerungen x_n' und yn rechts von 20 In F i g. 4 sind die Projektionen der Schnittpunkte dieser Linse (F i g. 3). Für einen Strahl, der in das auf eine x-j>-Ebene dargestellt, wobei diese Schnitt-System bei der Eingangslinse mit den Koordinaten x„, punkte auf einem Kreis des Radius A liegen. Für diese y₀ und den Steigerungen X₀' und y₀' eingeführt wird, Bedingung ist der polare Winkel Φ_η für die Stelle kann gezeigt werden, daß folgende Beziehung gilt: x_n, y_n gleich

²⁵ φ_η = ηθ + χ (13)

x„ = x₀ cos (ηΘ) + y——j-(x₀ + 2/X₀') sin (η Θ) Die Differenz des polaren Winkels zwischen dieser

' QX₁ Stelle und dem nächsten Schnittpunkt (x_n+1, y_n+i) ist

der Winkel Θ, wie er in der Gleichung (2) definiert ist.

„ _ d . . 30 Insofern das Linsensystem der F i g. 3 das Äqui-

mit cos t) — 1 2j- (²) valent des sphärischen Spiegelsystems der F i g. 1

darstellt, ist ersichtlich, daß, wenn ein Strahl in das

Eine ähnliche Beziehung gilt für y_n. In einem stabi- Spiegelsystem der F i g. 1 unter einem durch die len Linsensystem, in dem Gleichung (12) gegebenen Winkel eingeführt wird,

j 35 dieser Strahl zwischen den beiden Spiegeln hin und her

0 < -j < 4 (3) reflektiert wird, wobei die Auftreffpunkte des Strahls

* einen Kreis auf jedem der Spiegel beschreiben, wobei

ist, kann die Gleichung (1) umgeschrieben werden zu die Winkelversetzung aufeinander erfolgender Auftreffpunkte auf jedem der Spiegel 2 Θ ist. Während der

X_n-A sin («Θ + «) (4) 4o Strahl hin und her reflektiert wird, beschreibt er die

Oberfläche eines Rotationshyperboloids. Als Folge hiervon können die Wände 13 und 14 des ringförmigen

' 4/ Hohlzylinders 12 recht dicht aneinanderliegend an-

~d geordnet werden, so daß sie das Hyperboloid umfassen,

tan« = —-,- (S) ₄₅ wodurch insbesondere im Falle eines optischen Ver-

1 + 2/—— stärkers mit gasförmigem Medium ein hoher Ver-

^x° Stärkungsgewinn erzielt werden kann, ohne daß hierbei

^u"d Beugungsverluste infolge kleiner Durchmesser auf-

.₂ _ 4/ ₂ '4.J/ 'n rffl treten. Da die sphärischen Spiegel den Strahl konti-

^A ~ Af—d ^^X° +"^x°^x° + «J^xo ) W _5o nuierlich wieder fokussieren, sind die Beugungsverluste

verringert. Zusätzlich hierzu ergibt sich eine Zunahme

A stellt die maximal mögliche Wanderung des Strahls des Verstärkungsgrades aus der großen Anzahl nichtin Längsrichtung, während dessen Durchlaufs durch interferierender Strahldurchgänge durch das stimulierdie Linsenreihe dar. In ähnlicher Weise gilt bare Medium. Sind die Resonatordimensionen so ge-

y_n — B sin (« Θ + β) (7) 55 wählt, daß 20 ein ganzer Bruchteil ν von 2 π ist, d. h._f

daß
Aus den Gleichungen (4) und (7) ist ersichtlich, daß _ß _

die Schnittpunkte des Strahls mit den Linsen, wenn ^v ~ ^π

sie auf eine x-j-Ebene projiziert werden, auf einer gilt, dann kann der Strahl r Umkehrdurchgänge durch

Ellipse liegen, es sei denn, daß _{6o da}s stimulierbare Medium hindurch zurücklegen,

4, _ β (g\ bevor er wieder zum Eintrittsstrahl wird, d. h. bevor

er den gleichen Weg ein weiteres Mal zurücklegt. Für

^Ufld den optischen Verstärker der F i g. 1 ist es wünschens-

_ ο π wert, den Strahl kurz bevor er wieder die Bahn des

λ — p ± ~2 \y) Qg Eintrittsstrahls erreicht hat, auszukoppeln. Zu diesem

Zweck ist im Spiegel 21 ein Schlitz 31 vorgesehen,

ist. In diesem Falle liegen sie auf einem Kreis des durch welchen der Strahl hindurchläuft, nachdem er Radius A. (v—i) Durchläufe durch das stimulierbare Medium

gemacht hat. Es versteht sich, daß, wenn gewünscht, der Strahl auch am Ende des v-ten Durchgangs ausgekoppelt werden kann oder nach irgendeiner bestimmten Anzahl Durchläufe, je nachdem welcher Verstärkungsgrad gewünscht ist.

Im allgemeinen ist der Aufbau der F i g. 1 bei dem die Spiegel unter einem Abstand d voneinander entfernt sind, einem konfokalen Resonatorsystem mit einem Spiegelabstand von ν · d äquivalent. Es ist daher ersichtlich, daß eine große Verringerung der Baulänge möglich ist, ohne daß hierdurch die Verstärkung abnimmt oder daß bei einer gegebenen Verstärkungslänge im Vergleich zu den bekannten optischen Verstärkern ein erheblicher Verstärkungszuwachs erhalten wird.

Während die Anordnung der F i g. 1 einen auf den Kreisfall ausgelegten optischen Verstärker darstellt, so kann dieser auch leicht den allgemeineren elliptischen Fällen angepaßt werden, und zwar dadurch, daß die Wände 13 und 14 einen hohlzylindrischen Ringraum mit elliptischem Querschnitt bilden. Im Grenzfall einer abgeflachten Ellipse können die Wände selbst ein Paar ebener Platten sein, wobei keine innere Wand notwendig ist. Zusätzlich hierzu können an Stelle eines Paares zylindrischer Glieder, die den ringförmigen Körper bilden, andere Anordnungen verwendet werden, z. B. eine Mehrzahl rohrförmiger Glieder, die in einem Kreis angeordnet sind.

Die Erfindung wurde im vorstehenden im Zusammenhang mit einem optischen Verstärker beschrieben. Die Prinzipien der Erfindung können jedoch auch zur Erzeugung einer Absorptionszelle, einer Verzögerungsleitung (wegen der großen Anzahl Durchläufe durch den Verstärker) oder eines optischen Senders verwendet werden. Im letzteren Falle wird der erzeugte Strahl so geführt, daß er eine Vielzahl Durchläufe durch den optischen Sender zurücklegt, so daß er seine Eintrittsstelle selbst viele Male wieder erreicht. In einem derartigen Falle tritt eine Mehrzahl von Resonanzstellen auf, im Gegensatz zu der einfachen Resonanz eines Einfachdurchlaufsystems. Diese Resonanzen liegen sehr dicht beieinander und sind in einem kleinen Aufbau recht stabil. Deshalb kann als Folge hiervon ein sehr stabiler optischer Sender erhalten werden.

Aus dem Vorherstehenden ist ersichtlich, daß die Prinzipien der Erfindung zur Erzeugung eines festen optischen Verstärkers hoher Verstärkung verwendet werden können, wobei der erhaltene Verstärkungsgrad dem eines bekannten Verstärkers erheblich größerer Länge entspricht.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Verstärker mit stimulierter Strahlung in einem hohlzylindrisch ausgebildeten selektiv fluoreszenten Medium mit einer Einrichtung zum Anregen im Innern und mit einem aus sphärischen Spiegeln gebildeten, nichtkonfokalen optischen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (29) zum außeraxialen und unter einem Winkel zur optischen Achse erfolgenden Einführen eines zu verstärkenden Lichtstrahls vorgesehen ist, so daß der Lichtstrahl innerhalb des hohlzylindrischen Mediums (16) umlaufend mehrfach an immer anderen Stellen der Spiegel reflektiert wird.

2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl an der Eintrittsstelle eine Steigung aufweist, die durch die Gleichung

definiert ist, worin x₀ die Entfernung von der optischen Achse in der x-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems und d die Entfernung zwischen den beiden Spiegeln bedeuten.

3. Optischer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärisch ausgebildeten Spiegel (19, 21) so angeordnet sind, daß die Reflexionsstellen auf jedem Spiegel durch einen Winkel 2 Θ voneinander getrennt sind, wobei sich der Winkel Θ aus der Gleichung

j
cos Θ = 1 —

2/

bestimmt, in der d die Entfernung zwischen den Spiegeln und / ihre Brennweite bedeuten.

4. Optischer Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Θ durch die Beziehung

definiert ist, worin ν eine ganze Zahl ist, die die Anzahl nichtinterferierender Durchgänge repräsentiert, die der Strahl im Resonator vor seinem Auskoppeln zurücklegen kann.

5. Optischer Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Spiegel (19,21) den gleichen Krümmungsradius hat und daß das hohlzylindrische stimulierbare Medium (16) so angeordnet ist, daß die Reflexionsstellen auf den Spiegeln auf einer Kreisbahn liegen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 152 193;
französische Patentschriften Nr. 1310592, 1326187; USA.-Patentschrift Nr. 3 055 257;
Bell System Technical Journal, März 1961, S. 453 bis 488.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen