DE1233074B - Optischer Sender oder Verstaerker mit stehenden Laengswellen - Google Patents

Description

DEUTSCHES fM PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT Deutsche Kl.: 21g-53/00

Nummer: 1233 074

Aktenzeichen: H 57560 VIII c/21 g

1233 074 Anmeldetag: 30. Oktober 1965

Auslegetag: 26. Januar 1967

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker (Laser), der mit stehenden Längswellen arbeitet, und zwar speziell einen optischen Sender mit stimulierbarem Festköφermedium, das in der Lage ist, sowohl auf einer einzigen als auch auf zwei Frequenzen zu arbeiten, wobei dann die Frequenztrennung in gewissen Grenzen steuerbar ist.

Es ist seit langem bekannt, daß übliche optische Sender mit Festkörpermedien Vorrichtungen sind, bei denen vielfältige Schwingungsfonnen (Moden) auftreten. Das Ausgangsspektrum dieser optischen Sender besteht aus mehreren Frequenzen, die Längsund Querschwingungen seines optischen Resonators entsprechen. Es wurde experimentell festgestellt, daß nicht alle im Ausgangssignal des optischen Senders vorhandenen Frequenzen gleichzeitig ausgesandt werden, sondern daß in erheblichem Umfang ein sprunghafter Wechsel zwischen verschiedenen Schwingungsformen stattfindet.

Es ist offensichtlich, daß es sehr wünschenswert ist, eine Möglichkeit zu finden, um solche sprunghaften Wechsel der Schwingungsformen unter Kontrolle zu bekommen und die Anzahl der stimulierten Schwingungsformen zu begrenzen, weil hierdurch die Möglichkeit geschaffen würde, die gesamte Strahlungsenergie des optischen Senders, die gewöhnlich auf eine große Anzahl von Schwingungsformen verteilt ist, auf eine einzige Frequenz oder zwei benachbarte Frequenzen zu begrenzen.

Weitere Vorteile von optischen Sendern mit Festkörpermedium mit einer Überwachung der Schwingungsform würden beispielsweise in ihrer Anwendung in Doppier-Ortungssystemen bestehen, in denen ein sehr stabiles Ausgangssignal hoher Leistung nur einer Frequenz benötigt wird. Auch ein System mit zwei Frequenzen mit genau bestimmtem Abstand wäre in Doppier-Ortungssystemen sehr von Vorteil, da die zweite Frequenz ein zusätzliches Ausgangssignal bildet, das zur Überlagerung geeignet ist, so daß übliche Zwischenfrequenz-Verstärker-Schaltungen benutzt werden können.

Im Gegensatz zu optischen Festkörpersendern kann ein optischer Sender mit einem gasförmigen Medium leicht in nur einer Schwingungsform betrieben werden, jedoch hat das gasförmige Medium den Nachteil, daß es nur eine geringe Leistung abzugeben gestattet.

Es wurde kürzlich im Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 8, August 1963, S. 2289 bis 2295, die Hypothese vorgeschlagen, daß die Anwesenheit von mehreren Längsschwingungsformen in gewissen optischen Sendern beispielsweise mit Rubinmedien Optischer Sender oder Verstärker mit stehenden
Längswellen

Anmelder:

Hughes Aircraft Company,
Culver City, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:
Dipl.-Phys. R. Köhler

und Dipl.-Phys. Η. Schwindling, Patentanwälte,
Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:
Viktor Evtuhov,

Pacific Palisades, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. November 1964
(408 812)

a5 ebenso wie die Erscheinung des Springens der Frequenz einem Mangel an genügend schneller räumlicher Relaxation der Inversion der Besetzungsdichte innerhalb des aktiven Bereiches des stimulierbaren Kristalls zuzuschreiben ist. Zum Beweis dieser Hypothese durchgeführte Versuche wurden in Applied Physics Letters, Bd. 2, Nr. 11, 1. Juni 1963, S. 222 bis 224, veröffentlicht. In dieser Hypothese wird angenommen, daß bei einem optischen Sender mit einem Festkörpermedium, insbesondere mit einem Rubin, der in einem üblichen optischen Resonator in einer gewissen Weise schwingt, die angeregten Ionen an den Schwingungsbäuchen dieser Schwingungsform in den Zustand thermischen Gleichgewichts zurückfallen, jedoch an den Stellen der Schwingungsknoten im angeregten Zustand verbleiben. Daher tritt eine räumliche Modulation entsprechend der Umkehr der Besetzungsverteilung auf. Wegen des Fehlens einer räumlichen Relaxation bleibt diese Modulation lange genug erhalten, so daß der optische Sender bestrebt ist, die Schwingungsfrequenz zugunsten einer Welle zu ändern, bei der wenigstens einige der Schwingungsbäuche sich an Stellen befinden, wo ein Maximum der Umkehr der Besetzungsverteilung herrscht. Die Wiederholung dieses Vorganges und die Wechselwirkung mit anderen Faktoren, wie der Anregung des Mediums, durch die die Umkehr der Besetzungsverteilung

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wiederhergestellt werden soll, werden für das Springen der Frequenz und das Erscheinen von mehreren Längswellenformen im Ausgangsspektrum verantwortlich gehalten.

Der obenerwähnte Aufsatz in »Applied Physics Letters« beschreibt einen optischen Sender, der keine durch stehende Wellen gebildete Schwingungsformen aufweist und bei dem daher keine Modulation der Umkehr der Besetzungsverteilung und daher auch kein damit zusammenhängendes Springen der Frequenz oder der Schwingungsform stattfindet. Die beschriebene Vorrichtung ist ziemlich kompliziert, denn sie erfordert viele optische Bauteile, darunter auch einen optischen Gleichrichter, das ist eine nichtreziproke Anordnung, die nur in einer Richtung für das Licht durchlässig, in der anderen Richtung jedoch für das Licht undurchlässig ist. Dieser optische Sender erfordert infolgedessen einen sehr langen optischen Resonator, um alle diese Bauteile unterzubringen, und es sind infolgedessen die Eigenfrequenzen dieses optischen Resonators, die vor der Einschaltung des optischen Gleichrichters möglich sind, einander sehr dicht benachbart. Dies bedeutet, daß die Resonanzgüte für jede dieser Frequenzen annähernd die gleiche ist. Das macht es schwierig, alle Frequenzen, ausgenommen die eine oder die beiden gewünschten Frequenzen, zu unterdrücken, insbesondere unter vorübergehenden Bedingungen und bei niederen Temperaturen. (Vergleiche hierzu »Spectral Properties of a Single Mode Ruby Laser: Evidence of Homogeneous Broadening of the Zero-Phonon Lines in Solids« in Physical Review, Bd. 136, Nr. 1 A, 5. Oktober 1964, S. Al bis A8.)

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß ein erheblicher Bedarf an einer einfachen Anordnung besteht, die eine wirksame Überwachung der Längswellen und einen Betrieb auf einer Einzel- oder Doppelfrequenz-Längswellenform ermöglicht. Von besonderem Vorteil wäre es, wenn dabei das Prinzip einfacher stehender Wellen in einem kurzen optischen Resonator üblicher optischer Sender beibehalten werden könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen optischen Sender oder Verstärker für kohärentes Licht mit einem festen Körper als stimulierbarem Medium innerhalb eines optischen Resonators, mit einer Strahlungsquelle zur Umkehr seiner Besetzungsverteilung und mit Mitteln, die die Ausbildung einer einzigen Schwingungsform begünstigen, zu schaffen. Der erfindungsgemäße optische Sender oder Verstärker ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck einer geometrisch ausgeglichenen Rückkehr der .angeregten Ionen über die Länge des stimulierbaren Mediums in den thermischen Gleichgewichtszustand ein stimulierbares Medium vorgesehen ist, das in einer zur Längsachse des optischen Resonators senkrecht stehenden Ebene keine bevorzugte Polarisationsachse hat, daß das erzeugte kohärente Licht auf der Längsachse des optischen Resonators in stehenden Wellen verteilt ist, von denen eine in das ausgeprägte Optimum der Güte des optischen Resonators fällt und außerdem zwei orthogonale Polarisationskomponenten derart aufweist, daß die innerhalb des optischen Resonators angeordneten doppelbrechenden Mittel die Komponenten mit orthogonaler Polarisation längs der Achse des optischen Resonators um ein Viertel ihrer Wellenlänge gegeneinander verschieben. Mit anderen Worten: Das

stimulierbare Medium ist mithin isotrop oder einachsig. Im Fall seiner Einachsigkeit ist seine Achse auf die Achse des optischen Resonators ausgerichtet. Das stimulierbare Medium erzeugt dann längs der genannten Längsachse kohärentes Licht. Dieses Licht ist auf der Längsachse in stehenden Wellen verteilt, von denen jede einer anderen Wellenlänge entspricht. Für eine dieser stehenden Wellen mit ihren zwei orthogonalen Polarisationskomponenten ist die Resonatorgüte des optischen Resonators größer als für die anderen Wellen.

Der optische Sender enthält außerdem doppelbrechende Mittel, die innerhalb des optischen Resonators angeordnet sind und dazu dienen, die obengenannten Komponenten mit orthogonaler Polarisation längs der Achse des Resonators um ein Viertel ihrer Wellenlänge zu verschieben.

Durch die Erfindung wird auf einfache Weise erreicht, daß die aktiven Ionen des stimulierbaren Kristallmediums gleichförmig und gleichzeitig durch die Felder stehender Wellen einer bestimmten Anzahl von Frequenzen und insbesondere einer einzigen Frequenz auf den Besetzungszustand der thermischen Gleichgewichts zurückgeführt werden können. Auf diese Weise kann das Ausgangsspektrum beeinflußt und speziell die Anzahl der Längswellen auf eins beschränkt werden. Die Erfindung ist ganz besonders dazu geeignet, in Verbindung mit Methoden zur Auswahl von Transversalschwingungsformen verwendet zu werden. Sie führt dann auf einen echten Einwellen-Betrieb.

Durch die Erfindung wird demnach ein optischer Sender mit Festkörpermedium geschaffen, dessen Ausgangssignal auf eine einzige Längsschwingungsform zurückgeht. Da hierbei die Energie, die gewöhnlich auf eine große Anzahl von Längsschwingungsformen verteilt ist, in der einzigen Längsschwingungsform konzentriert wird, wird durch die Erfindung ein stabiles Ausgangssignal hoher Leistung erzielt. Es ist aber auch möglich, nach der Erfindung einen optischen Sender mit Festkörpermedium zu schaffen, der auf zwei Frequenzen arbeitet und bei dem der Frequenzabstand innerhalb gewisser Grenzen steuerbar ist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der gewünschten Feldverteilung beim Betrieb mit einer einzigen Längsschwingungsform,

Fig. 2 einen zur Erzeugung der Feldverteilung nach F i g. 1 ausgebildeten optischen Resonator, der

von -r-Plättchen Gebrauch macht,
4

Fig. 3 einen zur Erzeugung der Feldverteilung nach F i g. 1 ausgebildeten optischen Resonator, der von Wollaston-Prismen Gebrauch macht, und

F i g. 4 einen optischen Resonator, der von Polarisatoren zwischen doppelbrechenden Platten und den zugeordneten Spiegeln Gebrauch macht.

Wie oben ausgeführt, hat die Erfindung zum Ziel, eine geometrisch gleichförmige und gleichzeitige Rückkehr der überbesetzten Ionen eines stimulierbaren Kristalls nach der Anregung zum thermischen Gleichgewichtszustand durch die Felder von stehenden Wellen mit einer ausgewählten Anzahl von Fre-

quenzen zu bewirken, um hierdurch das Ausgangsspektrum so abzuändern, daß die Anzahl der Längsschwingungen beschränkt werden kann. Die folgenden Ausführungen bieten zunächst die Prinzipien und Techniken, die dazu dienen, einen Betrieb mit einer einzigen Längsschwingung zu erhalten. Anschließend werden dann verschiedene Modifikationen behandelt.

Die Intensitätsverteilung in einer stehenden Welle auf der Längsachse eines optischen Resonators ist

sin²—τ— proportional, worin λ die Wellenlänge der

Strahlung dieser Schwingung und ζ der Abstand auf der Achse des Resonators ist. Unter der Annahme, daß keine räumliche Relaxation stattfindet, wird die Verteilung der Umkehr der Besetzungsverteilung nach der Schwingung in der einen Schwingungsform ¹Z τι ζ

cos²-^— .Wie oben beschrieben, führt diese Besetzung zu einer Schwingung in einer anderen Längsschwingungsform. Wenn dagegen zwei stehende Wellen der gleichen Frequenz gleichzeitig angefacht werden, deren Intensitätsverteilung Sin ²--^und cos²-^^ proportional ist, wird die Rückkehr der angeregten Elektronen in den Normalzustand gleichförmig, weil

snr

Itiz Itiz —, h cos²—~—

= 1

ist und daher keine Modulation durch die umgekehrte Besetzungsverteilung stattfinden kann. Infolgedessen kann unter diesen Umständen auch kein Springen der Frequenz erfolgen.

Die obengenannte, gewünschte Intensitätsverteilung kann erzeugt werden, indem im optischen Resonator Licht verwendet wird, das verschieden polarisiert ist. Es genügt dann, die stehenden Wellen gleicher Frequenz, die durch die beiden Polarisationen

gebildet werden, gegeneinander um zu verschieben.

Dies ist, ausschließlich zum Zweck der Erläuterung, in Fig. 1 veranschaulicht, in der eine in einer bestimmten Richtung polarisierte stehende Welle durch die ausgezogene Linie 7 und eine stehende Welle mit

einer anderen Polarisation, die um phasenverschoben ist, durch eine gestrichelte Linie 9 angedeutet ist. Der optische Resonator 11, in dem die stehenden Wellen 7 und 9 angefacht sind, umfaßt Spiegel 13, die an den Enden eines Körpers aus einem stimulierbaren Medium, beispielsweise an einem Rubinstab 15, angebracht sind, der eine Längsachse 17 aufweist. Der Rubinstab 15 wird durch übliche Mittel in einen überbesetzten Zustand angeregt, beispielsweise durch eine Blitzlampe 18. Es sei erwähnt, daß die Verstärkung in dem stimulierharen Medium für die beiden Polarisationen 7 und 9 praktisch gleich sein und für beide stehenden Wellen der Schwellenwert zur gleichen Zeit erreicht werden muß, um in diesem Fall eine gleichförmige Rückkehr der angeregten Elektronen in den Ruhezustand zu erzielen. Im Fall eines Rubins erfordert dies, daß die c-Achse des Rubinkristalls mit der Achse 17 des Stabes 15 zusammenfällt. Um die Pha-λ

senverschiebung von im gesamten Medium aufrechtzuerhalten, muß der Kristall eine genügend hohe optische Qualität haben, so daß die Länge des optischen Weges für beide Polarisationen 7 und 9 gleich ist.

Es gibt viele Möglichkeiten, um die erforderliche Phasenverschiebung zu bewirken. Eine hierzu geeignete Anordnung umfaßt einen Rubinstab 21 der

Länge/, auf dessen Enden zwei-^--Plättchen 23 und 25 aus einem doppelbrechenden Material, beispielsweise aus Saphir oder Quarz, vorzugsweise mit Butyl-

methacrylat .aufgekittet sind. Die beiden ^--Plättchen

ίο 23 und 25 sind in ihrer Orientierung um 90° gegeneinander versetzt. Die Enden des derart zusammengesetzten Stabes 27 sind auf übliche Weise verspiegelt, beispielsweise mit aufgedampften Silberspiegeln 29. Selbstverständlich könnten stattdessen auch davon getrennte Spiegel zur Herstellung des optischen Resonators mit gleichem Erfolg benutzt werden. Der zusammengesetzte Stab 27 wird in üblicher Weise angeregt.

Die Vorgänge in dem Stab 27 ergeben sich aus den folgenden einfachen Betrachtungen. Unter der An-

zo nähme, daß der Stab 21 aus einem stimulierbaren Medium für jede Polarisation den Brechungsindex η und die -Plättchen 23 und 25 den Brechungsindex η für die eine Polarisation und den Brechungsindex n" für die andere Polarisation aufweisen, dann ist die Länge des optischen Weges für die beiden Polarisationen

L₁ = n'a + nl + n"b, L₂ = n"a -\- nl-\- n'b .

Sind die—Plättchen 23 und 25 gleich dick, ist also

a = b, so ist auch L₁ = L₂, und die beiden Polarisationen haben Längsschwingungsformen mit genau übereinstimmendem Verlauf. Infolgedessen finden in beiden Polarisationen Schwingungen mit der gleichen Frequenz statt, nämlich mit der Frequenz der Längsschwingung, die dem Zentrum der Fluoreszenzlinie am nächsten ist. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationen ist

ΔΘ

2π

Wenn («'—η")α—{2τη+1)-^, wobei m eine ganze Zahl ist, dann ist Δ Θ — (2 m + 1) , und es sind die

beiden stehenden Wellen wie gewünscht um ±90° außer Phase.

Es ist wünschenswert, wenn auch nicht erforderlieh, das doppelbrechende Material für die -^--Plättchen 23 und 25 so zu wählen, daß n' und n" dem Wert von η sehr nahe sind. Auf diese Weise werden Verluste an den Grenzflächen auf ein Minimum reduziert. Deshalb ist es bei der Verwendung von Rubin für den Stab 21 vorteilhaft, als Material für die λ

^--Plättchen 23 und 25 Saphir zu verwenden. Ebenso kann es wünschenswert sein, wenn es auch nicht erforderlich ist, die doppelbrechenden Platten 23 und 25 ebenfalls zur Verminderung der Verluste mit dem Stab 21 in optischen Kontakt zu bringen.

Bei einem optischen Sender nach F i g. 2 wurde der

stimulierbare Stab 21 von einem O⁰-Rubinstab von 25,4 mm Länge und 3 mm Durchmesser gebildet. Die

-^--Plättchen 23 und 25 bestanden aus Saphir und hatten beide die gleiche Dicke von etwa 0,15 mm. Die

Silberspiegel 29 wurden durch unmittelbar auf die Plättchen 23 und 25 aufgedampftes Silber gebildet. Einer der Spiegel hatte eine Durchlässigkeit von mindestens 1%. ZurAnregung diente ein doppelter elliptischer Zylinderspiegel, dessen elliptische Zylinder eine Brennlinie gemeinsam hatten. Der polierte Spiegel hatte eine Länge von 50,8 mm. Der Rubinstab 21 war in der gemeinsamen Brennlinie angeordnet. In den anderen Brennlinien befand sich je eine Blitzlampe. Die Ellipsen hatten eine große Halbachse von 19,05 mm Länge und jeweils eine Exzentrizität von 0,33. AlsBlitzlampen fanden zwei geradlinige Xenon-Blitzlampen Verwendung. Jede hatte einen Durchmesser von 5 mm und eine ausnutzbare Länge von 50,8 mm. Die Blitzlampen wurden von einem üblichen, eine Laufzeitkette aufweisenden Blitzgerät gespeist, das eine Energie von etwa 150 Joule liefert.

Es kann in manchen Fällen erwünscht sein, eine Möglichkeit zum Verdrehen des Stabes 21 um seine Längsachse zu haben, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Dies ist durch jedem einzelnen Rubinstab innewohnende Eigenschaften bedingt. Wie bereits oben erwähnt, kann es weiterhin wünschenswert sein, zusätzlich eine Technik zur Auswahl von Transversalschwingungen zu benutzen.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird von einem stimulierbaren Rubinstab 31 Gebrauch gemacht. An jedem Ende des Stabes 31 ist eine Vorrichtung zur Trennung der Strahlen verschiedener Polarisation vorgesehen, nämlich je ein Wollaston-Prisma 33 und 35. Diese Prismen 33 und 35 sind in einem gewissen Abstand von Stab 31 dargestellt, können jedoch auch den Stab berühren. Jenseits jeder der beiden Prismen 33 und 35 befindet sich ein Satz von Spiegeln 37 und 39, die in einem gewissen Winkel Θ zur Längsachse 36 des Rubinstabes 31 angeordnet sind. Die beiden durch Linien 40 und 41 dargestellten Polarisationen breiten sich innerhalb des Stabes 31 aus. Diese Polarisationen werden von den Wollaston-Prismen 33 und 35, die auch durch andere gleichartige Anordnungen ersetzt werden könnten, getrennt, und es ist für jede Polarisation ein Spiegelsatz 37 bzw. 39 vorgesehen. Zur Beeinflussung der Längswellen ist die Länge des optischen Weges zwischen den Spiegeln des einen Satzes in bezug auf die Spiegel des anderen Satzes so justiert, daß sich innerhalb des stimulierbaren Rubinstabes 31 die in F i g. 1 dargestellte Feldverteilung ergibt. Die Stellung der Spiegel 37 und 39 kann berechnet werden, indem die Längen der optischen Wege für die beiden Polarisationen unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der verschiedenen in dem optischen Resonator vorhandenen Werkstoffe beachtet werden. Die Endjustierung kann beispielsweise unter Beobachtung des Ausgangsspektrums des optischen Senders durch ein Fabry-Perot-Interferometer gemacht werden. Es ist zu beachten, daß F i g. 3 nur eine schematische Darstellung zeigt und die in dieser Figur gezeigte Aufspaltung der Polarisationen nur dem Zweck der Erläuterung dient.

Es ist offensichtlich, daß die vorstehend beschriebene Methode auch dazu benutzt werden kann, Schwingungen auf zwei nahe benachbarten Frequenzen zu erzeugen. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Länge der optischen Wege für die beiden Polarisationen leicht unterschiedlich zu machen. Hierdurch werden die Spektren der Längsschwingungen der bei-

den Polarisationen leicht gegeneinander verschoben. Die beiden Frequenzen, nämlich eine für jede Polarisation, die der Mitte der Fluoreszenzlinie am nächsten sind, sind diejenigen, die mit größter Wahrscheinlichkeit schwingen. Allerdings wird die Rückkehr der Elektronen der angeregten Ionen in den Grundzustand räumlich nicht so gleichförmig erfolgen wie im Fall einer vollständigen Übereinstimmung der Frequenzen der beiden Polarisationen, jedoch

ίο kann die Lage der wirksamsten Rückkehr in den thermischen Gleichgewichtszustand bestimmt werden, indem die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationen verändert wird. Dies kann wiederum durch eine entsprechende Bemessung der optisehen Dicke der beiden doppelbrechenden Platten 23 und 25 bei der Ausführungsform nach F i g. 2 erfolgen. Auf diese Weise kann eine genügend gleichförmige Rückkehr der Elektronen in den thermischen Gleichgewichtszustand erzielt werden, um ein Schwingen des optischen Senders auf anderen als den gewünschten beiden Frequenzen zu verhindern.

Die oben behandelten doppelbrechenden Platten 23 und 25 können durch ein Material mit variabler Doppelbrechung ersetzt werden, beispielsweise durch solche elektro-optischen Werkstoffe, wie sie in Kerrzellen Verwendung finden. Dann ist es möglich, von einem Mehrwellen-Betrieb auf einen Zweiwellen- oder Einwellen-Betrieb umzuschalten oder stetig überzugehen. Auch kann die Differenzfrequenz zwischen zwei Polarisationen prinzipiell auf jeden Wert innerhalb des Abstandes zwischen Longitudinalschwmgungen einer Polarisation eingestellt werden. Weiterhin ist auch eine sehr schnelle Modulation der Differenzfrequenz möglich.

Die Vorrichtung zur Überwachung des Längsschwingungs-Spektrums des oben an Hand Fig. 2 beschriebenen optischen Senders mit Festkörpermedium hängt von der gleichen Anregung zweier orthogonaler Polarisationen längs der Achse des doppelbrechenden Materials ab, das zur Verschiebung

der Polarisationen um — dient. Wenn diese gleichmäßige Anregung auch von Natur aus auftreten kann, kann es wünschenswert sein, diese Art der Anregung zu erzwingen, indem zwischen die doppelbrechenden Platten und die Spiegel des Resonators Polarisatoren eingesetzt werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn der als stimulierbares Medium dienende Kristall Fehlstellen aufweist. Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 enthält der optische Resonator 42 eines optischen Senders einen Rubinstab 43, an des- λ

sen Enden —Plättchen 45 und 47 angeordnet sind.

Diese Plättchen 45 und 47 haben je orthogonale ß- und -/-Achsen. Eine in Richtung der /S-Achse polarisierte Welle breitet sich in dem Plättchen schneller aus als eine in Richtung der y-Achse polarisierte

Welle. Zwischen den -^-Plättchen 45 und 47 und 4

gleichartig ausgebildeten Spiegeln 59 sind Polarisatoren 53 und 55 angeordnet, deren Polarisationsachsen 57 gegenüber den ß- und y-Achsen der doppelbrechenden 4-Plättchen 45 und 47 um 45° verdreht 4

sind. Die Polarisatoren 53 und 55 bewirken, daß die Polarisationsebene des Lichtes an den Spiegeln 59 in bezug auf die Achsen β und γ der Plättchen 45 und 47 um 45° verdreht ist. Diese Polarisation kann in

Claims (6)

zwei nicht näher dargestellte Komponenten gleicher Amplitude längs der Achsen β und γ aufgespalten werden. Prinzipiell kann jede Art eines Polarisators bei dieser Vorrichtung benutzt werden, jedoch haben gewöhnliche dichroitische Materialien gewöhnlich S hohe Verluste und machen es schwierig, den Schwellenwert der selektiven Fluoreszenz zu erreichen. Aus diesem Grunde kann es erforderlich sein, Polarisationsprismen hoher optischer Qualität zu benutzen. Wie Fig. 4 zeigt, liegt die /J-Achse der einen Platte in der gleichen Ebene wie die y-Achse der anderen Platte. Wenn jedoch die Beziehungen zwischen den einander zugeordneten Platten und Polarisatoren aufrechterhalten werden, braucht nicht notwendig die /J-Achse der einen Platte in der gleichen Ebene zu liegen wie die y-Ach'se der anderen Platte. Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß durch die Erfindung ein optischer Sender mit überwachten Längsschwingungen geschaffen wird, bei dem die Ionen als der aktive Bereich des stimulierbaren Kristalls gleichförmig und gleichzeitig durch die Felder stehender Wellen mit einer bestimmten Anzahl von Frequenzen in den thermischen Gleichgewichtszustand übergeführt werden, so daß die Anzahl der Längsschwingungen nach Wunsch auf eine einzige Schwingungsform oder mehrere Schwingungsformen reduziert wird. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern Abweichungen davon möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise als stimulierbares Medium des optischen Senders jedes beliebige stimulierbare Medium verwendet werden. Weiterhin können die Abstände der verschiedenen optischen Bauteile, die zu beiden Seiten des stimulierbaren Stabes angeordnet sind, von diesem Stab andere als die dargestellten Abstände haben. Es sei weiterhin erwähnt, daß die Darstellungen in der Zeichnung nicht maßstäblich sind und die daraus ersichtlichen Abmessungen der einzelnen Bauteile und ihre Abstände ohne jede Bedeutung sind. Wie oben erwähnt, können die beschriebenen Bauteile auch durch andere in ihrer Funktion gleichartige Bauteile ersetzt werden. Weiterhin können auch bei von den dargestellten Ausführungsbeispielen abwei- 4g chenden Ausführungsformen der Erfindung nur einzelne der Erfindungsmerkmale für sich oder mehrere in beliebiger Kombination Anwendung finden. Patentansprüche:

1. OptischerSender oder Verstärker mit stehenden Längswellen für kohärentes Licht mit einem festen Körper als stimulierbarem Medium innerhalb eines optischen Resonators mit einer Strahlungsquelle zur Umkehr seiner Besetzungsverteilung und mit Mitteln, die die Ausbildung einer einzigen Schwingungsform begünstigen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck einer geometrisch ausgeglichenen Rückkehr der angeregten Ionen über die Länge des stimulierbaren Mediums in den thermischen Gleichgewichtszustand das stimulierbare Medium (43) in einer zur Längsachse des optischen Resonators (42) senkrecht stehenden Ebene keine bevorzugte Polarisationsachse aufweist und daß das erzeugte kohärente Licht auf der Längsachse des optischen

50 Resonators in stehenden Wellen verteilt ist, von denen eine in das ausgeprägte Optimum der Güte des optischen Resonators fällt und außerdem zwei orthogonale Polarisationskomponenten derart aufweist, daß die innerhalb des optischen Resonators angeordneten doppelbrechenden Mittel (45 und 47) die Komponenten mit orthogonaler Polarisation längs der Achse des optischen Resonators um ein Viertel ihrer Wellenlänge gegeneinander verschieben.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium (43) die Form eines Stabes aufweist und die dop-

pelbrechenden Mittel aus—Plättchen (45 und 47)

bestehen, von denen je eines an einem Ende des Stabes (43) angeordnet ist.

3. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (43)

aus Rubin und die -^Plättchen (45 und 47) aus Saphir bestehen.

4. Optischer Sender nach Anspruch 2 oder 3,

daß jedes der — Plätt-

dadurch gekennzeichnet,

chen (45 und 47) senkrecht aufeinanderstehende ß- und 7-Achsen aufweist und daß zwischen jedem der Plättchen und ihnen zugeordneten Spiegeln (59) ein Polarisationsmedium (53 bzw. 55) im wesentlich senkrecht und symmetrisch zum Strahl des kohärenten Lichtes derart angeordnet ist, daß die Polarisationsachsen (57) der Polarisationsmedien mit der ß- und der y-Achse einen Winkel von 45° bilden.

5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet, daß die/S-Achse des einen -^- Plättchens (45) in der gleichen Ebene angeordnet ist wie die y-Achse des anderen —Plättchens (47).

6. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium einen Stab (31) bildet und an jedem Ende des Stabes im Wege des kohärenten Lichtes ein Wollaston-Prisma (33 und 35) angeordnet ist, das das aus dem entsprechenden Ende des Stabes austretende Licht auf zwei verschiedene Wege (40 und 41) aufteilt, und daß der optische Resonator vier Spiegel (37 und 39) aufweist, von denen je einer senkrecht zum Lichtstrahl in einem der beiden Wege der beiden Wegpaare angeordnet ist, so daß je ein Paar an den beiden Enden des Stabes vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Applied Physics, Bd. 34, Nr. 8, 1963, S. 2289 bis 2297;

Applied Physics Letters, Bd. 2, Nr. 11, 1963, S.222 bis 224;

Physical Review, Bd. 136, Nr. 1A, 1964, S. Al bis A8;

Zeitschrift für angewandte Physik, Bd. 17, Nr. 1 vom 12. 2.1964, S. 1 bis 6;

Applied Optics, Bd. 3, Nr. 2, Februar 1964, S. 277 bis 279, insbesondere Fig. 3; Bd. 3, Nr. 4, April 1964, S. 517 bis 521, insbesondere S. 518.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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