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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur inneren Modulation der Strahlung
eines quantenmechanischen Senders sowie spezielle Modulations- und Auskoppelglieder,
mit denen eine solche Anordnung besonders vorteilhaft aufgebaut werden kann.
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Unter einem quantenmechanischen Sender ist hier eine Anordnung zu
verstehen, in der nach dem Prinzip der stimulierten Emission elektromagnetische
Strahlung erzeugt und verstärkt wird und die im angelsächsischen Schrifttum als
»Maser« bzw. als »Laser« bezeichnet wird.
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Aus »Zeitschrift für Physik«, Bd. 172, S. 163 bis 171 (1963), ist
eine Modulationsart eines derartigen Senders bekannt, die, weil die Modulation bereits
in dem Resonator des Senders vorgenommen wird, als »Innere Modulation« bezeichnet
worden ist. Bei innerer Modulation tritt im Gegensatz zur äußeren Modulation, bei
der aus einem Sender ausgetretene Strahlung moduliert wird, bereits aus dem System
für die Erzeugung und Verstärkung der Strahlung ein Anteil derselben moduliert aus.
Bei den genannten, bekannten Anordnungen zur inneren Modulation wird die Güte des
Resonators im Takt der Modulation verändert, wodurch eine Modulation der Höhe der
im Resonator gespeicherten Energie bewirkt wird. Von dieser nicht konstanten gespeicherten
Strahlungsenergie wird ein stets konstanter Anteil aus dem Resonator ausgekoppelt,
der demgemäß einen Modulationsgrad aufweist, der gleich dem Modulationsgrad der
im Resonator verlaufenden Strahlung am Ort der Auskopplung ist.
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Wie im französischen Patent 1306 777 beschrieben, kann eine innere
Modulation dieser Art insbesondere auch so betrieben werden, daß während der Zuführung
von Pumpenergie zunächst die Güte des Resonators auf einem so niedrigen Wert gehalten
wird, daß noch keinerlei Selbsterregung, d. h. Erzeugung stimulierter Strahlung
eintreten kann. Erst wenn ein bestimmter hoher Grad der Umbesetzung des stirnulierbaren
Mediums erreicht ist, wird nach der Lehre des französischen Patents die Güte des
Resonators ohne Zwischenstufe möglichst hoch gemacht, so daß nunmehr kurzzeitig
Selbsterregung eintritt und damit ein Strahlungsimpuls erzeugt wird.
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Die zugehörige Anordnung ist so ausgebildet, daß von der für einen
kurzen Zeitraum erzeugten Strahlung ein stets konstanter Anteil der im Augenblick
im Resonator verlaufenden Strahlungsenergie mittels einer mehr oder weniger stark
reflektierenden Fläche im Strahlengang aus dem Resonator ausgekoppelt wird.
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Auch bei der Lehre nach der französischen Patentschrift 1306 777 wird
also ein stets konstanter Anteil der im Resonator befindlichen nicht konstanten
Strahlungsenergie ausgekoppelt.
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Gegenüber Anordnungen mit äußerer Modulation haben die Anordnungen
mit innerer Modulation im allgemeinen den Vorzug, daß sie insbesondere auch noch
bei höheren Modulationsfrequenzen nur mäßig hohe Modulationsleistung erfordern.
Die bekannten Anordnungen mit innerer Modulation haben allerdings gegenüber der
äußeren Modulation den Nachteil, daß die maximale Höhe der möglichen Modulationsfrequenzen
bei vergleichbar großem Modulationsgrad, abgesehen von einem Sonderfall für sehr
kleine Bandbreite, wie er schon in der früheren Patentanmeldung P 14 39157.2 vom
6. 7. 1962 vorgeschlagen ist, durch die Güte des Resonators begrenzt ist und daß
die Inkonstanz der dort jeweils im Augenblick gespeicherten Strahlungsenergie Verzerrungen
der Modulation bewirkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Möglichkeiten zur Modulation
nach dem Prinzip der stimulierten Emission erzeugter und verstärkter Strahlung anzugeben,
bei denen die Vorteile der äußeren Modulation, nämlich mit hohen Frequenzen und
größeren Bandbreiten modulieren zu können, mit denen der inneren Modulation, nämlich
sogar noch bei hohen Modulationsgraden nur relativ geringe Modulationsleistung zu
benötigen, zusammentreffen, und zwar ohne daß die genannten Nachteile der bekannten
Modulationsarten eintreten.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß innerhalb des Resonators des
quantenmechanischen Senders mindestens zwei im Gegentakt modulierbare Modulationsglieder
wirksam sind, die zugleich die Auskopplung bewirken können oder die mit mindestens
einem Auskoppelglied zusammenwirken und die so betrieben werden, daß bezüglich der
Wechselkomponente gegensinnig modulierte Anteile der im Resonator befindlichen Strahlungsenergie
voneinander getrennt ausgekoppelt werden, wobei die Summe der Intensitäten der Wechselkomponenten
der ausgekoppelten Anteile stets einen konstanten Betrag annimmt, d. h. die Güte
des Resonators trotz der Auskopplung modulierter Strahlung praktisch konstant bleibt.
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Für vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zu verwendende, ganz
besondere Modulations- und Auskoppelvorrichtungen werden in ihren technischen Einzelheiten
im Zusammenhang mit besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen noch eingehend beschrieben.
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Das Betriebsverfahren einer der Erfindung gemäßen Anordnung wird als
»innere Gegentaktmodulation« oder kürzer als »Gegentaktmodulation« bezeichnet. Im
Gegensatz zu den bekannten Arten der inneren Modulation wirkt sich die Gegentaktmodulation
erfindungsgemäß so aus, daß die im Resonator enthaltene Intensität der Strahlung,
selbstverständlich abgesehen von Einschwingvorgängen und ähnlichen Prozessen, konstanten
Wert hat, d. h. einen Wert hat, der nicht im Takt der Modulation schwankt.
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Unter Resonator ist der Teil des quantenmechanischen Senders zu verstehen,
in dem die stimulierte Strahlung hin- und herläuft bzw. umläuft. Zum Resonator gehören
im Sinne der Erfindung auch die Begrenzungen des Resonators, so z. B. die den Resonator
begrenzenden spiegelnden Reflexionseinrichtungen.
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Zu der Erfindung führten die folgenden überlegungen: Eine Konstanthaltung
der Intensität der im quantenmechanischen Sender befindlichen Strahlung entspricht
einer konstanten Güte seines Resonators, wodurch also eine - wie obenerwähnte -
Begrenzung der maximalen Frequenz der Modulation durch die Resonatorgüte nicht mehr
gegeben ist. Eine Begrenzung ist in erster Linie nur noch durch das Modulationsglied
selbst und durch den Aufbau des Senders gegeben. Dessen maximal mögliche Modulationsfrequenz
kann, wie z. B. aus der Beschreibung der Figuren näher hervorgeht, jedoch bei entsprechender
Ausführung sehr groß gemacht werden, etwa im Bereich von GHz liegen.
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Die innere Gegentaktmodulation der im Sender verlaufenden Strahlung
wird z. B. durch die Gegentaktsteuerung von zwei oder entsprechend mehreren
Modulations-
und Auskoppelgliedern, etwa durch je eine an den beiden Enden des Resonators befindliche,
in ihrem Reflexionsvermögen modulierbare Reflexionseinrichtung erreicht. An Stelle
von Modulations- und Auskoppelgliedern können zum Teil auch Einrichtungen verwendet
werden, die auf die im Resonator verlaufende Strahlung dämpfend wirken und die in
dem Gegentakt entsprechendem Maße moduliert werden.
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Für den Aufbau einer Anordnung zur modulierbaren Auskopplung von Strahlung
eines quantenmechanischen Senders eignen sich beispielsweise in ihrem Reflexionsvermögen
modulierbare Spiegelflächen bzw. -anordnungen, die in dem jeweiligen Frequenzbereich
der Strahlung ausreichend hohes Reflexionsvermögen haben, d. h. eine für die selbsterregte
stimulierte Emission ausreichend hohe Güte des Resonators gewährleisten, sowie aber
auch andere modulierbare Einrichtungen, die es ermöglichen, einen Teil der im Resonator
befindlichen Strahlungsintensität als modulierten Strahl aus dem Sender auszukoppeln,
so z. B. Kombinationen aus steuerbar doppelbrechenden Vorrichtungen und Analysatoren.
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Weitere Einzelheiten erfindungsgemäßer Anordnungen gehen aus der Beschreibung
und den Figuren der folgenden bevorzugten Ausführungsbeispiele hervor. Diese zeichnen
sich insbesondere durch einen einfachen Aufbau aus und bewirken gegenüber dem maximal
möglichen Gütewert bei einem entsprechenden Sender ohne Modulationseinrichtungen
keine oder nur geringe Verkleinerung des Gütefaktors seines Resonators.
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In F i g. 1 stellt 1 den eigentlichen verstärkungsaktiven Teil, beispielsweise
einen stabförmigen Einkristall, etwa einen Rubin oder auch ein mit einem oder mehreren
verstärkungsaktiv wirkenden Gasen gefülltes Rohr, dar. 1 kann auch ein Halbleiterkörper
mit einem pn-Übergang sein, der bei entsprechender Materialauswahl und Dimensionierung
bekanntlich ebenfalls als ein solches Material verwendet werden kann.
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Üblicherweise wird dieser verstärkungsaktive Teil zwischen zwei Reflexionsflächen
1 und 2' so angeordnet, daß sich stehende Wellen der Strahlung wie in einem Resonator
ausbilden können. 2 und 2' sind hier teildurchlässig für die Strahlung, so daß ein
Anteil der Strahlung 3 hindurchtreten kann.
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Gemäß der Erfindung sind nun auf beiden Seiten der Anordnung 1, 2,
2' weitere für die Strahlung teildurchlässige Reflexionsflächen 4, 4' angeordnet,
wobei sich jeweils zwischen 2 und 4 bzw. 2' und 4' die eigentlichen, noch näher
zu beschreibenden Modulationsglieder 5 und 5' befinden. 2 bzw. 2' sind, außer für
Strahlung aus 1, auch für Strahlung von 4 bzw. 4' her kommend, reflektierend. Diese
Anordnungen, welche aus 2, 4 und 5 bzw. 2', 4' und 5' bestehen, wirken wegen der
Modulationsglieder 5 und 5' als in ihrem Reflexionsvermögen modulierbare Interferenzspiegel
für die Strahlung. Sie werden von den aus 1 durch 2 bzw. 2' hindurch austretenden
Anteilen 6 und 6' der Strahlung 3, allgemein einige Prozent der in 1 als 3 hin-
und herlaufenden Strahlung, durchsetzt. Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung
sind die modulierbaren Interferenzspiegel so aufgebaut, daß sie, abhängig von einer
vorzusehenden Modulationsspannung, einen mehr oder weniger großen Anteil der Strahlung
6 bzw. 6' als 7 bzw. 7' aus dem System austreten lassen. Damit ist 7 und 7' an Stelle
von 6 und 6' die aus dem Resonator austretende Strahlung. Gemäß der Erfindung werden
diese Interferenzspiegel im Gegentakt so gesteuert, daß die Intensitäten von 7 und
7', das sind die moduliert aus dem Resonator der F i g. 1 austretenden Strahlen,
zusammengenommen zeitlich konstanten Wert haben, d. h. daß die im Resonator zwischen
4 und 4' befindliche Intensität, selbstverständlich abgesehen von Einschwingvorgängen
oder ähnlichen Prozessen, ebenfalls zeitlich konstanten Wert hat. Durch diesen der
erfindungsgemäßen Anordnung zugrunde liegenden Gedanken wird die Güte des Senders,
die sonst bei innerer Modulation im allgemeinen die maximal mögliche Modulationsfrequenz
begrenzt, konstant gehalten, obwohl ein in seiner Intensität modulierter Strahl
? bzw. 7' aus dem System, bestehend aus 1 bis 6, austritt. Die Strahlen 7 und 7'
sind auf Grund der Modulation in ihrer Intensität komplementär zueinander.
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Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten modulierbaren Interferenzspiegel,
die aus 2, 4 und 5 bzw. 2', 4' und 5' bestehen, haben die Eigenschaft, daß, wenn
die optische Weglänge zwischen den Reflektoren 2 und 4 bzw. 2' und 4' gerade einem
ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Strahlung entspricht, sich also stehende
Wellen der Strahlung im Interferenzspiegel ausbilden können, die Interferenzspiegel
maximale Durchlässigkeit haben.
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Eine geringe Änderung der optischen Weglänge zwischen 2 und 4 in den
vorher wie oben angegebenen abgestimmten Interferenzspiegeln bewirkt, daß sich keine
stehenden Wellen der Strahlung mehr ausbilden können und daß die durch die Interferenzspiegel
hindurchtretenden und als 7 und 7' austretenden Strahlen modulierbar in ihrer Intensität
geschwächt werden. Durch die modulierbare Veränderung der optischen Weglänge in
den Interferenzspiegeln wird also die aus dem Sender austretende Strahlung 7 bzw.
7' moduliert.
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Eine Änderung der optischen Weglänge- es kommen Weglängenänderungen
bis zu einigen Zehnteln der Wellenlänge in Frage - kann beispielsweise durch Einfügung
eines in seinem Brechungsindex modulierbaren Mediums 5 erreicht werden. Davon abgesehen,
sind auch andere Modulationsverfahren für die Interferenzspiegel anwendbar, z. B.
daß der Spiegelabstand zwischen 2 und 4 bzw. 2' und 4' auf mechanische Weise verändert
wird. Allgemein werden dabei aber zu kleine Modulationsfrequenzen erzielt, so daß
die mechanische Veränderung nur in Einzelfällen sinnvoll erscheint. Es sei ergänzend
erwähnt, daß zur Verstärkung des Modulationseffekts auch mehrere, insbesondere gleiche
derartig modulierbare Interferenzspiegel hintereinander angeordnet werden können.
Ein derartiger Interferenzspiegel kann dementsprechend auch in an sich bekannter
Weise aus mehreren aneinandergereihten dielektrischen Schichten mit aufeinanderfolgend
voneinander unterschiedlichen und mit zumindest teilweise modulierbaren Brechungsindizes
bestehen.
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Für den Aufbau der modulierbaren Interferenzspiegel empfiehlt sich
für 5 beispielsweise die Verwendung von Kaliumdihydrogenphosphat-(KDP-)Kristallen.
Diese besitzen, in bestimmter Orientierung in ein elektrisches Feld gebracht, einen
durch die Größe der elektrischen Feldstärke modulierbaren Brechungsindex, der bekannterweise
unter anderem von der Richtung und von der Polarisation des in einem derartigen
Kristall
abhängig von dessen Orientierung verlaufenden Lichtstrahles abhängt.
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Bei der Verwendung von KDP empfiehlt es sich, einen Kristall von einigen
Millimetern Länge und mit planparallelen Flächen der Orientierung 001, d. h. senkrecht
zur optischen Achse geschnitten, zu verwenden, auf die man die Strahlen 6 bzw. 6'
senkrecht auffallen läßt. Vorteilhaft ist es, die Polarisationsebene der Strahlung
so zu wählen, daß der elektrische Vektor der Strahlung in eine der 110-Richtungen
zeigt. Das elektrische Feld wird in Richtung der optischen Achse, d. h. in Strahlrichtung
von 6 bzw. 6' des feldfreien Kristalls an diesen angelegt.
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An Stelle von KDP können allgemein auch andere Stoffe mit modulierbaren
Brechungsindex, beispielsweise elektrisch oder magnetisch, doppelbrechende Materialien
verwendet werden.
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8 und 9 bzw. 8' und 9' in F i g.1 sind die Elektroden, durch die die
zur Modulation vorgesehene elektrische Spannung an die Modulationsglieder 5 bzw.
5' angelegt wird. 8 und 9 bzw. 8' und 9' sind entweder für die Strahlung weitgehend
durchlässig, oder es fällt beispielsweise die Elektrode 8 mit dem Reflektor 4, 9
mit 2, gegebenenfalls dementsprechend 8' mit 4', 9' mit 2' zusammen. 10 und 11 bzw.
10' und 11' sind die zu den Elektroden gehörenden Anschlüsse, die von dem Transformator
12 ausgehen. Die Wicklungen 13 und 13' des Transformators 12 sind so angeordnet,
daß von der Wicklung 14 in 13 und 13' entsprechend der gewünschten Gegentaktsteuerung
von 5 und 5' phasenverschobene Spannungen induziert werden. An 14 liegt die beispielsweise
vom Generator 15 erzeugte Modulationsspannung. Die moduIierbaren Interferenzspiegel
bestehen aus 2, 4 und 5 bzw. 2', 4' und 5' und sind so justiert, daß sie im Falle
fehlender Spannung zwischen 8 und 9 bzw. 8' und 9', bezogen auf den Modulationsvorgang,
mittlere Durchlässigkeit für die Strahlung haben.
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Die maximal mögliche Modulationsfrequenz für dieses Modulationsverfahren
wird gegeben durch die Laufzeiten der Strahlung im Resonator für das Beispiel der
F i g. 1, insbesondere durch die Laufzeit in dem modulierbaren Interferenzspiegel.
Allgemein gilt, daß die Zeit, die die Strahlung für den mehrfachen Hin-und Herlauf
im Interferenzspiegel sowie für den Weg zwischen den den Resonator begrenzenden
Reflexionsflächen benötigt, kleiner als die Periodendauer der Modulationsfrequenz
sein muß.
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Um die maximale Modulationsfrequenz nach höheren Frequenzen hin zu
verschieben, empfiehlt es sich, Anordnungen zu verwenden, bei denen die zur komplementären
Modulation vorgesehenen Modulationsglieder räumlich wenig Abstand voneinander haben,
d. h. in möglichst kurzer Zeit nacheinander von der Strahlung durchlaufen werden.
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Eine derartige Anordnung stellt F i g. 2 dar. 1 ist wieder ein Kristall
wie in F i g. 1. 22 und 22' sind Reflektoren für die im Kristall erzeugte Strahlung
23. Auf dem Weg zwischen 1 und 22' durchläuft der Strahl das Auskoppelglied 24 und
die beiden Modulationsglieder 25 und 25'. 25 und 25' sind in diesem Beispiel Körper
aus Stoffen mit steuerbar doppelbrechenden Eigenschaften für die Strahlung, beispielsweise
Zellen mit Nitrobenzol gefüllt. Zweckmäßiger ist aber, für 25 und 25' steuerbar
doppelbrechende Kristalle, wie beispielsweise Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) zu
verwenden. Die Kristalle werden so orientiert, daß die Polarisationsrichtung der
in 21 erzeugten, gegebenenfalls durch zusätzliche, bekannte Einrichtungen erzwungene,
linear polarisierte Strahlung Z3 durch den Effekt der steuerbaren Doppelbrechung
um ein modulierbares Maß in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt wird. Bezogen
auf die Polarisationsebene der Strahlung 23 vor Eintritt von 23 in die Kristalle
25, 25', ist eine senkrecht zu dieser Ebene schwingende Komponente in der aus den
Kristallen austretenden Strahlung enthalten. Durch die abgeschrägten Doppelprismen
24, 24' und 24" werden die obengenannten, senkrecht zur Polarisation von 23 schwingenden
Komponenten als entsprechend der Modulation modulierte Strahlen 26, 26' und 27,
27' aus dem kesonator ausgekoppelt. Der Strahl 26 entsteht aus der obengenannten
Komponente der Strahlung 23, die nach Durchlaufen des Modulationskristalls 25 von
25 her in 24 eintritt, und der Strahl 26' aus der Komponente von 23, die nach Durchlaufen
von 25 her in 24" eintritt. Entsprechend entstehen die aus 24 bzw. 24' austretenden
Strahlen 27 bzw. 27' nach Durchlaufen von 25.
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Die mit 24, 24' und 24" in der F i g. 2 bezeichneten Auskoppelglieder
sind im Grunde genommen Nicolsche Prismen, deren eine Kante so abgeschrägt ist,
daß der bei 28 bzw. 28' und 28" austretende bzw. eintretende Strahl 23 senkrecht
durch die Fläche der so abgeänderten Nicolschen Prismen fällt. Hierdurch werden
die gewöhnlich bei schrägem Durchtritt der Strahlung 23 auftretenden Reflexionsverluste
vermindert. Entgegen der üblichen Anwendung eines Nicolschen Prismas wird der durch
Totalreflexion herausgespiegelte Strahl im Resonator zwischen 22 und 22' behalten,
da dieser gegenüber dem durch die Berührungsflächen der beiden Prismen des Nicols
hindurchtretenden Strahl die geringeren Verluste im Nicol erleidet. Diese spezielle
Anwendung des Nicolscheu Prismas ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend, d. h.,
diese spezielle Ausführungsform der F i g. 2 kann auch mit normalen Nicolschen Prismen
oder auch mit Polarisationsprismen nach R o c h o n, W o 11 a s t o n u. a. unter
entsprechender Änderung der Anordnung aufgebaut werden. Durch die erfindungsgemäße
Gegentaktsteuerung von 25 und 25' wird erreicht, daß die moduliert austretenden
Strahlen 26 und 27 in ihrer Intensität zueinander komplementär sind. Dadurch ist
gewährleistet, daß entsprechend der Erfindung der Wert der Strahlungsintensität
im Resonantor zwischen 22 und 22' unabhängig von der Modulation konstant ist. Die
Anordnung der F i g. 2 hat ebenfalls wie die der F i g. 1 einen hohen Gütefaktor,
d. h. geringe innere Verluste, aber gegenüber der F i g.1 eine wesentlich höhere
maximale Modulationsfrequenz. Bei der Verwendung von KDP für 25 und 25' empfiehlt
es sich, Schnitte senkrecht zur optischen Achse des KDP-Kristalls zu nehmen und
sie mit ihrer optischen Achse parallel zum Strahl 23 und mit ihrer 010- bzw. 100-Ebene
parallel zur Polarisationsebene des Strahles 23 im feldfreien Kristall 25 bzw. 25'
auszurichten.
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An die Modulationsglieder, insbesondere KDP-Kristalle 25 bzw. 25',
werden die zur Steuerung erforderlichen, bei KDP elektrischen Felder zweckmäßigerweise
in Richtung der optischen Achse, d. h. in Strahlrichtung 23 an die Kristalle angelegt.
29 und 30 bzw. 29' und 30' sind die hierzu erforderlichen, für die Strahlung 23
durchlässigen Elektroden, die in der der F i g. 1 entsprechenden Weise an die in
der F i g. 2 nicht dargestellte Quelle für die Modulationsspannung
angeschlossen
werden. Bei dieser speziellen Auswahl von elektrischer Feldstärke, optischer Achse
und Strahlrichtung im Kristall wird eine zusätzliche Gleichspannung an den Elektroden
29 und 30 bzw. 29' und 30' erforderlich, damit bei Fehlen einer modulierenden Spannung
die Strahlen 26, 26' bzw. 27, 27' mit einer mittleren Intensität ausgekoppelt werden.
Die durch die Modulationsspannungen hervorgerufenen Wechselfelder an 25 bzw. 25'
lassen die Intensität der Strahlen 26, 26' bzw. 27, 27' entsprechend der Modulation
um den Mittelwert, der bei fehlendem Modulationsfeld an 25 bzw. 25' auftritt, schwanken.
Für KDP und ähnliche Kristalle lassen sich aber auch noch andere für die erfindungsgemäße
Modulation der Strahlung geeignete Orientierungen des Kristalls und geeignete Richtungen
des anzulegenden Modulationsfeldes, diese bezogen auf die Strahl- und Polarisationsrichtung
der Strahlung 23 angegeben, insbesondere solche Anordnungen, bei denen das Feld
senkrecht zur Strahlrichtung des Strahles 23 in 25 bzw. 25' angeordnet ist. Dadurch
wird vermieden, daß die Strahlung durch die erforderlichen Elektroden hindurchtreten
muß. Es lassen sich auch Orientierungen des Kristalls angeben, bei denen bei fehlendem,
der Modulation dienendem Wechselfeld bereits natürliche Doppelbrechung vorhanden
ist und bei denen demzufolge kein elektrisches Gleichfeld zur Auskopplung einer
mittleren Intensität der Strahlung 27 und 27 erforderlich ist.
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Die mit der Anordnung der F i g. 2 erreichbare maximale Modulationsfrequenz
ist gegeben durch die Laufzeit t der Strahlung zwischen 25 und 25'. Diese Laufzeit
t muß kleiner als die Periodendauer T der maximalen Modulationsfrequenz
sein. Für den Fall, daß nicht zu hohe Modulationsfrequenzen gefordert werden, können
die Auskoppelglieder 24', 24" entfallen. In diesem Falle geht im wesentlichen die
Laufzeit t' der Strahlung von 25 über 22, 25, 25', 22' bis 25' ein. t' muß
in diesem Falle kleiner als T sein.
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Einen Faktor 2 in der Intensität eines der ausgekoppelten, modulierten
Strahlen erreicht man durch eine Vereinigung zweier zusammengehöriger ausgekoppelter
Strahlen, z. B. 27 und 27'. Durch Fortlassen des Auskoppelgliedes 24' entfällt der
selbständige Strahl 27', dessen Intensität dann mit 27 zusammen austritt. In diesem
Fall geht sowohl die Laufzeit t als auch die Laufzeit t" der Strahlung von 25' über
22' zurück zu 25' ein. Es können - wie leicht einzusehen - in diesem Falle praktisch
ebenso hohe Modulationsfrequenzen erreicht werden wie bei der Anordnung der F i
g. 2 mit dem Auskoppelglied 24', jedoch ergibt sich beim Fehlen von 24' eine geringe,
von dem Modulationsgrad der ausgekoppelten Strahlung abhängige Güteänderung des
gesamten Resonators und damit eine frequenzabhängige Modulationsverzerrung.
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Im übrigen können die in der F i g. 2 getrennt voneinander angeordneten
Teilstücke aneinandergefügt werden, z. B. kann 22 die verspiegelte linksseitige
Fläche des Stabes 1 sein.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung hoher maximaler Modulationsfrequenz
bietet die Anordnung der F i g. 3. Diese Anordnung unterscheidet sich im wesentlichen
dadurch von der Anordnung der F i g. 1 und 2, daß die Strahlen nicht hin und her,
sondern in der Anordnung umlaufen. In F i g. 3 ist 31 wieder ein Kristall, wie z.
B. 1 bzw. 21 in F i g. 1 bzw. F i g. 2, 32 und 32' sind Modulationsglieder für die
Strahlung, z. B. solche, wie sie als 25 und 25' in F i g. 2 verwendet werden. 33
und 33' sind Auskoppelglieder, beispielsweise Nicolsche Prismen, die einfallende
Strahlen verschiedener Polarisationsrichtung in verschiedener Richtung aufteilen.
Sie können insbesondere auch so beschaffen und angeordnet werden wie das Auskoppelglied
24 in F i g. 2. 34 und 34' sind Umlenkprismen, die durch Totalreflexion eine Richtungsumkehr
der in der Anordnung der F i g. 3 umlaufenden Strahlung 35 bewirken. Wie noch weiter
unten näher angeführt, empfiehlt es sich, um mit dieser Anordnung hohe Modulationsfrequenzen
erreichen zu können, den Umlauf der Strahlung 35 in einer der beiden möglichen Richtungen
zu unterbinden. Hierzu dient die nicht reziproke Richtungsleitung 36; sie besteht
beispielsweise aus zwei die Polarisationsrichtung drehenden Gliedern 37, 37', die
die Polarisationsrichtung beispielsweise durch den Einfluß des magneto-optischen
Rotationseffektes drehen. Zwischen 37 und 37' befindet sich ein Analysator 38. Das
Drehglied 37 ist so beschaffen, daß es die von 37' hervorgerufene Drehung der Polarisationsebene
gerade wieder aufhebt und der Analysator 38 so orientiert ist, daß er die von 37'
gedrehte Polarisationsrichtung durchläßt. In der Anordnung der F i g. 3 ist dieser
nicht reziproke Richtungsleiter so beschaffen, daß er die Strahlung 35 in der Richtung
der angegebenen Pfeile 39, 39' umlaufen läßt.
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Je nach der Höhe der Modulationsfrequenz werden die Glieder 32, 32'
- für niedrige Frequenzen etwa bis 0,1. oder 1 GHz - durch mittels Elektroden
angelegte elektrische Felder, wie dies z. B. bei den Modulationsgliedern 25, 25'
der F i g. 2 näher ausgeführt ist, in ihrem optischen Verhalten gesteuert. Für höhere
Frequenzen als etwa 1 GHz werden 32 und 32' in Hohlleiteranordnungen eingebaut,
in denen sie durch die Felder der in den Hohlleitern geführten elektromagnetischen
Wellen gesteuert werden. Eine derartige Hohlleiteranordnung ist in der F i g. 3
durch 40 angedeutet. Zum besseren Verständnis ist diese Hohlleiteranordnung
in F i g. 4 im Schnitt um 90° um die Achse gedreht dargestellt. Diese Hohlleiteranordnung
ist in der F i g. 4 in der Ausführungsform einer Interdigitalleitung 41 dargestellt.
42 und 42' sind die Modulationsglieder entsprechend 32, 32' der F i g. 3. Die in
Richtung 43, 43' in den Hohlleitern 41', 41" verlaufende Welle durchsetzt
in zeitlicher Aufeinanderfolge die Glieder 42 und 42'. Zudem erleidet
die besagte Welle in der Zone 41"' auf Grund der Feldumkehr eine Phasenumkehr. Die
Laufzeit der Welle in der Anordnung der F i g. 4 von 41' über 41"'
nach 41." wird gerade wenigstens angenähert so groß bzw. um ein ganzzahliges
Vielfaches der Periodendauer der mittleren Modulationsfrequenz, beispielsweise eines
relativ schmalen Bandes hoher Frequenzen, größer oder kleiner gewählt wie die Laufzeit,
die die Strahlung 32 über 34 nach 32' benötigt. Auf diese Weise wirken die Steuerglieder
32, 32' bzw. 42, 42' in entgegengesetzter Weise auf die umlaufende Strahlung
35, wodurch die erfindungsgemäße Gegentaktmodulation verwirklicht wird. Die in der
Interdigitalleitung 41 verlaufende Welle wird beispielsweise in einem gegebenenfalls
modulierbaren Generator 44 erzeugt und in einem Abschlußwiderstand 45 reflexionsfrei
gedämpft.
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Wie oben bereits bemerkt, können die Steuerglieder 32, 32' so beschaffen
sein wie 25, 25' in F i g. 2. Die in sie eintretende Strahlung wird danach auf Grund
ihrer steuerbar doppelbrechenden Eigenschaft
in zwei Polarisationsrichtungen
zerlegt. Die Strahlung der einen Polarisationsrichtung verläuft weiter in der Anordnung,
wie 35 angibt, der Anteil der Strahlung, die auf Grund der Steuerung in der dazu
senkrechten Richtung polarisiert ist, wird durch die Auskoppelglieder 33 bzw. 33'
in Richtung 35', 35" abgelenkt. 35' und 35" sind die im Gegentakt moduliert aus
der Anordnung austretenden Strahlen des Senders.
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Bei sehr hohen Modulationsfrequenzen ist es auch möglich, die Glieder
32, 32', im Gegensatz zu der Anordnung, wie sie insbesondere durch die F i g. 4
angegeben ist, im gleichen Takt zu modulieren. Auch in diesem Falle werden die Modulationsglieder
in Hohlleiter, vorzugsweise dicht nebeneinander, ja sogar unter Umständen als ein
einziger Teil, in dem 32 und 32' vereinigt ist, eingebaut. Die Anordnung
wird in diesem Fall so abgestimmt, daß die Laufzeit der gleichsinnig im Resonator
umlaufenden Strahlung zwischen 32 und 32' gleich oder etwa gleich der halben Periodendauer
oder einem ungeradzahligen Vielfachen der Periodendauer der Modulationsfrequenz
ist. Auf diese Weise wirken die beiden Modulationsglieder trotz gleichsinniger Aussteuerung
im Gegentakt auf die Strahlung. Damit wird eine Schmalbandmodulation mit Frequenzen,
auf die diese Anordnung abgestimmt ist, möglich. Trotz der relativ geringen Frequenzbandbreite
dieses Modulationsverfahrens können wegen der hohen, mittleren Modulationsfrequenz
trotzdem absolut sehr hohe Bandbreiten übertragen werden.
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Eine weitere Möglichkeit, insbesondere eine Schmalbandmodulation durchzuführen,
ist es, die Laufzeit der Mikrowellenstrahlung von einem zum anderen der beiden zur
Gegentaktmodulation vorgesehenen, insbesondere im Hohlleiter angeordneten Modulationsglieder
genau oder angenähert um die Hälfte der Periodendauer, die der mittleren Modulationsfrequenz
entspricht, länger oder kürzer zu wählen als die Laufzeit der stimulierten Strahlung
von einem zum anderen Modulationsglied. Bei dieser Abstimmung entfällt die Notwendigkeit
der Phasenumkehr. Bei extrem hohen Modulationsfrequenzen, bei denen die Laufzeit
der Mikrowellen- und/oder stimulierten Strahlung im Modulationsglied in die Größenordnung
der Periodendauer, die der Modulationsfrequenz entspricht, kommt, empfiehlt es sich,
die Anordnungen so zu wählen, daß die stimulierte und die Mikrowellenstrahlung die
Modulationsglieder parallel gerichtet in gleicher Richtung durchlaufen.