DE1285073B - Anordnung zur inneren Modulation der Strahlung eines quantenmechanischen Senders - Google Patents

Anordnung zur inneren Modulation der Strahlung eines quantenmechanischen Senders

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DE1285073B
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auch bei der Lehre nach der französischen Patentschrift 1306 777 wird also ein stets konstanter Anteil der im Resonator befindlichen nicht konstanten Strahlungsenergie ausgekoppelt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • An Stelle von KDP können allgemein auch andere Stoffe mit modulierbaren Brechungsindex, beispielsweise elektrisch oder magnetisch, doppelbrechende Materialien verwendet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (16)

  1. Patentansprüche: 1. Anordnung zur inneren Modulation der Strahlung eines quantenmechanischen Senders, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Resonators (4, 4', 22, 22', 34, 34') mindestens zwei im Gegentakt modulierbare Modulationsglieder (5, 5', 25, 25', 32, 32') wirksam sind, die zugleich die Auskopplung bewirken können oder die mit mindestens einem Auskoppelglied (24, 33) zusammenwirken und die so betrieben werden, daß bezüglich der Wechselkomponente gegensinnig modulierte Anteile (7, 7', 26, 26', 27, 27', 35', 35") der im Resonator befindlichen Strahlungsenergie (3, 23, 35) voneinander getrennt ausgekoppelt werden, wobei die Summe der Intensitäten der Wechselkomponenten der ausgekoppelten Anteile stets einen konstanten Betrag annimmt und die Güte des Resonators praktisch konstant bleibt.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle einzelner Modulations- und Auskoppelglieder zum Teil Einrichtungen vorgesehen sind, die auf die im Resonator befindliche Strahlungsenergie, gegensinnig moduliert in dem Maße wie das ersetzte Modulations-und Auskoppelglied, dämpfend wirken.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulations- und Auskoppelglieder an beiden Enden des Resanators (4, 4') modulierbare Interferenzspiegel angeordnet sind.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsglieder, die auf die im Sender erzeugte Strahlung einwirken, einander eng benachbart nur auf einer Seite des verstärkungsaktiven Materials angeordnet sind.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr die im Resonator verlaufende Strahlung umlenkende Einrichtungen, insbesondere Umlenk prismen (34, 34') vorgesehen sind, durch die ein in sich geschlossener Umlauf der Strahlung (35) im Resonator bewirkt wird.
  6. 6. Anordnung, in der nach dem Prinzip der stimulierten Emission verstärkte Strahlung umläuft, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht reziproke Richtungsleitung (36) im Strahlengang der in der Anordnung verlaufenden Strahlung vorgesehen ist, die diese Strahlung nur in einer bestimmten Richtung (39) in der Anordnung umlaufen läßt.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungsleitung (36) zwei die Polarisationsrichtung .der beim Umlauf in die Leitung eintretenden Strahlung (35) drehende Glieder (37, 37') und einen dazwischen befindlichen Analysator (38) enthält, wobei diese drehenden Glieder so beschaffen sind, daß das eine Glied (37) die durch das andere Glied (37') hervorgerufene Drehung gerade wieder aufhebt, und wobei der Analysator so orientiert ist, daß er die von dem einen Glied (37') gedrehte Polarisationsrichtung der in dieses eingetretenen Strahlung (35) durchläßt, so daß die Strahlung in der Richtung (39) von diesem Glied (37') zum anderen Glied (37) durchgelassen wird. B.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu zwei gegensinnig auf die im Resonator hin und her bzw. umlaufende Strahlung wirkenden Modulationsgliedern nur zwei Auskoppelglieder (24, 24") vorgesehen sind und daß insbesondere der Modulationsgrad klein gehalten wird.
  9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu zwei gegensinnig auf die im Resonator hin und her bzw. umlaufende Strahlung wirkenden Modulationsgliedern nur ein Auskoppelglied (24') vorgesehen ist, durch das die beiden komplementär modulierten Strahlen ausgekoppelt werden, und daß insbesondere der Modulationsgrad klein gehalten wird.
  10. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Modulation der Strahlung dienenden Modulationsglieder in einer Hohlleiteranordnung (40, 41) eingebaut sind.
  11. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Strahlung von dem einen zu dem anderen der beiden zur gegensinnigen Modulation dienenden, insbesondere in einem Hohlleiter angeordneten Modulationsgliedern wenigstens angenähert gleich der gegebenenfalls um ein ganzes Vielfaches der Periodendauer, die der mittleren Modulationsfrequenz entspricht, verkürzten oder verlängerten Laufzeit der modulierenden Mikrowellenstrahlung für den Weg von dem einen zu dem anderen der Modulationsglieder im Umlaufsinn der Strahlung ist und daß die Mikrowellenstrahlung auf dem Weg von dem einen zu dem anderen Modulationsglied (32, 32'; 42, 42') eine Phasenumkehr erfährt (s. F i g. 3 und 4).
  12. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Mikrowellenstrahlung von dem einen zu dem anderen der beiden zur gegensinnigen Modulation vorgesehenen, insbesondere im Hohlleiter (40, 41) angeordneten Modulationsglieder (32, 32'; 42, 42') angenähert oder genau um die Hälfte der Periodendauer, die der mittleren Modulationsfrequenz entspricht, länger oder kürzer ist als ;die Laufzeit der Strahlung von dem einen zu dem anderen Modulationsglied.
  13. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Strahlung bei gleichem Umlaufsinn von dem einen zu dem anderen der beiden zur Modulation der Strahlung vorgesehenen, vorzugsweise im Hohlleiter angeordneten Modulationsglieder gleich oder wenigstens angenähert gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Periodendauer, insbesondere gleich oder angenähert gleich der halben Periodendauer, der mittleren Modulationsfrequenz ist.
  14. 14. Einrichtung zum Aufbau der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere im Strahlengang des Resonators vorgesehene, zur Auskopplung der modulierten, vom Sender ausgesandten Strahlung dienenden Nicolschen Prismen so angeordnet sind, daß die in dem Resonator hin und her bzw. umlaufende Strahlung in den Nicolschen Prismen durch Totalreflexion abgelenkt wird und der aus dem Resonator ausgekoppelte Strahl durch die Kittflächen des Nicolschen Prismas hindurchtritt.
  15. 15. Modulations- und Auskoppelvorrichtung für innere Modulation der Strahlung eines quantenmechanischen Senders mittels modulierbarer Beeinflussung der Polarisationsebene der Strahlung (Kerreffekt oder Faradayeffekt), insbesondere zur Verwendung in einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Modulationsglied (25, 32) ein als Polarisationsweiche ausgebildetes Auskoppelglied (24, 33) zusammenwirkt, das so ausgebildet und so angeordnet ist, daß es denjenigen Anteil der Strahlungsenergie (23, 35) als modulierte Strahlung (26 bzw. 26', 35') auskoppelt, der im Modulationsglied durch den Effekt der modulierbaren Beeinflussung der Polarisationsebene der in das Modulationsglied eintretenden Strahlungsenergie (23, 35) in eine Komponente der aus dem Modulationsglied wieder austretenden Strahlung umgewandelt ist, die senkrecht zu der Polarisationsebene der eingetretenen Strahlung polarisiert ist.
  16. 16. Modulations- und Auskoppelvorrichtung für innere Modulation der Strahlung eines quantenmechanischen Senders, bei dem die modulierte Strahlung durch einen den Resonator bildenden Spiegel hindurch austritt, vorgesehen zur Verwendung in einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Spiegel als Modulations- und Auskoppelmittel in einer Einheit ein in seinem Austrittsvermögen für diese Strahlung modulierbarer Interferenzspiegel nach Art eines Fabry-Perrot-Interferometers ist, in dem ein die optische Weglänge der in dem Interferometer hin und her verlaufenden Strahlung modulierbar veränderndes Glied (5), insbesondere ein Einkristall, vorgesehen ist.
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