DE1286240B - Optischer Sender oder Verstaerker - Google Patents
Optischer Sender oder VerstaerkerInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auL.einen optischen einen solchen Betrieb auch optimal sein dürfte. ErSender
oder Verstärker mit einem stimulierbaren Me- findungsgemäß finden diese Kristalle jedoch einen ganz
dium, dessen Grandkristall mit Ionen mindestens eines andersartigen Einsatz, bei dem mehrere oberhalb des
Elementes aus der Gruppe der Seltenen Erden dotiert Grundniveaus liegende Energieniveaus mitspielen und
ist, die ihre Änregungsenergie aus einer stufenweisen 5 für den sich dementsprechend auch ein weit höherer
Anregung aus zwei verschiedenen Bereichen einer Anteil an Verunreinigungen im Grundgitter der beelektromagnetischen
Anregungsstrahlung beziehen, die strahlten Kristalle als zweckmäßig erweist, der bis
sich zudem von der Frequenz der zu erzeugenden zu dem hohen Wert von 30 % gehen kann.
Strahlung unterscheiden, wobei die Anregungsstrah- Für den Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen
lung des ersten Bereichs die Elektronen auf eine erste io Senders bieten sich verschiedene Möglichkeiten. So
höhere Energiestufe anhebt, während die des zweiten kann man das stimulierbare Medium als platten-Bereichs
die bereits angeregten Elektronen darüber förmigen Kristall ausbilden, man kann es aber auch
hinaus auf eine noch höhere Energiestufe anhebt, von aus einem zu einer Platte zusammengefaßten Bündel
der aus sie dann unter Aussendung der zu erzeugenden aus Lichtleitfasern mit kristallinem Aufbau bestehen
Strahlung auf eine tiefere Energiestufe, beispielsweise 15 lassen, und schließlich kann man einen plattenauf
die Ausgangsstufe, zurückfallen. förmigen Aufbau auch dadurch erreichen, daß man
Die Möglichkeit, durch Bestrahlung eines Kristalls ein Mosaik von Kristallbausteinen entsprechend zumit
zwei verschiedenen Anregungsstrahlungen ver- sammenfügt, wobei es sich empfiehlt, die einzelnen
schiedener Frequenz eine dritte in ihrer Frequenz von Kristallbausteine der Platte durch ein opakes Material
den beiden Anregungsstrahlungen verschiedene Strah- 20 voneinander zu trennen. '
lung zu erzeugen, wird bereits in einem Aufsatz von Da bei dem erfindungsgemäßen optischen Sender
N.L.Bloembergenin der Zeitschrift »Physical die erzeugte Strahlung in einem ganz anderen Fre-Review
Letters«, Band 2, Nr. 3, vom 1.2.1959, auf quenzbereichliegen kann als die Anregungsstrahlungen,
den Seiten 84 und 85 theoretisch erörtert. Nähere An- läßt sich mit Hilfe eines solchen Senders in bequemer
gaben über die praktische Durchführung dieses Vor- 25 Weise ein Frequenzwandler für den optischen Bereich
Schlages werden in der Veröffentlichung jedoch nicht bzw. ein Bildwandler bauen, der etwa ein durch
gemacht. Was die Kristalle selbst anbelangt, findet Infrarotstrahlung vorgegebenes Bild in ein Bild im
sich in der Veröffentlichung lediglich der Hinweis, daß Bereich des sichtbaren Lichtes umsetzt. Dabei besolche
Kristalle, die Ionen von Elementen aus der steht bei einem solchen Einsatz eines erfindungsge-Gruppe
der Seltenen Erden als Verunreinigungen in 3° mäßen optischen Senders die Möglichkeit, eine der
einem Grundgitter enthalten, für die Durchführung beiden Anregungsstrahlungen nicht aus der umzueines
derartigen Verfahrens geeignet sein müßten. wandelnden Strahlung selbst zu gewinnen, sondern
Eine solche Angabe spricht jedoch eine sehr große eine zusätzliche Energiequelle für die Anregungs-Vielzahl
von Kristallen an, die in der Gegend von strahlung vorzusehen, was insbesondere dann von
etwa 40 Millionen verschiedener Verbindungen liegt, 35 Vorteil ist, wenn eine der zur Strahlerzeugung erf orderso
daß damit noch kein praktisch begehbarer Weg auf- liehen Frequenzen in der einfallenden, das Bild entgezeigt
ist, auf dem das angegebene Verfahren durch- haltenden Strahlung nur schwach vertreten ist. Dabei
führbar wäre. besteht ohne weiteres die Möglichkeit, jeglichen Ein-
Für die Erfindung stellte sich also die Aufgabe, fluß der Strahlung der zusätzlichen Anregungsquelle
einen praktisch brauchbaren optischen Sender anzu- 40 auf das Bild selbst auszuschalten, indem man zwischen
geben, mit dessen Hilfe sich das obenerwähnte Ver- die Quelle für die erste Anregungsstrahlung und das
fahren durchführen läßt. Diese Aufgabe wird erfin- stimulierbare Medium ein Filter einfügt, das im Bereich
dungsgemäß dadurch gelöst, daß als stimulierbare der zweiten Anregungsstrahlung, die das Bild liefert,
Medien Lanthan-, Kalzium-, Strontium- oder Barium- undurchlässig ist. Eine weitere Ausgestaltung eines
fluorid mit eingebauten dreifach ionisierten Atomen 45 derartigen Bildwandlers läßt sich dann noch dadurch
der Seltenen Erden Dysprosium, Terbium, Neodym, erzielen, daß man zwischen das stimulierbare Medium
Erbium oder Holmium Verwendung finden, wobei und die Quelle für die erste Anregungsstrahlung einen
der Anteil der Dotierung zwischen 0,5 und 30 % be- diese Strahlung auf das stimulierbare Medium reträgt,
flektierenden^ für die erzeugte Strahlung jedoch durch-Die erfindungsgemäß eingesetzten Kristalle sind 50 lässigen Spiegel einfügt, durch den hindurch dann das
als solche an und für sich bekannt, und auch ihre Bild in dem erzeugten Frequenzbereich betrachtet
Brauchbarkeit zur Erzeugung von Laserstrahlung werden kann.
üblicher Art ist bereits in einer Reihe von Veröffent- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung seien nun-
lichungen, nämlich der Zeitschrift »Physical Review« mehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung das
inBandl31auf den Seiten 990 bis 992 und in Band 132 55 Funktionsprinzip und einige Ausführungsmöglichauf den Seiten 224 bis 227 sowie 1609 bis 1611, der keiten für einen erfindungsgemäßen optischen Sender
Zeitschrift »Journal of Applied Physics« in Band 34 bzw. einen mit dessen Hilfe aufgebauten Bildwandler
auf den Seiten 897 bis 909 und der Zeitschrift »Bell näher beschrieben. Dabei zeigt in der Zeichnung
Laboratories Record« in Band 41 auf Seite 96, beschrie- Fig. lein mögliches Tennschema für eine Substanz,
ben. Bei allen diesen Veröffentlichungen geht es jedoch 60 die sich erfindungsgemäß als Frequenzwandler im
stets nur um den Einsatz dieser Kristalle im Rahmen optischen Bereich einsetzen läßt,
eines üblichen Laserbetriebes, bei dem sich die ge- F i g. 2 ein anderes mögliches Termschema für eine
wünschte Ausgangsstrahlung durch Einstrahlung einer solche Substanz,
einzigen Anregungsfrequenz erzeugen läßt. Dement- Fig. 3 noch ein weiteres mögliches Termschema
sprechend liegt bei allen in diesen Veröffentlichungen 65 für eine solche Substanz,
behandelten Kristallen der Gehalt an Ionen von EIe- F i g. 4 einen Teilquerschnitt durch das stimu-
menten aus der Gruppe der Seltenen Erden bei sehr lierbare Medium eines erfindungsgemäßen Bildgeringen
Werten von weniger als I0J0, wie dies für wandlers,
3 4
F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer anderen Energieniveau El auf das Energieniveau E3 anheben,
Bauart für das stimulierbare Medium eines solchen wie durch den Pfeil 2 angezeigt ist. Die Anregungs-Bildwandlers,
strahlung kann infrarotes oder sichtbares Licht sein.
F i g. 6 eine perspektivische Ansicht noch einer Das Elektron im Energiezustand E3 kann Energie
weiteren Bauart für das stimulierbare Medium eines 5 durch Emission (spontan und/oder ausgelöst [stimu-
solchen Bildwandlers und liert]) abgeben, indem es unter Aussendung sichtbarer
F i g. 7 in schematischer Weise die gegenseitige Zu- Strahlung der Frequenz ^31 auf das Energieniveau El
Ordnung der Teile eines solchen Bildumwandlers. zurückfällt. Diese Energieänderung ist in F i g. 1
Das Grundprinzip für die Arbeitsweise eines erfin- durch den Pfeil 3 veranschaulicht. Das Elektron be-
dungsgemäßen optischen Senders als Ffequenzwandler i° findet sich dann wieder im Ausgangszustand und kann
im optischen Bereich ist das folgende: Das Grund- durch die einfallende Signalstrahlung erneut auf das
gitter des stimulierbaren Mediums enthält ein Element Niveau El angehoben werden, wodurch es schließlich
der Seltenen Erden als Fremdionen in dreifach ionisier- zu einer erneuten Strahlungsemission mit der Frequenz
tem Zustand. Die Elektronen der nicht aufgefüllten v^ kommt.
Schalen der Fremdionen können eine diskrete Folge 15 Als weiteres Beispiel für einen optischen Frequenz-■von
Energiezuständen oder Energieniveaus einnehmen. wandler sei an Hand von F i g. 2 ein solcher mit einem
Normalerweise befinden sich die Elektronen im Ener- System von vier Energietermen betrachtet, der vier
giegrundzustand El. Sie können jedoch durch ver- Energieniveaus El, El, E3 und EA mit den Besetschiedene
Prozesse, wie beispielsweise durch Absorp- zungszahlen JVl, JV2, JV3 und N4 besitzt, wobei der
tion elektromagnetischer Strahlung, auf höhere Ener- 20 Index 1 den Grundzustand, die Indizes 2 und 3 mittlere
gieniveaus El, E3, E4 usw. angehoben werden; wer- Energiezustände und der Index 4 den höchsten Ener-■den
nun mit Nl, Nl, N3, N 4 usw. die Besetzungs- giezustand bezeichnen. Es sei eine Quelle für einfallende
zahlen für die Energieniveaus El, El, E3, E4 usw. Signalstrahlung mit einer Energie hv% !vorhanden, deren
bezeichnet und angenommen, daß sich alle Elektronen Frequenz V21 ist, so daß hv2l = El-El ist. Die Elekzunächst
im Grundzustand mit einer Besetzungszahl 25 tronen im Grundzustand werden dann von dem niedgleich
JVl befinden und daß die Zahl der Elektronen rigen Energieniveau El auf das Energieniveau El anin
den angeregten Energiezuständen gleich Null ist, geregt, wie in F i g. 2 durch den Pfeil 4 angedeutet ist.
d. h. JV2 = /V3 = JV4 = 0 usw., so hebt eine einfal- Die einfallende Signalstrahlung kann beispielsweise
lende elektromagnetische Strahlung geeigneter Fre- Infrarotstrahlung sein. Zusätzlich ist eine Quelle für
quenz ein Elektron vom Grundzustand auf eines der 3° Anregungsstrahlung der Energie hviZ vorgesehen, deren
höheren Energieniveaus. Eine elektromagnetische An- Frequenz^? so gewählt ist, daß E4—E1 — AV42 ist.
regungsstrahlung einer weiteren geeigneten Frequenz Diese zweite Strahlungsquelle ist in der Lage, die
kann dann dazu benutzt werden, das Elektron von Energie des Elektrons durch Anheben vom Energiediesem
höheren Energieniveau auf ein noch höheres niveau E2 auf das Energieniveau E4 zu erhöhen, wie
Energieniveau zu heben. Von diesem hohen Energie- 35 dies in F i g. 2 durch den Pfeil 5 angedeutet ist. Diese
niveau wird das Elektron wieder auf ein niedrigeres Anregungsstrahlung kann infrarotes oder sichtbares
Energieniveau und möglicherweise in den Grund- Licht sein. Von dem Energiezustand E4 fallen die
zustand zurückfallen. Beim Platzwechsel des Elektrons Elektronen auf das Energieniveau E3 zurück, oder sie
zwischen Energiezuständen in Richtung niedrigerer gelangen thermisch dahin, wie in F i g. 2 durch den
Energieterme wird elektromagnetische Strahlung aus- 40 Pfeil 6 angedeutet ist. Die Elektronen im Energiegesandt,
deren Frequenz von der der einfallenden und zustand E3 können durch Emission (spontan und/oder
der Anregungsstrahlung verschieden sein kann. Es ist ausgelöst [stimuliert]) unter Rückkehr auf das Energiebekannt, daß es für das Eintreten einer Umkehrung niveau El und Ausstrahlung sichtbarer elektromagneder
Besetzungsverteilung notwendig ist, daß entgegen tischer Strahlung der Frequenz v31, die beispielsweise
dem Temperaturgleichgewicht die Besetzung mit Elek- 45 gelbes Licht sein kann, Energie abgeben. Diese Enertronen
in einem höheren Energieniveau größer ist als gieänderung ist in F i g. 2 durch den Pfeil 7 veranschauin
dem niedrigeren Energieniveau, zu dem der Über- licht. Die Elektronen befinden sich dann wieder im Ausgang
stattfinden soll. gangszustand und können von dort durch die ein-
AIs Beispiel für einen Frequenzwandler im optischen fallende Signalstrahlung erneut auf das Energieniveau
Bereich sei im folgenden an Hand von F i g. 1 ein 50 El gebracht werden.
solcher beschrieben, der auf Grund eines 3-Term- Das obere Energieniveau, auf das die Elektronen
Schemas mit drei Energieniveaus El, El und E3 mit durch das Anregen gelangen, kann aus einer Anzahl
den Besetzungszahlen /Vl, 7V2 und JV3 arbeitet, wobei eng benachbarter Energieterme bestehen, wodurch die
der Index 1 den Energiegrundzustand, der Index 2 ein Wirksamkeit der Anregungsstrahlungsquelle gesteigert
mittleres Energieniveau und der Index 3 das höchste 55 wird, da die Anregungsstrahlung im allgemeinen mehr
Energieniveau kennzeichnet. Es sei angenommen, daß als nur eine einzige Frequenz enthalten wird. Als Beieine
Quelle für eine einfallende Signalstrahlung mit spiel hierfür sei nachfolgend an Hand von F i g. 3 ein
einer Energie Av21 existiert, wobei v2I die Frequenz Wandler mit fünf Energietermen beschrieben: Es bedieser
Strahlung und h das Plancksche Wirkungs- stehen in diesem Fall fünf Energieniveaus El, El, E3,
quantum ist, und daß hv21 = El—El ist. Das Elektron 60 E4 und E5, von denen El der Grundzustand ist.
im Grundzustand El wird dadurch auf den Energie- Es wird angenommen, daß die einfallende Signalzustand El gebracht, wie in Fi g. 1 durch den Pfeil 1 strahlung eine solche Frequenz j>21 besitzt, daß Zw21 angedeutet ist. Die einfallende Signalstrahlung kann = El—El ist. Elektronen im Grundzustand El werbeispielsweise eine Infrarotstrahlung sein. Zusätzlich den dann auf das Energieniveau i?2 angehoben, wie in ist eine Quelle für eine Anregungsstrahlung mit der 65 F i g. 3 durch den Pfeil 8 angedeutet ist. Zusätzlich Energie Av32 vorgesehen, wobei vsi die Anregungs- wird angenommen, daß die Anregungsstrahlungsfrequenz ist, die so bemessen ist, daß E3—E1 = hv3Z quelle Strahlung mit den beiden Frequenzen viz und ist. Diese zweite Energiequelle kann das Elektron vom r52 aussendet, deren Energie hviS = E4—El bzw.
im Grundzustand El wird dadurch auf den Energie- Es wird angenommen, daß die einfallende Signalzustand El gebracht, wie in Fi g. 1 durch den Pfeil 1 strahlung eine solche Frequenz j>21 besitzt, daß Zw21 angedeutet ist. Die einfallende Signalstrahlung kann = El—El ist. Elektronen im Grundzustand El werbeispielsweise eine Infrarotstrahlung sein. Zusätzlich den dann auf das Energieniveau i?2 angehoben, wie in ist eine Quelle für eine Anregungsstrahlung mit der 65 F i g. 3 durch den Pfeil 8 angedeutet ist. Zusätzlich Energie Av32 vorgesehen, wobei vsi die Anregungs- wird angenommen, daß die Anregungsstrahlungsfrequenz ist, die so bemessen ist, daß E3—E1 = hv3Z quelle Strahlung mit den beiden Frequenzen viz und ist. Diese zweite Energiequelle kann das Elektron vom r52 aussendet, deren Energie hviS = E4—El bzw.
V 286 240
hvB&= E5—E2 ist, Einige Elektronen auf dem Ener- die Intensität dieses Lichtes ist jedoch ebenfalls nicht
gieniveaui?2 werden dann auf das Energieniveau EA sehr groß. ·
angehoben, wie in F i g. 3 durch den Pfeil 9 angedeutet Wesentlich größere Intensitäten der ausgesandten
ist, und einige auf das Energieniveau ES, wie der Strahlung, die in der Größenordnung um den Faktor
Pfeil 10 veranschaulicht. Durch thermische Energie- 5 100 höher liegen als bei den eben erwähnten Substanabgabe
fallen Elektronen vom Energieniveau ES zu- zen, lassen sich durch den Einbau von dreifach iatüsierrück
auf das Energieniveau 2?4, wie in Fig. 3 durch ten Erbium- oder Holmiumionenin die gleichen Grundden
Pfeil 11 angedeutet ist, Und vom Energieniveau EA gitter erreichen.
auf das Energieniveau E3>, wie durch den Pfeil 12 an- Ist in einem Grundgitter aus Lanthanfluorid, Stron-
gedeutet ist. Die auf diese Weise im Energiezustand £3 io tiumfluorid, Kalziumfluorid oder Bariumfluorid Erbium
angesammelten Elektronen geben dann ihre Energie anwesend, so treten bei Zimmertemperatur verschiedurch
Emission (spontan und/oder ausgelöst [stimu- dene Energieverhältnisse auf. Bei diesen kann die Freliert])
unter Rückkehr in den Energiezustand El und quenz der einfallenden Strahlung wie auch der An-Aussendung
sichtbarer Strahlung der Frequenz ^31 ab. regungsstrahlung im nahen-Infrarot liegen, während
Dieser Übergang ist in Fig. 3 mit dem Pfeil 13 an- 15 die aus einer Überlagerung der verschiedenen Umgedeutet. .Wandlungsvorgänge resultierende Fluoreszenzstrah-Bei
den erfindungsgemäß für den Aufbau von Bild- lung für das Auge deutlich sichtbar ist. Dabei hängt
wandlern eingesetzten. Kristallen, bei denen in einem die Farbe des entstehenden Fluoreszenzlichtes von
Grundgitter aus Lanthanfluorid (LaF3), Kalzium- .dem jeweiligen Grundgitter ab. Mit Lanthanfluorid
fluorid (CaF2), Strontiumfluorid (SrF2) oder Barium- ao als Grundgitter ist der überwiegende Teil der ausfluorid
(BaF2) die Seltenen Erden Dysprosium, Ter- gesandten Strahlung grün, wenn die Ionen auf genübium,
Neodym, Erbium oder Holmium in Formihrer gend hohe Energiezustände angeregt werden. Mit
dreifach positiv geladenen Ionen enthalten sind, Strontiumfluorid, Kalziumfluorid oder Bariumfluorid
können alle vorstehend erläuterten Energieverhältnisse als Grundgitter ist die vorherrschend ausgesandte
einzeln oder in Kombination für die Strahlungsaus- 25 Strahlung rötlich, orange, rot oder gelborange. Für
Sendung verantwortlich sein, so daß beispielsweise einige Umwandlungsprozesse wird sichtbare Strahlung
unterschiedliche Signal- und Anregungsfrequenzen in zur Anhebung der Energie der Ionen aus dem Grundden
Kristallen absorbiert werden können und dem- zustand benötigt, während eine infrarote Strahlung
entsprechend die Erzeugung unterschiedlich gefärbter ihre Energie weiter anhebt. Diese Prozesse eignen sich
Bilder möglich ist. Dabei liegt die Frequenz der An- 30 besonders für den Nachweis schwacher Infrarotregungsstrahlung
je nach dem für das stimulierbare strahlung. Bei Prozessen, bei denen die Anregungs-Medium
verwendeten Material im sichtbaren oder im strahlung ebenso wie die einfallende Signalstrahlung
infraroten Spektralbereich. Für die Herstellung der im nahen Infrarot liegtykann eine einzelne Breitband-Kristalle
kommt die Züchtung nach der Stockbarger quelle als Quelle sowohl für die einfallende Signal-Methode
in Betracht, wobei der jeweils in den Grund- 35 strahlung als auch für die Anregungsstrahlung dienen,
kristall eingebaute Anteil an Fremdionen nach unten Umwandlungsprozesse analog den in Fig. 1 und 2
durch den zur Erreichung einer merklichen Frequenz- veranschaulichten wurden mit Erbium als Verunreiniänderung
nötigen Wert und nach oben durch die unter gung in einem Grundgitter beobachtet. Bei den ProErhaltung des Grundgitters maximal in dieses ein- zessen nach F i g. 1 kann die einfallende Strahlung eine
bringbare Menge an Fremdionen gegeben ist. loner- 40 Wellenlänge von etwa 973 mn oder 1,5 μηι besitzen,
halb dieser Grenzen liegt der erfindungsgemäß bevor- die Anregungsstrahlung kann eine Wellenlänge von
zugte Anteil an Fremdionen zwischen 1 und 15 Atom- etwa 1,96 nm oder 1,15 μτα haben, und die Wellenprozent,
da bei diesen Konzentrationsverhältnissen die länge der abgegebenen Strahlung kann bei etwa
intensivsten Fluoreszenzübergänge auftreteD. 651 mn liegen. Bei den Prozessen nach F ig. 2 kann
Nunmehr seien einige Beispiele für das Verhalten 45 die einfallende Strahlung eine Wellenlänge von etwa 651,
der verschiedenen erfindungsgemäß' brauchbaren Kri- 973 oder wieder 973 nm und die Anregungsstrahlung
stalle näher angegeben: eine Wellenlänge von etwa 780, 978 mn oder 1,13/im
Ein Kristall, der in einem Grundgitter aus Lanthan- besitzen und die Wellenlänge der abgegebenen Strahfluorid,
Bariumfluorid, Kalziumfluorid oder Stron- lung bei etwa 541 nm liegen.
tiumfluorid dreifach positiv geladene Ionen von 50 Ist Holmium als Fremdion in einem Grundgitter aus
Dysprosium enthält, arbeitet sowohl bei Zimmertem- Lanthanfluorid, Strontiumfluorid, Kalziumfluorid oder
peratur als auch bei der Temperatur des flüssigen Bariumfluorid anwesend; so treten ebenfalls bei Zimmer-Stickstoffs
nach einem Termschema mit vier Energie- temperatur verschiedene Umwandlungsprozesse auf.
niveaus entsprechend der Fig. 2. Dabei weisen die Bei einem Prozeß haben die einfallende Signalstrahlung
einfallende Strahlung und die Anregungsstrahlung 55 und die Anregungsstrahlung Wellenlängen von etwa
Wellenlängen von etwa 1,69 μτα bzw. von 574 nm auf, 1,95 μΐη und 955 nm und die abgegebene Fluoreszenzwährend
die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung strahlung eine Wellenlänge von 641 nm (d. h., sie ist
bei etwa 478 nm liegt. . ■ rot). Dieser Prozeß ist bei Verwendung eines Lanthanin
ein gleiches Grundgitter eingebaute dreifach posi- fluorid-Grundgitters nur schwach ausgeprägt,
tiv geladene Neodymionen führen auf der Grundlage 60 Bei einem anderen Prozeß, der bei Verwendung von
verschiedener energetischer Abläufe zu der Aussendung Lanthanfluorid als Grundgitter stärker auftritt.als bei
einer Fluoreszenzstrahlung mit einer Wellenlänge von den anderen oben angegebenen Erdalkalifluoriden, ist
etwa 412 nm, jedoch ist die Intensität des so entstehen- das ausgesandte Licht grün. In diesem Fall haben die
den Lichtes nicht sehr hoch. einfallende .Signalstrahlung und die Anregungsstrah-
. .Auch durch den Einbau von dreifach positiv gelade- 65 lung Wellenlängen von etwa 1,18 μηα und 980 nm, und
nen Terbiumionen in eines der obenerwähnten Grund- die ausgesandte Strahlung hat eine Wellenlänge von
gitter läßt sich die Aussendung von elektromagnetischer etwa 535 nm. Beide Prozesse folgen- dem Termschema
Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes erzielen, der.Fig.1.
Bei einem weiteren Prozeß, der bei Verwendung eines der oben angegebenen Erdalkalifluoride als Grundgitter
beobachtet wird, ist die abgegebene Fluoreszenz-Strahlung blau. Dieser Prozeß wird durch F i g. 3 veranschaulicht
und schließt zwei Anregungsfrequenzen ein. Es lauf en tatsächlich zwei getrennte Prozesse nebeneinander
ab, bei denen einfallende und abgegebene Strahlung dieselben Frequenzen besitzen. Die einfallende
Strahlung hat eine Wellenlänge von etwa 641 nni, die sichtbare abgegebene Strahlung hat eine
Welleillänge von etwa 485 mn, und die Abregungsstrahlungswellenlängen liegen bei etwa 753 |und
821 nm.
Bei Erbium und auch bei Holmium liegen die-jbevorzugten
Ionenkonzentrationen im Bereich von 1 bis 15 Atomprozent.
Das wirksame Bauteil eines Bildwandlers besteht nun aus einer Platte aus einer kristallinen Substanz,
die am besten als Verunreinigung Erbium- oder Holmiumionen in einer Konzentration von 0,1 bis 30% in
einem Grundgitter aus einem Fluorid eines der Elemente Lanthan, Kalzium, Strontium oder Barium
enthält. Der Aufbau dieser Platte hängt von der für das resultierende sichtbare Bild geforderten Auflösung
ab. Wenn eine hohe Auflösung gefordert wird, bildet man die Platte entsprechend F i g. 4 aus einem Bündel
von Lichtleitfasern. Genügt eine geringere Auflösung, kann die Platte aus einem Mosaik von Kristallbausteinen
bestehen, wie es die F i g. 5 zeigt. Reicht eine noch geringere Auflösung aus, so kann die Platte aus
einem einzigen Kristall bestehen, wie in F i g. 6 gezeigt ist.
F i g. 4 zeigt einen Teilschnitt durch eine Platte, die das wirksame Bauteil eines Bildwandlers darstellt. Die
Platte 1 besteht aus einer großen Zahl von Lichtleitfasern, von denen einige mit 2 bezeichnet sind. Jede
dieser Lichtleitfasern besteht aus einer einzelnen Kristallfaser aus einem Fluorid eines der Elemente Lanthan,
Strontium, Kalzium oder Barium, das Holmium oder Erbium enthält. Jede der Lichtleitfasern 2 ist mit
einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex, wie Natriumfluorid oder ein Glas mit niedrigem Brechungsindex,
umkleidet, so daß die einfallende Signalstrahlung und die abgegebene Fluoreszenzstrahlung im
Faserinnern total reflektiert werden.
F i g. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausbildung der Platte, bei der die Platte 1 aus einem
Mosaik von Kristallbausteinen 3 besteht. Die Platte 1 wird durch Zerschneiden eines einzigen Kristalls der
verwendeten Substanz, Umkleiden von vier Seitenjedes der so gebildeten Kristallbausteine mit einer opaken
Substanz und erneutem Zusammensetzen bzw. -kitten der Kristallbausteine in ihrer ursprünglichen Anordnung
hergestellt, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. Die opake Deckschicht befindet sich an den Mantelflächen
der Kristallbausteine 3, wie durch die Linien 4 veranschaulicht wird, und sie läßt die Stirnflächen an der
Ober- und Unterseite der Platte 1 frei für den Lichtdurchgang.
F i g. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer aus einem einzigen Kristall gebildeten Platte.
Wenn einfallende Signal- und Anregungsstrahlung von einer einzigen in nahen Infrarot emittierenden
Breitbandquelle her empfangen wird, leistet die Platte 1 der F i g. 4, .5 oder 6 alles, was für die Umwandlung
eines einfallenden Signalbildes in ein sichtbares Bild benötigt wird. In diesem Fall läßt man die einfallende
Strahlung auf eine große Stirnfläche der Platte 1 auftreffen und kann das sichtbare Bild auf der Platte betrachten.
Ist jedoch die Quelle für die einfallende Strahlung schwach, so empfiehlt es sich, zusätzlich eine getrennte
Anregungsenergiequelle zu benutzen. In F i g. 7 ist eine entsprechende Anordnung dargestellt. Diese
Figur zeigt die schematische Zuordnung der Bauteile eines Bildwandlers unter Benutzung einer getrennten
Anregungsquelle in Seitenansicht Der Aufbau der
ίο Platte J kann der F ig. 4, 5 oder 6 entsprechen. Weiter
sind ein Spiegel 5, eine Quelle 6 für die Anregungsstrahlung und ein Filter 7 vorhanden. Das Filter 7 ist
dazu bestimmt, nur die Infrarotstrahlung der Quelle 6 durchzulassen und den sichtbaren Strahlungsanteil
zurückzuhalten. Die vom Filter 7 durchgelassene Infrarotstrahlung fällt auf den Spiegel 5 und wird auf die
Oberseite der Platte 1 reflektiert. Das einfallende Bildsignal wird von der Unterseite der Platte 1 aus empfangen.
Während der Spiegel 5 die infrarote Anregungsstrahlung
reflektiert, ist er für die sichtbare Strahlung durchlässig, so daß das in der Platte 1 entstehende sichtbare
Bild auch auf der Rückseite des Spiegels 5 beobachtet werden kann.
Claims (8)
1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem stimulierbaren Medium, dessen Grundkristall mit
Ionen mindestens eines Elements aus der Gruppe der Seltenen Erden dotiert ist, die ihre Anregungsenergie aus einer stufenweisen Anregung aus zwei
verschiedenen Bereichen einer elektromagnetischen Anregungsstrahlung beziehen, die sich zudem von
der Frequenz der zu erzeugenden Strahlung unterscheiden, wobei die Anregungsstrahlung des ersten
Bereichs die Elektronen auf eine erste höhere Energiestufe anhebt, während die des zweiten Bereichs
die bereits angeregten Elektronen darüber hinaus auf eine noch höhere Energiestufe anhebt, von der
aus sie dann unter Aussendung der zu erzeugenden Strahlung auf eine tiefere Energiestufe, beispielsweise
auf die Ausgangsstufe, zurückfallen, d adurch gekennzeichnet, daß als stimulierbare
Medien Lanthan-, Kalzium-, Strontium- oder Bariumfluorid mit eingebauten dreifach ionisierten
Atomen der Seltenen Erden Dysprosium, Terbium, Neodym, Erbium oder Holmium Verwendung
finden, wobei der Anteil der Dotierung zwischen 0,5 und 30% beträgt.
2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare
Medium als plattenförmiger Kristall (1) ausgebildet ist.
3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare
Medium aus einem zu einer Platte (1) zusammengefaßten Bündel aus Lichtleitfasern (2) mit
kristallinem Aufbau besteht, die senkrecht zur Plattenfläche ausgerichtet sind und deren gemeinsame
Stirnfläche die Plattenebenen darstellen.
4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare
Medium aus einem zu einer Platte (1) zusammengef aßten Mosaik von senkrecht zur Plattenebene ausgerichteten Kristallbausteinen (3) besteht
und deren gemeinsame Stirnflächen die Plattenebenen darstellen.
809701/1071
5.-Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch
4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kristallbaüsteine (3) der Platte (1) durch ein
opakes Material (4) längs ihrer Mantelflächen voneinander getrennt sind.
6. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Verwendung
als Bildwandler.
7. Bildwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die Quelle für die erste Anregungsstrahlung, die Signalstrahlung'(6),
10
ausgebildete stimulierbare im Bereich der zweiten Anundurchlässiges
Filter (7) ein-
und das als Platte
Medium (1) ein
regungsstrahlung
gefügt ist.
Medium (1) ein
regungsstrahlung
gefügt ist.
8. Bildwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen das stimulierbare Medium (1) und die Quelle für die erste Anregungsstrahlung, die Signalstrahlung (6), ein diese Strahlung
auf das stimulierbare Medium reflektierender, für die erzeugte Strahlung jedoch durchlässiger
Spiegel (5) eingefügt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1286240B true DE1286240B (de) | 1969-01-02 |
Family
ID=27254294
Family Applications (1)
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