DE1614648C3 - Optischer Sender - Google Patents
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Description
Senders ein mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (YAG: Nd3+), dann kann der nichtlineare Frequenzwandler in vorteilhafter Weise ein
Körper aus Lithium-Nioabt (NiNbO3) sein. In diesem
Falle beträgt die Wellenlänge der im stimulierbaren Medium erzeugten kohärenten Strahlung
1,06 μΐη, die beim Durchgang durch den Lithium-Niobat-Körper
in eine Wellenlänge von 0,503 ,um umgewandelt wird. Die Frequenzwandlung ist mit
einem Energieverlust behaftet, der mit wachsender Energie der dem nichtlinearen Frequenzwandler zugeführten
Strahlung zunimmt, so daß auch eine solche Anordnung im Sinne einer Gegenkopplung
stabilisierend auf die Amplitude der Ausgangsstrahlung einwirkt.
An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines optisehen
Senders nach der Erfindung,
F i g. 2 ein Energieniveauschema für ein Absorptionsfilter,
F i g. 3 ein weiteres Energieniveauschema für ein Absorptionsfilter,
F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen optischen Sender nach der Erfindung.
Der optische Sender nach der F i g. 1 weist ein stimulierbares Medium M auf, das in Reihe mit zwei
Absorptionsfiltern A1 und A2 in der optischen Achse
eines von zwei planparallelen Spiegeln S1 und S1, begrenzten
optischen Resonators angeordnet ist. Der Spiegel S1 ist voll reflektierend, während der Spiegel
S2 in geringem Maße zur Auskopplung der Laserstrahlung
teildurchlässig ausgebildet ist. Das Absorptionsfilter A1 ist ein nichtlinear absorbierender Stoff,
der wenigstens im spektralen Bereich der induzierten Emission für eine mit wachsender Energiedichte der
Strahlung zunehmende Absorption bemessen ist. Das Absorptionsfilter A1, ist gemäß der Erfindung ein bei
der Wellenlänge der Strahlung selektiv sättigbarer absorbierender Stoff, dessen Sättigungserscheinungen
mit zunehmender Energie der Strahlung vom Absorptionsfilter A x überkompensiert werden.
Die Eigenschaften des Absorptionsfilters A1 lassen
sich in besonders einfacher Weise mit einem Stoff erreichen, dessen Energieniveauschema dem im Diagramm
der F i g. 2 gezeigten entspricht. Das Energieniveauschema nach der F i g. 2 sieht drei Energieniveaus
E1, E1, und E3 vor, von denen das Energieniveau
E1 das Grundniveau darstellt. Der Abstand
zwischen dem Energieniveau E1 und dem Energieniveau
E9 einerseits und dem Energieniveau E9 und
dem Energieniveau E3 andererseits ist in beiden Fällen
gleich und hat den Wert h ■ v, worin A das Plancksche Wirkungsquantum und ν die dem Abstand
entsprechende Frequenz ist. Ein Stoff dieser Art ist beispielsweise Kohlendioxydgas (CO9), das
bekanntlich eine Vielzahl von Rotationsschwingungstherme mit Frequenzabständen um 10 ,um aufweist.
Besonders günstig gestalten sich die nichtlinearen Absorptionseigenschaften dann, wenn der hinsichtlich
seiner beiden Übergänge näherungsweise gleiche Frequenzabstände aufweisende Stoff zusätzlich einen
unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt, vorzugsweise einen stark unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt,
hat. Dieser Zusammenhang läßt sich an Hand der folgenden Überlegungen rasch übersehen.
Ohne Strahlung gilt für die Besetzungszahlen N1,
N2 und N3 für die drei Energieniveaus JE1, En und E3
N1 = N^N2 = N3 = O.
Für den Wirkungsquerschnitt sei angenommen
Für den Wirkungsquerschnitt sei angenommen
σ21 <
a3.2 (z. B. ö.i2 = 102 ■ σ21)
Damit berechnet sich der Absorptionskoeffizient
Damit berechnet sich der Absorptionskoeffizient
= oä
äl
- AQ
- N3)
Bei niedriger Strahlungsleistung ist
und es gilt für den Absorptionskoeffizienten α 1 bei
niedriger Strahlungsleistung
= σ21
σ32
O21-N0
,In Übereinstimmung mit einem unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt soll bei hoher Strahlieistung der
Übergang E2-E1 in Sättigung gehen, was N2 = N1 bedeutet.
Hinsichtlich des Überganges E1, -^- E3 sollen dagegen
die Relaxationseigenschaften keine Sättigung zulassen, was N3 <^ N2 bedeutet.
Für den Absorptionskoeffizienten α 2 bei hoher Strahlleistung gilt dann
\2 = σ32 · N2
N0
Es ergibt sich damit für den Absorptionskoeffizienten α 2 bei hoher Strahlung der 50fache Wert des
Absorptionskoeffizienten α 1 bei kleiner Stahlleistung. Der Absorptionskoeffizient steigt also mit
wachsender Energiedichte. Der dafür verantwortliche nichtlineare Prozeß ist die Sättigung im Übergang
E2-^E1.
Ähnliche Verhältnisse lassen sich in vielen Atomsystemen mit mehr als zwei Energieniveaus realisieren.
Besonders eignen sich dabei solche Stoffe, bei denen die Frequenzabstände wenigstens zweier Übergänge
bzw. zweier Energieniveaupaare zur Frequenz der induzierten Emission in einem Verhältnis ganzer
Zahlen stehen. Ein einfaches Energieni'veauschema hierfür zeigt das Diagramm der Fig. 3. Der nichtlinear
absorbierende Stoff besteht auch hier wiederum aus drei Energieniveaus E1, E2 und E.,, von denen
das Energieneveau E1 das Grundniveau darstellt und
bei dem sich die Frequenzabstände zwischen dem Energieniveaupaar E0-E3 (A · v) und dem Energieniveaupaar
E1-E1, (2 h · v) zur Frequenz der induzierten
Emission im Verhältnis 1: 1 und 1:2 verhalten.
Die mit zunehmender Energiedichte ansteigende Absorption kommt hier dadurch zustande, daß unter
dem Einfluß der Strahlung »Zwei-Quantenprozesse« stattfinden, d. h. daß die induzierte Emission mit der
Frequenz ν nicht nur den Übergang von Atomen des Energieniveaus E, zum Energieniveau E3, sondern
auch den Übergang von Atomen in Richtung JS1 —>- E, anregt, wenn auch mit erheblich geringerer
Wahrscheinlichkeit. Da bei fehlender Strahlung für die Besetzungszahlen N1, N0 und N3 der drei Energieniveaus
E1, E9 und E3 wiederum gilt
N1 = N0-N2=N3 = O,
kann eine Absorption im Übergang E9 -»- E3 erst
stattfinden, wenn der Übergang E1 —=>- E9 (2 h ■ v) im
Zuge der Einstrahlung der stimulierten Emission mit der Frequenz ν zu einer, wenn auch sehr geringen
Besetzung des Energieneveaus E2 geführt hat. Damit
wird aber dann die viel stärkere Absorption des »Ein-Quantenprozesses« im Übergang E., ->■ E3 wirksam.
Da im Ein-Quantenprozeß die Absorption proportional der Energiedichte der Strahlung, im
Zwei-Quantenprozeß jedoch proportional dem Quadrat der Energiedichte ist, nimmt infolge dieser
Nichtlinearität die Absorption der beiden Übergänge mit wachsender Energiedichte zu.
Eine weitere Möglichkeit der Realisierung des Absorptionsfilters A1 nach Fig. 1 besteht in dem bereits
erwähnten nichtlinearen Frequenzverdoppler. Stoffe mit wenigstens zwei Energieniveaupaaren, deren Frequenzabstände
unterschiedlich sind und zur Frequenz der induzierten Emission in einem harmonischen
Verhältnis stehen, gibt es in großer Vielfalt, da derartige Übergänge nach der Quantenmechanik
grundsätzlich in jeder Substanz auftreten. Der Vollständigkeit halber sei in diesem Zusammenhang auf
die von Laηdο 11 und Börnstein herausgegebenen
»Physikalisch-chemische Tabellen« und »Zahlen- und Funktionswerte aus Physik und Chemie«
hingewiesen.
Die gewünschten Eigenschaften eines nichtlinear absorbierenden Stoffes mit wenigstens zwei Energieniveaupaaren,
deren Frequenzabstände verschieden sind und zur Frequenz der induzierten Emission in
einem harmonischen Verhältnis stehen, lassen sich dadurch in einfacher und vorteilhafter Weise steuern,
daß dem Absorptionsfilter A1 eine Hilfsanregungsquelle
zugeordnet ist, die für das Anregen eines der an den absorbierenden Übergängen beteiligten Energieniveaus
zur Steuerung eines oder mehrerer absorbierender Übergänge bemessen ist. In Anwendung
auf das Energieniveauschema nach der F i g. 3 bedeutet dies, daß mittels der Hilfsanregungsquelle der
Übergang E1 ->- E2 angeregt wird, so daß in Abhängigkeit
dieses Anregungsvorgangs die Absorption des Überganges E9 -y E3 gesteuert werden kann. Besteht
das Absorptionsfilter aus einem Halbleiter oder einem Gas, so kann der Anregungsvorgang in Form
eines Stromflusses durch den Halbleiter bzw. durch das Gas mittels Gasentladung erfolgen. Auch eine
Lichteinwirkung auf ein Gas, einen Halbleiter oder einen Kristall ist möglich.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Art für einen optischen Sender ist in der F i g. 4 im Schema angegeben.
M bedeutet wiederum das angeregte stimulierbare Medium, das zusammen mit dem steuerbaren
Absorptionsfilter A1 und dem Absorptionsfilter A.,
in der optischen Achse des von zwei ebenen Spiegeln S1 und S2 begrenzten optischen Resonators angeordnet
ist. Hinter dem teildurchlässigen Spiegel S9 ist in
Strahlrichtung ein weiterer teildurchlässiger Spiegel S3 angeordnet, der zur Strahlrichtung unter einem
Winkel von 45° geneigt ist. Ein geringer Teil des Laserausgangsstrahls wird am Spiegel Ss senkrecht
zur Strahlrichtung abgelenkt und einer Photodiode PH zugeführt, die mit dem Eingang eines Verstärkers
V verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers V ist mit den Elektroden des hier elektrisch
steuerbar ausgeführten Absorptionsfilters A1 verbunden.
Der Steuerkreis für das steuerbare Absorptionsfilter A1 ist im Sinne einer Gegenkopplung so
bemessen, daß bei ansteigender Amplitude des Laserausgangsstrahls das steuerbare Absorptionsfilter
A1 für eine zunehmende Absorption und umgekehrt gesteuert wird.
Hierzu !"Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Optischer Sender (Laser) mit einem stimu- ehern Umfange und damit die Amplitude der durch
lierbaren Medium, das zusammen mit einem der 5 die Auskoppelvorrichtungen nach außen abgegebe-Amplitudenstabilisierung
dienenden Absorptions- nen Energie der Strahlung. Insbesondere lösen sie bei filter, dessen Absorption bei wachsender Energie- zahlreiche Laseranordnungen heftige Relaxationsdichte der kohärenten Strahlung nichtlinear zu- schwingungen aus.
nimmt, innerhalb eines mit einer Auskoppelvor- Von der durch einen Laser erzeugten kohärenten
richtung versehenen optischen Resonators an- io Strahlung wird in zahlreichen Anwendungsfällen
geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, nicht nur eine ausreichend stabilisierte Amplitude,
daß zur zusätzlichen Frequenzstabilisierung im sondern auch eine hohe Frequenzstabilität erwartet,
optischen Resonator (S1, Sv) neben dem obenge- Für die Frequenzschwankungen sind in erster Linie
nannten ersten Absorptionsfilter (A1) ein zweites ebenfalls thermische Einflüsse sowie mechanische
selektiv sättigbares Absorptionsfilter (A2) an- 15 Veränderungen maßgebend.
geordnet ist und daß das erste Absorptionsfilter Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
(A t) für ein solches Absorptionsverhalten bemes- amplitudenstabilisierten optischen Sender der einleisen
ist, daß mit wachsender Energiedichte der tend beschriebenen Art hinsichtlich einer Verbessekohärenten
Strahlung die Sättigungserscheihun- rung der Stabilität seiner Frequenz gegenüber störengen
des zweiten Absorptionsfilter (A.-,) vom er- 20 den Einflüssen mit einfachen Mitteln weiterzubilden,
sten Absorptionsfilter (A1, A1) derart überkom- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
pensiert werden, daß die kohärente Strahlung gelöst, daß zur zusätzlichen Frequenzstabilisierung
einem stabilen Höchstwert ihrer Intensität zu- im optischen Resonator neben dem obengenannten
strebt. ersten Absorptionsfilter ein zweites selektiv sättigba-
2. Optischer Sender nach Anspruch I, dadurch 25 res Absorptionsfilter angeordnet ist und daß das ergekennzeichnet,
daß dem ersten Absorptionsfilter ste Absorptionsfilter für ein solches Absorptionsver-
(A1, A1) eine Hilfsanregungsquelle (Ph, V) zu- halten bemessen ist, daß mit wachsender Energiegeordnet ist, die für das Anregen eines der an den dichte der kohärenten Strahlung die Sättigungserabsorbierenden
Übergängen beteiligten Energie- scheinungen des zweiten Absorptionsfilters vom erniveaus
(E1, E.„ Ea) zur Steuerung eines oder 30 sten Absorptionsfilter derart überkompensiert wermehrerer
der absorbierenden Übergänge bemes- den. daß die kohärente Strahlung einem stabilen
sen ist. Höchstwert ihrer Intensität zustrebt.
3. Optischer Sender nach Anspruch 2. dadurch Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß
gekennzeichnet, daß das erste Absorptionsfilter die zusätzliche Verwendung eines Güteschalters in
(A1, A1) ein nichtlinearer Frequenzwandler ist. 35 Form eines selektiv sättigbaren Absorptionsfilters ne-
4. Optischer Sender nach Anspruch 3, bei dem ben der durch ebenfalls ein Absorptionsfilter erreichdas
stimulierbare Medium ein mit Neodym do- ten Amplitudenstabilisierung eine Frequenzstabilisietierter
Yttrium-Aluminium-Granat (YAG: Nd3+) rung, und zwar bei außerordentlich geringem techniist,
dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer sehen Aufwand, ermöglicht. Güteschalter dieser Art,
Frequenzwandler ein Körper aus Lithiumniobat 40 wie sie beispielsweise bei Riesenimpulslasern (deut-(NiNbO3)
vorgesehen ist. sehe Offenlegungsschrift 1 439 744) zur Anwendung
gelangen, unterstützen an sich nach Art seiner Mitkopplung die vorhandenen störenden Amplituden-
Schwankungen der Laserausgangsstrahlung, weil eine
45 Zu- oder Abnahme der Energie der kohärenten Strahlung durch die hierzu sich in gleicher Richtung
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen ändernden Sättigungserscheinungen dieses Absorp-Sender
(Laser) mit einem stimulierbaren Medium, tionsfilters die Amplitudenschwankungen der Ausdas
zusammen mit einem der Amplitudenstabilisie- gangsstrahlung vergrößern. Die selektiv sättigbaren
rung dienenden Absorptionsfilter, dessen Absorption 50 Eigenschaften eines solchen Absorptionsfilters haben
bei wachsender Energiedichte der kohärenten Strah- aber den Vorteil, daß sie im Sinne einer Frequenzstalung
nichtlinear zunimmt, innerhalb eines mit einer bilisierung auf die Anordnung einwirken. Durch die
Auskoppelvorrichtung 'versehenen optischen Resona- erfindungsgemäße Überkompensation der Sättigungstors angeordnet ist. erscheinungen des zusätzlichen Absorptionsfilters
Anordnungen dieser Art sind beispielsweise durch 55 lassen sich die frequenzstabilisierenden Eigenschafdie
Literaturstelle »Applied Physics Letters«, Bd. 11, ten dieses zusätzlichen Absorptionsfilters ausnutzen,
Nr. 7, 1. Oktober 1967, S. 213 bis 215, bekannt. Das ohne daß hierdurch die gewünschte Amplitudenstabi-Absorptionsfilter,
dessen Absorption bei wachsender lisierung beeinträchtigt wird.
Energiedichte der kohärenten Strahlung nichtlinear Für manche Anwendungszwecke ist es vorteilhaft,
zunimmt, stellt praktisch eine Art Gegenkopplung 60 dem ersten, der Amplitudenstabilisierung dienenden
dar, durch die dem Einfluß von Störeffekten auf die Absorptionsfilter eine Hilfsanregungsquelle zuzuord-
Amplitude der erzeugten bzw. verstärkten kohären- nen. die für das Anregen eines der an den absorbie-
ten Strahlung wirksam entgegengearbeitet wird. renden Übergängen beteiligten Energieniveaus zur
Solche Störeffekte sind thermisch bedingte gerin<;fü- Steueruns eines oder mehrerer der absorbierenden
gige Änderungen der Abmessungen des stimulierba- 65 übergänge bemessen ist.
ren Mediums, Änderungen an der Oberfläche der Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das erden
Resonator darstellenden Spiegel, unvermeidbare ste Absorptionsfilter ein nichtlinearer Frequenz-Schwankungen
in der Energiezufuhr der Anregung- wandler, lsi das stimulierbarc Medium des optischen
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