DE1952501C - Optischer Sender mit optischen Nach verstärkern fur kohärentes Licht - Google Patents
Optischer Sender mit optischen Nach verstärkern fur kohärentes LichtInfo
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Description
ι 952 5Oi
Die Erfindung betrifft einen optischen Sender mit optischen Nachverstärkern für kohärentes Licht, bei
welchem eine unterschiedliche Lichtstromdichte über den Querschnitt der stabförmigen stimulierbaren
Medien, die durch eine am Slabumfang gegenüber dem zentralen (um die optische Achse herum) liegenden
Bereich unterschiedliche optische Anregung verursacht ist, ausgeglichen wird.
Bekanntlich ist infolge der Eigenlichtabsorption von stabförmigen stimulierbaren Medien das optische
Pumpen im allgemeinen in der Mitte viel schwächer als am Rand, so daß die Verteilung der angeregten
Ionen in einem Zylinderstab am Ende des optischen Pumpens einen radialen Verlauf in Form eines Trogs
hat. Man spricht daher davon, daß »die Rinde« des Stabs viel stärker als sein »Stamm« gepumpt wird.
Die Dichte der Besetzungsumkehr, die proportional zu der durch das Pumpen gespeicherten Energiedichte
ist, fällt tuner stark vom Rand zur Mitte ab, und die emittierte Lichtleistung ist praktisch in
einem Ring am Umfang des Stabs konzentriert. Dieser Effekt wird noch durch die Stäbe der folgenden
Stufen verstärkt, so daß die Lichtstromdichte des in einer Verstärkerkette verstärkten kohärenten
Lichtstrahls eine radiale Verteilung hat, die mehr und mehr zum Rand zunimmt. Da die Lichtstromdichte
durch die Bruchgrenze des Werkstoffs der stimulierbaren Medien begrenzt ist, ist man zur Verwendung
von Stäben gezwungen, deren Durchmesser viel größer ist, ais er bei radial homogener Lichtstromdichte
wäre.
Es ist daher bereits bekanntgeworden (vgl. französische
Patentschrift 1519 810), jur Verbesserung
der Homogenität des kohärenten Lichts in einer Verstärkerkette die radiale Änderung der Besetzungsumkehrdichte,
die durch das Pumpen eines Stabs erzeugt wird, durch eine entgegengesetzte radiale
Änderung der Länge des Materials zu kompensieren, das von den verschiedenen Lichtstrahlen durchlaufen
wird, die den zu verstärkenden Lichtstrom bilden,
damit die durch diesen Stab erzeugte Verstärkung auf dessen ganzem Querschnitt konstant ist. Daher
verjüngt man das Ende der Stäbe so. daß deren Länge L von der Mitte zum Umfang abnimmt, wobei
die Funktion L (r). die die Lange L der Mantellinien eines Stabs als Funktion ihres Abstands r
von der Achse angibt, folgendermaßen lautet:
Ur) =
[log
- log ,
möglich ist, dem Stabende eine Form zu geben, die gleich der durch die Gleichung bestimmten ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde.
eine andere Lösung anzugeben, die die Schwierigkeiten
des eben geschilderten bekannten Vorgehens
überwindet, insbesondere sehr einfach durchzuführen ist.
Die Aufgabe wird bei einem optischen Sander der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß beim
ίο Übergang des zu verstärkenden kohärenten Lichts
von einem stimulierbaren Medium in das nachfolgende ein vollkommener Bereichswechsel in der
Weise durchgeführt ist, daß alle peripheren Strahlen Jes vorausgehenden stimulierbaren Mediums im zen-
traten, um die optische Achse liegenden Bereich des nachfolgenden stimulierbaren Mediums weiterverstärkt
werden und umgekehrt alle zentralen Strahlen des vorausgehenden stimulierbaren Mediums an der
Peripherie des nachfolgenden Mediums weiter verstärkt werden.
Dazu ist es zweckmäßig, daß die stimulierbaren Medien der Verstärkerkette als Stirnflächen nach
außen vorspringende Kegel als stumpfe konische Flächen mit der optischen Achse als Rotationsachse
aufweisen, wobei die Abweichung des halben -öffnungswinkels
von 90° klein genug ist, um Lichtverluste durch Reflexion an den Stabenden zu vermeiden.
Demgegenüber war es bisher lediglich bekannt
(Proceedings of the IEEE, Bd. 54, Nr. 4, April 1966. S. 555 bis 560), einen offenen Mikrowellenoszillator
durch zwei koaxial angeordnete, konkave metallische Kegelreflektoren zu bilden. Dabei haben die Kegelreflektoren
einen halben öffnungswinkel von 73°.
Ein derartiger Resonator dient zur Unterhaltung von Wanderwellenresonanzen. Genauer gesagt, der
bekannte Resonator ist zur Rückkopplung vorgesehen, um die von einem gebündelten Elektronenstrahl,
der sich entlang einem Kanal in einem geeigneten Dielektrikum ausbreitet, erzeugte Cerenkov-Strahlung
zu verstärken.
Ein ähnlicher Mikrowellenresonator ist auch an anderer Stelle beschrieben worden (Applied Optics.
Bd. 6. Nr. 3. März 1967, S. 584 und 585).
Die Erfindung wird ferner dadurch weitergebildet, daß bei gleichem Durchmesser 2 R zweier aufeinanderfolgender
stimulierbarer Medien der halbe öffnungswinkel beider Kegel 90" - η beträgt, wobei bei
kleinem η der Abstand L zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Stäben durch folgende Gleichung bestimmt ist:
r, = wirksamer Querschnitt des stimulierbaren
Mediums für die IJchtwcllenlänge.
I1, (r) = Verteilung der Beselzungsumkchr nach dem Pumpen in Abhängigkeit vom Abstand r von der Achse.
I1, (r) = Verteilung der Beselzungsumkchr nach dem Pumpen in Abhängigkeit vom Abstand r von der Achse.
ν = Lichtstrom, bei dem die Bruchgrcnze des
Werkstoffs des stimulierbaren Mediums erreicht wird.
ι, = Emissionsfrequenz des optischen Senders.
I1 = Lichtstromdichtc des I'hotoncnstroms an
der Fintrittsfläche des optischen Senders.
Wenn diese Lösung auch in manchen Fällen zufriedenstellend
ist. ist es jedoch offensichtlich, daß die Bestimmung der Funktionen InIc) und
>, verschiedene Schwierigkeilen aulwirf; und es nicht immer
mit η als Brechungsindex des Werkstoffs der stimulierbaren
Medien.
Fs ist ferner vorteilhaft, daß erstens bei verschiedenem
Durchmesser 2 Λ und 2kR zweier aufein-
(Ό andcrfolgendcr stimulierbarer Medien das aus dem
vorausgehenden Medium austretende Parallcl-Strah-Icnbündcl
um den Faktor k durch ein afokales optisches System aufgeweitet wird, das aus einer
Zerstreuungslinse und einer Sammellinse besteht.
<\s und daß zweitens die einander gegenüberliegenden
Kegel aufeinanderfolgender Stäbe unterschiedliche
halbe öffnungswinkel 90
und 90 -
haben.
1 952 5Oi
wülvi !>ei kleinem η der Abstand /. /wischen zwei
aufcn, .!ulerfolgenden Stäben durch folgende Gleichini
Ivstimmt ist:
("1
laufend angenommen werden, auf dessen Ende,unter einen Einfallswinkel η und werden unter einem Winkel
π' gebrochen, so daß gilt:
sin η =
sin
Die entstehende Richtungsabweichung D - <· »,
die Tür alle Strahlen gleich ist, lautet folgendermaßen:
Is dem Abstand zwischen dem bildr;ciiigen n _ _n
■nkt der Sammellinse und der Kegelspitze D - in I)",
!!folgenden Mediums und mit Πχ als dem 10 wenn der Winkel η hinreichend klein ist.
zwischen dem gegenstandsseitigen Brenn- Da alle diese Strahlen eine Einfallsebene haben,
jr Sammellinse und der Austritlsfläche des die die Drehachse x'x des optischen Senders enthalt,
■henden Mediums. treffen die aus dem Stab Ax austretenden, gebrochenen
;ilich empfiehlt es sich, daß zur Verringerung Strahlen sämtlich auf die Achse x'x und fallen mit
!stromdichte im Bereich der optischen Achse 15 dem gleichen Einfallswinkel u auf die Eintrittsflache
folgenden Mediums und zur Verringerung des Stabs A-,. Man erhält daher im Stab A2 ein
,M^riiistP .nfy.it,,>
η;,«.™™-, ,w .,„u::
Bündel von Lichtstrahlen, die parallel zur Achse χ χ
verlaufen. Wie man leicht sieht, reicht es aus, damit
alle vom Stab Ai emittierten Strvilen vom stab A1
empfangen werden, wenn die Richtung Abweichung D,
irfindung wird an Hand der Zeichnung näher der Radius R der Stäbe und der Abstand L die
rt. Es zeigt
Absi
pun'1
vor.
pun'1
vor.
Strai;
Met!..
D:
erläi1.
erläi1.
Fi
Senc.
Senc.
lierb-
tisch-.
Lichiiiromdichte in der Mitte des zweiten Stabs
erzenat.
F:;_:. 4 ein Ausführungsbeispiel des optischen
Senders gemäß der Erfindung, wenn die beiden
niverluste infolge Divergenz der kohärenten
11 im vorausgehenden Medium eine Kreis-
an der Austrittsfläche des vorausgehenden •us angebracht ist.
ein Ausführungsbeispiel des optischen gemäß der Erfindung, wenn die beiden als
Nachverstärker dienenden Stäbe aus stimu-
m Medium den gleichen Radius haben, 2 und 3, wie verhindert wird, daß der op-
Sender gemäß der Erfindung eine zu große
Bedingung erfüllen:
tg D = T, woraus bei kleinem Winkel in guter Näherung folgt:
Stäbe aus stimulierbarem
Radius haben, und
Radius haben, und
Medium verschiedenen
Daher läuft ein am Rand des Stabs Ax sich ausbreitender
Lichtstrahl jetzt durch die Mitte des
.., Stabs A1 und ein in der Mitte des Stabs Ax sich aus-
F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel des optischen 35 breitender Lichtstrahl durch den Rand des Stabs A1.
Senders gemäß der Erfindung, wenn die im Stab Ax Obwohl der Winkel η keinen bestimmton Wert
sich ausbreitenden Lichtstrahlen nicht genau parallel anzunehmen braucht, abgesehen davon, daß er für
zu dessen Achse verlaufen. beide Kegel gleich sein muß, ist es vorteilhaft, ihm
F i g. 1 zeigt einen optischen Sender mit einer nur einen kleinen Wert zu geben, um nicht nur die
optischen Nachverstärkerkette gemäß der Erfindung, 4° Reflexionsverluste an der Austrittsfläche des Stabs,Ax
wenn das von einem als optischer Nachverstärker zu verringern, sondern auch einen ausreichenden
Abstand der Stäbe zu ermöglichen, der mit den Abmessungen
des gesamten optischen Senders verträglich ist.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß in dem Zwischenraum zwischen den beiden Nachverstärkern
in Form der Stäbe Ax und A1 keine übermäßige
Lichtstromdichte und damit Energiekonzentration
I1U1 Lll,„„ull„„ ^ ^„„,..,v...^.,. auftritt, da der kleinste Querschnitt des Strahls in
Da die Intensität des vom Stab Ax emittierten 50 diesem Zwischenraum im wesentlichen ein Viertel
kohärenten Lichtstrahls wie bereits erwähnt der Stabquerschnittsfläche ist. weil in der;Mitte des
einen radialen Verlauf hat. der zur Stabachse hin
mehr und mehr schwächer wird, richtet man auf die
Mitte des Stabs A1 das Licht vom Umfang des Slabs Ax
und auf den Umfang des Stabs A1 das Licht von der 55 werden, daß bei Austritt von Licht aus dem Mat) 4, Mitte des Stabs Ax. Das wird in besonders einfacher mit einer radialen Verteilung der Licht- bzw. Energie Weise dadurch erreicht, daß einerseits die Austritts- stromdichte, die ein Minimum in der Mitte hat. da; fläche des Stabs /I1 und die Eintrittsfläche des Stabs am Stab A1 eintreffende Licht eine radiale V erteiluiii Ί, die Form von Rotationskcgeln um die System- hat, die ein Maximum in der Mitte nat. Wenn 7 (r achse mit dem gleichen halben öffnungswinkel 90 -<, 60 die Energiestromdichte ist. die aus dem Stab /I1 aus tritt, ist im Absfind ;· von der Achse ein Energie
mehr und mehr schwächer wird, richtet man auf die
Mitte des Stabs A1 das Licht vom Umfang des Slabs Ax
und auf den Umfang des Stabs A1 das Licht von der 55 werden, daß bei Austritt von Licht aus dem Mat) 4, Mitte des Stabs Ax. Das wird in besonders einfacher mit einer radialen Verteilung der Licht- bzw. Energie Weise dadurch erreicht, daß einerseits die Austritts- stromdichte, die ein Minimum in der Mitte hat. da; fläche des Stabs /I1 und die Eintrittsfläche des Stabs am Stab A1 eintreffende Licht eine radiale V erteiluiii Ί, die Form von Rotationskcgeln um die System- hat, die ein Maximum in der Mitte nat. Wenn 7 (r achse mit dem gleichen halben öffnungswinkel 90 -<, 60 die Energiestromdichte ist. die aus dem Stab /I1 aus tritt, ist im Absfind ;· von der Achse ein Energie
dienenden zylindrischen Stab Ax aus stimulierbarem
Medium mil dem Radius R, dem Brechungsindex η
und der Achse x'x emittierte Licht in einen weiteren Nachverstärker in Form eines identischen Stabs A1
aus stimulierbarem Medium mit gleicher Achse eindringt, der vom Stab A1 um einen Abstand L entfernt
ist, um die Homogenität des verstärkten kohärenten Lichtstrahls zu gewährleisten.
optischen Sender? das ganze Licht dur;h einen Kreif mit dem Radius Ί durchtritt. Es kann leicht geztig'
haben, wobei der Winkel η einen kleinen Wert hat.
und andererseits der Abstand L folgender Gleichung '-!einigt:
[11
R I.
fts
Inter diesen Bedingungen treffen die Lichtstrahlen.
c ;ils »cnaii parallel zur Achse des Stabs /I1 vcr-
strom durch einen Kreisring mit dem Radius r um der Breite dr vorhanden:
d Φ = 7 |r) 2.τ rdr.
Dieser Fncrgicstrom. der in den Stab A1 inncrhall
eines Kreisrings mit dem Radius r' = R—r und de Ureite dr' = dr eindringt, erzeugt im Abstand r' voi
kr Achse eine Energiestromdichte '/'(O und damit ] Φ = ί'(γ') In(R-r) dr. so daß man erhält:
'/(''I - ί (rl
Man sieht unmittelbar, daß die Funktion 'i'(r')
gjeich Null fiir r' = R und unendlich für r' = O ist.
was im Prinzip einer Energiestromdichte an der Eintrittsfläche des Stabs A1 entspricht, die Null am
Rand und unendlich groß in der Mitte ist: daher wird die Verteilung 7 (r), die ein Minimum in der
Mitte hat, zu einer Verteilung 7'(»■'), die in der Mitte
ein Maximum hat.
Man muß daher damit rechnen, daß in manchen Fällen die (theoretisch unendlich große) Energiestromdichte
in der Mitte des Stabs A1 die Bruchgrenze des Werkstoffs des stimulierbaren Mediums
überschreitet. Aus diesem Grund werden im folgenden gewisse Abwandlungen des optischen Senders gemäß
der Erfindung beschrieben, die zur Begrenzung der Energiestromdichte an der Eintrittsfläche des Stabs
A1 dienen. Die Abwandlungen können in zwei Gruppen
eingeteilt werden.
Bei der ersten Gruppe, die schematisch in F i g. 2 abgcHMct ist. wird an der Ausgangsfläche des Stabs A1
eine Kreisblende B mit einem lichten Radius c angebracht. Daher tritt aus einer Randzone des Stabs A1
mit einer Breite ο kein Licht aus, so daß kein Licht in der Mitte des Stabs A1 zwischen r' = 0 und r' = 0
eintritt. Der Wert von ρ bzw. von c ist durch die Energiestromdichte bestimmt, die im Stab A1 nicht
überschritten werden darf.
Bei der zweiten Gruppe, die schematisch in F i g. 3 abgebildet ist. erhöht man den Abstand des Stabs A1
vom Stab Ax um einen zusätzlichen Abstand IL.
wodurch sich eine radiale Versetzung aller Eintrittspunkte der Strahlen ergibt, die dem Fehlen von
Licht in der Mitte des Stabs A1 bis zu einem Abstand
o' von der Achse entspricht, wobei gilt:
a = (n-l)fi.iL.
In diesem Fall ist der Wert von ο bzw. 1L durch
die Energiestromdichte bestimmt, die an der Eintrittsfläche des Stabs A1 nicht überschritten werden
darf.
Diese zweite Ausführung ist wesentlich vorteilhafter als die erste, weil sie zu einem geringeren
Lichtverlust fuhrt. Im vorliegenden Fall geht das Licht verloren, das sich außerhalb der Eintrittsfläche
des Stabs A1 ausbreitet und aus einem Kreis mit dem
Radius./ um die Mitte der Austrittsfläche des Stabs -I1
stammt, d. h. aus dem Bereich, in dem der Energiestrom
am schwächsten ist. während man bei Verwendung der Blende B dasjenige Licht verliert, das
vom Rand der Austrittsfläche Ax aus einem Kreisring
der Breite ο austritt, d. h. dem Bereich, wo der
Energiestrom am stärksten ist.
F i g. 4 betrifft den Fall, daß die Stäbe A1 und A2
einen unterschiedlichen Radius R bzw. kk haben. Der vom Stab -4, emittierte Lichtstrahl wird hier
um einen Faktor k durch ein afokales optisches System aufgeweitet, das aus einer Zerstreuungslinse L,
und einer Sammellinse L1 besteht. Auch hier haben
die Austrittsflächen des Stabs .4, und die Eintrittsfläche des Stabs .42 die Form von Rotationskegeln
um die Achse x'x des Systems, aber diese Kegel haben halbe öffnungswinkel = 90"-·/, und 90"-ί:.
wobei ί, und <i>
durch die Gleichung .i2 = ", verknüpft
sind.
Unter diesen Bedingungen tritt keine Änderung bezüglich der Richtungsabweichung D der vom Stab
/4, emittierten Strahlen ein. die D = (m-1)«, bleibt.
wobei das afokale optische System die Richtungs-
abweichung auf k verringert, aber die Parallelität
der Strahlen erhält, die sich anfangs in der gleichen radialen Ebene des Stabs Ax befinden, wobei zur
Aufrechterhaltung der Parallelität im Stab A1 parallel
zur Systemachse der Winkel <i2 folgender Gleichung
genügen muß:
, = (fl - 1)<ι2.
d.h.
.,I
τ ■
Es sei A der Punkt, in dem die Strahlen vom Rand
des Stabs Ax die Achse schneiden. Damit das vom Rand des Stabs Ax emittierte Licht in der Mitte des
Stabs 42 ankommt und umgekehrt, ist es notwendig,
daß üas afokale System den Punkt A in einem Bildpunkt A' abbildet, der sich auf der Kegelspitze der
Eingangsfläche des Stabs A, befindet. Wenn der Winkel «, klein gewählt wird, das afokale
System unter den Gaußschen Bedingungen arbeitet und maa setzt:
(ί = F1Zl(F1 ist der gegenstandsscitige Brennpunkt
der Linse L1) und
"' = ^?^ f ί 'st ^er bildseitigc Brennpunkt der
Linse L2). dann erhält man:
wobei /j und /2 die Brennweiten der beiden Linsen
sind.
Wenn man den Abstand der Austrittsfläche dc<
Stabs Ax zum Brennpunkt F1 n, = SFx setzt, erhall
man:
SA = 5F1 + FxA = σ
Daraus folgt:
Daraus folgt:
j.Z 1-1
d.h.
Das ist im vorliegenden Fall die zu erfüllenc Bedingung, die an Stelle der Gleichung In— Il η =
tritt, die gilt, wenn die beiden Stäbe gleichen Durcl
messer haben. Daraus ist ersichtlich, daß es zw Möglichkeiten der Einstellung gibt, nämhch der La;
f>5 des afokalen optischen Systems und d*e Läse d
Stabs A1.
Es ist bis jetzt angenommen worden, daß ai
Lichtstrahlen, die sich im Stab .4. ausbreiten, parat'
zur Achse x'x des rotationssymmetrischen Systems sind, so daß jeder Strahl in einer Ebene durch die
Achse verlauft. Tatsächlich sind die Lichtstrahlen nicht immer genau parallel und -- wie F i g. 5
zeigt empfängt bei Verwendung von zwei Stäben mit gleichem Durchmesser ein Punkt P der AustrittsÜäche
des Stabs /I1 tatsächlich Strahlen, die im
Innern eines Kegels verteilt sind, der als rotationssymmetrisch
und mit einem halben öffnungswinkel G angenommen werden soll.
Der Einfallswinkel auf dieser Fläche ist daher nicht genau n für alle Strahlen, sondern kann irgendeinen
Wert zwischen « + G und <ι - G annehmen.
Außerdem ist die Einfallsebene nicht mehr eine Ebene, die die Achse x'x unabhängig vom Strahl
enthält. Daraus ergibt sich, daß das den Stab Ax im
funkt P verlassende Licht auf den Stab A2 nicht
mehr in einem Punkt P' trifft, sondern auf eine tewisse Fläche um den Punkt P', so daß der vom
Punkt P emittierte Strahl auf der Eintrittsfläche des Stabs A1 einen Tieck bildet. Dieser Fleck hat eine
radiale Ausdehnung 2a und eine tangentiale Ausdehnung 2b. Es ist ersichtlich, daß Voraussetzung
für einen einwandfreien Betrieb der optischen Sender ist. daß α und b relativ zum Radius R des Stabs
klein sind.
In radialer Richtung, wenn die Winkel <i (Neigung
der Kegelflächen relativ zu einer Ebene senkrecht zur ^hse) und G (Strahldivergenz im Stab A1) klein
sind, bilden die im Punkt P ankommenden Strahlen an der Austrittsfläche des Stabs Ax ein Strahlenbündel
mit dem halben öffnungswinkel η G. Die Neigung zur Achse des mittleren Strahls dieses
Strahlenbündels ist D = (n-l)«. wenn die Einstel-
lungsbedingung In-ll-i= erfüllt ist. so daß die
radiale Abmessung α des auf der Eintrittsfläche des
Stabs A2 gebildeten Flecks im wesentlichen bestimmt
ist durch:
π H R
L =
, ...
in - 1) η
in - 1) η
Damit α bedeutend kleiner als R ist, muß daher G
sehr viel kleiner als η sein. Daraus ergibt sich, daß
der Winkel <i zwar klein, aber nicht zu klein sein
darf. So ergibt sich für η = 1.5 und tt = 5 · HT* rad.
wenn - kleiner oder gleich IU 2 sein soll, ein Win-
kel '< größer oder gleich 0.Ί5 rad (etwa 9C). 5<-
Da außerdem radial die Strahlen quer zu einer Luftschicht mit parallelen Flächen verlaufen, erhält
man im Stab .4, einen Strahl, dessen radiale Divergenz
G ist.
In bezug auf den Lichtverlust ist festzustellen, daß ?>
das Licht von der Mitte des Stabs .4, teilweise verlorengeht,
da ungefähr die Hälfte der Strahlen außerhalb des Stabs A1 verläuft. Das vom Rand des Stabs
Ax stammende Licht geht ebenfalls teilweise verloren.
da ein Teil der Strahlen von der verkehrten Seite to relativ zur Kegelspitze der Eintrittsfläche des Stabs ,-I2
verläuft. Diese Lichtverluste können insgesamt verringert werden, indem eine Blende an der Austrittsfläche des Stabs Ax angebracht oder vorzugsweise
der Stab .4- um einen Abstand IL' zurückgesetzt
wird:
1 L ~~ D in - 11 α '
Das gesamte aus dem Rand des Stabs Ax austretende
Licht verläuft dann zur richtigen Seite des Stabs A1. Man verliert dann zwar das gesamte von
der Mitte des Stabs Ax austretende Licht, aber diese
Verluste sind viel schwächer als der durch das andere Licht erzielte Gewinn.
Die Verwendung einer Blende an der Austrittsfläche des Stabs Ax oder das Versetzen des Stabs A2
erlaubt also nicht nur wie oben angegeben die Verringerung der Energiestromdichte in der Mitte des
Stabs A2, sondern auch die Verringerung der Lichtverluste
infolge Divergenz der Strahlen im Stab Ax.
In tangentialer Richtung kann auf Orund des Brechungsgesetzes gezeigt werden, daß. wenn die
Winkel klein sind (wie es bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung der Fall ist), die im Punkt P eintreffenden
Strahlen an der Austrittsfläche des Stabs Ax
ein Bündel ergeben, dessen Divergenz noch gleich η G ist. Die tangentiale Abmessung des durch das
Lichtbündel an der Eintrittsfläche des Stabs Ax gebildeten
Flecks ist daher im wesentlichen b = η GL.
In dieser Richtung ist aber die Eintrittsfläche des Stabs A1 mit einer gewissen Krümmung versehen,
und man kann durch eine sehr umfangreiche Rechnung zeigen, die hier nicht wiedergegeben ist. daß die
tangentiale Divergenz des Bündels gleich 0 ist. wenn r' = R ist. aber zunimmt, wenn man sich der
Achse nähert. Das führt ebenfalls zu Lichtverlusten, die verringert werden können, indem der zur Achse
benachbarte Bereich unterdrückt wird, was durch Anordnung einer Blende an der Austrittsfläche des
Stabs Ax oder durch Rücksetzen des Stabs A2 erreicht
werden kann.
Claims (6)
1. Optischer Sender mit optischen Nachverstärkern für kohärentes Licht, bei welchem eine
unterschiedliche Lichtstromdichte über den Querschnitt der stabiormigen stimulierbaren Medien,
die durch eine am Stabumfang gegenüber dem zentra'en ium die optische Achse herum) liegenden
Bereich unterschiedliche optische Anregung verursacht ist. ausgeglichen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß beim übergang des zu verstärkenden kohärenten Lichts von einem
stimulierbaren Medium in das nachfolgende ein vollkommender Bereichswechsel in der Weise
durchgeführt ist. daß alle peripheren Strahlen de« vorausgehenden stimulierbaren Mediums im zentralen,
um die optische Achse liegenden Bereicr des nachfolgenden stimulierbaren Mediums weiter
verstärkt werden und umgekehrt alle zentraler Strahlen des vorausgehenden stimulierbaren Me
diums an der Peripherie des nachfolgerden Me diums weiter verstärkt werden.
2. Optischer Sender nach Anspruch 1. dadurcl gekennzeichnet, daß die stimulierbaren Mediei
der Verstärkerkette [A1. A2) als Stirnflächen nacl
außen vorspringende Kegel als stumpfe konisch Flächen mit der optischen Achse als Rotations
achse aufweisen, wobei die Abweichung des ha ben öffnungswinkels von 90= klein genug ist. ur
Lichtverluste durch Reflexion an den Stabende zu vermeiden.
3. Optischer Sender nach Anspruch 2. dadurc gekennzeichnet, daß bei gleichem Durchmess«
2R zweier aufeinanderfolgender stimulierbar«
Medien (.4,. .42) der halbe öffnungswinkel beidi
209 617/3?
Kegei 9(Γ — n beträgt, wobei bei kleinem n der
Abstand L zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stäben durch folgende Gleichung bestimmt ist:
mit η als Brechungsindex des Werkstoffs der
stimulierbaren Medien.
4. Optischer Sender nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß erstens bei verschiedenem ro
Durchmesser 2R und IkR zweier aufeinanderfolgender
stimulierbarer Medien (A1 und A2) (vgl.
Fig. 4) das aus dem vorausgehenden Medium [A1) austretende Parallel-Strahlenbündel um den
Faktor k durch ein afokales optisches System aufgeweitet wird, das aus einer Zerstreuungslinse
(L1) und einer Sammellinse (L2) besteht, und daß
zweitens die einander gegenüberliegenden Kegel aufeinanderfolgender Stäbe (Λ, und A2) unterschiedliche
halbe öffnungswinkel 90" - π und 90 - ■£' haben, wobei bei kleinem n der Abstand
L zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stäben durch folgende Gleichung bestimmt ist:
(η- l)„
mit α' als den Abstand zwischen dem bildseitigen
Brennpunkt (F2) der Sammellinse (L2) und der
Kegelspitze des nachfolgenden Mediums (A1) und mit er, als dem Abstand zwischen dem gegenstandsseitigen
Brennpunkt (F,) der Sammellinse (L2) und der Austrittsfiäche des vorausgehenden
Mediums (A1).
5. Optischer Sender nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung
der Lichtstromdichte im Bereich der optischen Achse des nachfolgenden Mediums (A2)
und zur Verringerung der Lichtverluste infolge Divergenz der kohärenten Strahlen im vorausgehenden
Medium [A1) eine Kreisblende (ß) an
der Austrittsfiäche des vorausgehenden Mediums (A1 ) angebracht ist.
6. Optischer Sender nach den Ansprüchen 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung
der Lichtstromdichte im Bereich der optischen Achse des nachfolgenden Mediums (A2)
und zur Verringerung der Lichtverluste infolge Divergenz der kohärenten Strahlen im vorausgehenden
Medium (/I1) der nachfolgende Mediumsstab
(A2) in einem Abstand L+ IL vom vorausgehenden Mediumsstab (A{) angeordnet
ist. der wesentlich größer als der Abstand L ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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