DE2165270B2

DE2165270B2 - Optischer Verstärker für monochromatische Signale

Info

Publication number: DE2165270B2
Application number: DE2165270A
Authority: DE
Inventors: Claus 6800 Mannheim Aberle; Wolfgang Dr. 6903 Neckargemuend Friedl
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg GmbH
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1971-12-29
Publication date: 1974-11-14
Also published as: GB1383682A; DE2165270A1; US3828264A; JPS4878895A

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Verstärker für monochromatische Signale (Laser) mit einem stimulierbaren Medium, das in Form eines gemeinsam angeregten Faserbündels vorliegt, dessen einzelne Fasern einen nach außen mit dem Quadrat des Abstandes von der Faserseele abnehmenden Brechwert aufweisen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1941888 ist eine gattungsgleiche Verstärkereinrichtung bekannt, die jedoch keinerlei Vorkehrungen für die Unterdrückung störender Rauschkomponenten vorsieht.

Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1564560 ein rauscharmer Überlagerungsempfänger für optische Trägerfrequenzen bekannt Um eine Zwischenfrequenz-Rauschkomponente vernachlässigbar klein zu gestalten, bedient man sich zweier ei-

S nen gegenseitigen Intensitätsabgleich ausnutzenden, nichtlinearer optischer Mischer, die diese Zwischenfrequenzkomponenten erzeugen. Mittels eines Hohlleiters werden sodann die in den beiden Mischern erzeugten Zwischenfrequenzkomponenten räumlich

ίο überlagert. Durch die unterschiedliche Phasenlage der in die Mischer eiatretenden Strahlung befinden sich die anderenends austretenden Rauschkomponenten angenähert in Gegenphase und kompensieren sich deshalb auch angenähert im Hohlleiter.

Die deutsche Offenlegungsschrift 1564450 zeigt und beschreibt ein System zum Extrahieren eines Informationssignals, das einen kohärenten Trägerlichtstrahl moduliert. Hierbei wird die Phasenlage der einzelnen Signalkomponenten dadurch moduliert, daß

*o sogenanntes unechtes Geräuschlicht auf eine Detektoreinxichtung fällt, wodurch von den einzelnen Detektorelementen ein unechtes Licht darstellende Signale in Phase erzeugt werden. Die Oberflächen dieser Detektorelemente sind so ausgebildet, daß ein

»5 helles oder ein dunkles Interferenzgebiet auf jedem Element auftrifft. Wenn hierbei die Brennebenen gleich groß sind, nimmt die Intensität auf der einen Detektorelementenreihe ab, während sie auf der anderen zunimmt. Als Ergebnis hiervon sind die Kom-

ponenten der von den Detektoren erzeugten Signale, die das Informationssignal darstellen, um 180° »außer Phase« und die Komponenten des unechten Geräuschlichtes »in Phase«. An die Verwendung eines alle Beugungsordnungen trennenden Ortsfre-

quenzfilters ist hierbei jedoch nicht gedacht. Erst mit

seiner Hilfe wird durch Trennen der kohärenten von den inkohärenten Anteilen auf relativ einfache Art das inkohärente Rauschen verringert.

Auch sind Vorrichtungen bekannt, die zur opti-

♦o sehen Verstärkung oder auch zur Erzeugung einer kohärenten Strahlung einen Laser benutzen, dessen stimulierbares Medium aus einer einzelnen Faser besteht, die optisch angeregt wird. Eine solche Vorrichtung ist z. B. in der USA.-Patentschrift 3 395 366 beschrieben, bei der die Faser sich an ihren Enden kegelförmig erweitert und von einer Umhüllung aus lichtdurchlässigem Material umgeben ist. Die Anregungsüchto'· -H wendelförmig um die Faser angeordnet. Li ·. · solchen Vorrichtung stellen die zur

SupersUc,¹ erstarkten spontanen Emissionen

eine Rauschq: ,iie dar, die auch zur teilweisen Entleerung des für die Signalverstärkung maßgebenden Energieniveaus beiträgt.

Es ist ferner eine Vorrichtung bekanntgeworden,

SS bei der das stimulierbare Medium nicht aus einer einzelnen Faser, sondern aus einem Bündel von Fasern besteht, die gemeinsam von einer parallel zu ihnen angeordneten Lichtquelle angeregt werden. Ein solcher Laser ist in der USA.-Patentschrift 3471215 dargestellt. Gegenüber einem aus einem Stab bestehenden Laser hat er den Vorteil, daß sich die Kühlung des stimulierbaren Mediums leichter bewerkstelligen läßt, da zwischen den einzelnen Fasern des Bündels ein Kühlmittel strömen kann. Ferner läßt sich infolge der Flexibilität des Bündels mittels einer günstigen Geometrie der Wirkungsgrad des optischen Anregens verbessern. Hierbei ist es keineswegs selbstverständlich, daß aus dem verwendeten Faserbündel auch tat-

sächlich kohärente Strahlung austritt.

Stand der Technik ist es schließlich auch, die optische Übertragung bzw. Verstärkung von Bildern mittels einzelner Fasern oder Faserbündel vorzunehmen, wobei ausschließlich geordnete Faserbündel mit homogenem Brechwert zur Anwendung gelangen. Entsprechende Einrichtungen und Verfahren sied ζ B in »Applied Optics and Optical Engineering« von Rudolf Kingslake, 1967, Bd. IV, Seiten 2 bis 23, in »Fiber-Optics, Principles and Applications« von N. S Kapany, 1967,Seiten 200 bis 201 und in »Technische Rundychau« Nr. 32, 27. 7. 1962, Seiten 2 bis 5, angegeben. Die Herstellung derartiger Faserbündel ist ziemliel· kompliziert und daher kostspielig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung einer Möglichkeit, bei optischen Verstärkern der eingangs näher bezeichneten Gattung das durch verstärkte spontane Emissionen verursachte Rauschen und die damit gekoppelte Entleerung des betreffenden Energieniveaus zu reduzieren. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Unterdrückung von inkohärentem Rauschen in der Fourier-Ebene eines dem Faserbündel nachgeschalteten Objektivs ein der Struktur dieses Bündels angepaßtes Ortsfrequenzfilter vorgesehen ist.

Ist das zu verstärkende Signal beim Eintritt in das Faserbündel kohärent, so trifft dies auch für das am Ausgang des Bündels austretende verstärkte Signal zu, da in einer Faser, deren Brechwert nach außen abnimmt, die optische Weglänge fn(r) ds auch für Strahlen, die von der Richtung der optischen Achse abweichen, konstant ist (n = Brechwert, s = Weg, r = senkrechter Abstand von der optischen Achse). Das dem Faserbündel nachgeschaltete Ortsfrequenzfilter bewirkt, daß bevorzugt solche Wellen der einzelnen Fasern weiterverstärkt werden, die durch gleiche Phasen am Eingang und am Ausgang des Faserbündels gekennzeichnet sind. Für diesen Fall der Phasengleichheit erhält man in der Fourier-Ebene des hinter dem Faserbündel angeordneten Objektivs, in der das Ortsfrequenzfilter vorgesehen ist, ein der Struktur des Bündels zugeordnetes Interferenz-Phänomen, das eine Ausfilterung der kohärenten Wellen und eine Dämpfung der inkohärenten Strahlung mit Hilfe des der Bündelstruktur angepaßten Ortsfrequenzfilters ermöglicht. Während also die inkohärente Superstrahlung (d. h. die verstärkten spontanen Emissionen der einzelnen Fasern) das Ortsfrequenzfilter nur teilweise durchdringen kann, tritt die verstärkte kohärente Signalstrahlung im wesentlichen ungehindert durch das Ortsfrequenzfilter hindurch.

Die Verstärkung des Signals läßt sich noch dadurch erhöhen, daß die kohärente Strahlung mehrmals durch das Faserbündel hindurch geschickt wird. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise mit einer aus zwei Spiegeln bestehenden Autokollimationseinrichtung ausgerüstet, wobei der eine Spiegel zugleich zur Auskopplung der verstärkten Strahlung dient und daher teildurchlässig ausgebildet ist.

Ein kürzeres Faserbündel, das durch Autokollimation mehrfach von einem Signal durchlaufen wird, hat gegenüber einem längeren Faserbündel, durch das die zu verstärkende Strahlung nur einmal hindurchtritt, den Vorteil, daß das nach dem ersten Durchgang verstärkte Rauschen mit Hilfe des Ortsfrequenzfilters zunächst gedämpft wird, bevor es beim zweiten Durchgang im gleichen Maße weiterverstärkt wird wie die kohärente Strahlung. Die Entleerung des für die Verstärkung der kohärenten Strahlung maßgebenden Energieniveaus durch verstärkte spontane Emission wird auf diese Weise reduziert, so daß ein größerer Anteil der Anregungsleistung zur Verstärkung des eigentlichen Signals verfügbar bleibt.

Vorteilhaft sind die Stirnflächen am Eingang und Ausgang des Faserbündels nicht plan, sondern gekrümmt ausgebildet, um die Zahl von einzubauenden

"> weiteren abbildenden optischen Bauteilen verringern zu können. Sind die Stirnflächen dagegen plan ausgebildet, so ist zweckmäßigerweise am Eingang und am Ausgang des Faserbündels je eine Feldlinse derart anzuordnen, daß mittels des dem Faserbündel nachge-

schalteten Objektivs die eine Feldlinse auf den einen und die andere Feldlinse auf den zweiten Autokollimationsspiegel abgebildet wird.

In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Eingang des Faserbündels, d.h.

so bei Vorhandensein einer Feldlinse in der Eintrittspupille, ein transparentes Phasengitter angeordnet, das den von der Eintrittspupille der Vorrichtung erfaßten Strahlungsfluß weitgehend verlustlos auf die Fasern des bündeis übei tragen soll. Ein solches Phasengitter

»5 stellt eine zweidimensional-periodische Phasenstruktur dar, durch die «--ich das tj. verstärkende kohärente Signal beeinflussen läßt, und zwar wird die Strahlungsleistung des Signals an den Eingängen der einzelnen Fasern durch Interferenz verstärkt, während sie zwischen den Fasern geschwächt wird.

Um auch in den höheren Interferenzordnungen ausreichende Strahlungsleistungen zu erhalten, wird vorteilhaft die Phasenstruktur des Gitters so ausgebildet, daß die Vertiefungen klein sind gegenüber der

Gitterkonstanten. In der Brennebene der dem Faserbündel nachgeschalteten Feldlinse wird dann vom Ausgang des Bündels eine Interferenzerscheinung erzeugt, die durch scharfe Intensitätsmaxima gekennzeichnet ist, deren Abstände groß sind gegenüber der Ausdehnung der Maxima. Dabei sind die Abstände der Maxima den Gitterkonstanten des Phasengitters und ihre Ausdehnungen den Dimensionen der Gitter-Vertiefungen zugeordnet.

Mittels des Ortsfrequenzfilters, das der vom Bündelausgang erzeugten Interferenzerscheinung angepaßt ist, wird die Strahlungsleistung außerhalb der Interferenztnaxima unterdrückt, so daß ein großer Teil der in dem Faserbündel durch spontane Emissionen ausgelösten, gegeneinander inkohärenten Super-

Strahlungen (Rauschen) ausgefiltert wird. Da diese Strahlung in der Ebene des Ortsfrequenzfilters stetig verteilt ist, kann lediglich der relativ geringe Anteil der Superstrahlung, der in die Bereiche der Interferenzmaxima fällt, durch das Filier hindurchtreten.

Eine besondere Anwendungsmöglichkeit für die Vorrichtung gemäß der Erfindung ergibt sich dann, wenn außerhalb des teildurchlässigen Autokollimationsspiegels, der der Auskopplung des verstärkten kohärenten Signals dient, ein Objektiv angebracht

wird, das die ausgekoppelte Strahlung kollimiert. Das gesamte System stellt nunmehr ein Keplersches Laser-Fernrohr dar, bei dem die Divergenz der ausgekoppelten kohärenten Strahlung von dem Durchmesser der Austrittspupille bestimmt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann auch ein ungeordnetes Faserbündel verwendet werden, das an seinem Ausgang verspiegelt ist; dieses Faserbündel stellt dann ein sogenanntes Autokollima-

5 6

tionsbündel dar. Das am Eingang des Bündels zur Erzeugung der Anregungsenergie durch das Kühlvorhandene Bild, das verstärkt werden soll, tritt nach system geleitet werden.

der Autokollimation am Ausgang des Bündels mit Wird nun ein zu verstärkendes kohärentes Signal

entsprechend höheren Strahldichten wieder am Ein- über das Eingangsobjektiv 4 und das Transformagang auf und kann durch herkömmliche Mittel (z. B. 5 tionssystem 7 in das Faserbündel 1 geschickt, so werdurch einen Strahlteiler aus einer teildurchlässigen den nur diejenigen Wellen in den einzelnen Fasern Platte) ausgekoppelt werden. Eine derartige Vorrich- verstärkt, die an der Eingangsstirnflache 2 und der tung läßt sich wesentlich einfacher und billiger her- Ausgangsstirnfläche 3 gleiche Phasen haben. In diestellen als die bisher zur optischen Bildverstärkung sem Falle entsteht in der Fourier-Ebene, in der sich verwendeten Einrichtungen. ¹⁰ das Ortsfrequenzfilter 6 befindet, eine Interferenzin der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele erscheinung, die von der Struktur des Faserbundeis 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dar- bestimmt ist. Mittels des Ortsfrequenzfilters 6 lassen gestellt, und zwar zeigt sich ^{dann die} kohärenten Wellen ausfiltern, d. h. sie

Fig leine Vorrichtung zur optischen Verstärkung treten ungehindert durch das Ortsfrequenzfilter 6 ohne Autokollimation, und ^l5 hindurch, während die inkohärenten Wellen gedämpft

Fig. 2 eine Vorrichtung mit Einrichtung zur Auto- werden.

kollimation ^{In der F} * 8- ^{2 wird eine} Vorrichtung gemäß der Er-

In F i g. 1 ist schematisch ein Faserbündel 1 darge- findung gezeigt, bei der der Grad der Verstärkung der stellt dessen Fasern einen nach außen abnehmenden kohärenten Strahlung durch Autokollimation noch Brechwert aufweisen und die zur Verstärkung eines *° bedeutend gesteigert werden kann. Gleiche Bauteile kohärenten Signals dienen. Sowohl die Eingangsstirn- sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie fläche 2 als auch die Ausgangsstirnfläche 3 des Faser- in der F i g. 1. Vor dem Eingangsobjektiv 4 ist ein teilbündels 1 ist gekrümmt ausgebildet. Vor der Ein- durchlässiger Planspiegel 11 angeordnet, der einen gangsstirnfläche 2 des Faserbündels ist ein Eingangs- Winkel von 90° mit der optischen Achse der Vorrichobjektiv 4 derart angeordnet, daß die Eintrittspupille »5 tung einschließt. Ein weiterer teildurchlässiger Spiegel der Vorrichtung auf die Stirnfläche 2 abgebildet wird. 12, der dem Spiegel 11 - in Strahlenrichtung gesehen Hinter dem Faserbündelausgang befindet sich ein -vorgeschaltet ist, ist um 45° zu der optischen Achse Ausgangsobjektiv S, dessen Brennebene mit der Aus- geneigt und dient zur Auskopplung des verstärkten gangsfläche 3 zusammenfällt. In der Fourier-Ebene kohärenten Signals, wie durch einen Pfeil angedeutet, dieses Objektivs ist ein Ortsfrequenzfilter 6 vorgese- 3c Der Eintritt der zu verstärkenden Strahlung in die hen, das der Struktur des Faserbündel 1 angepaßt ist. Vorrichtung erfolgt ebenfalls durch den Spiegel 12. Zwischen das Eingangsobjektiv 4 und die Eingangs- Hinter dem Ausgangsobjektiv 5 befindet sich ein stirn "lache 2 des Faserbündels 1 ist ein aus zwei GHe- zweiter, quer zur optischen Achse stehender Planspiedern bestehendes Transformationssystem 7 geschal- gel 13, der ein nahezu 100%iges Reflexionsvermögen tet. Ein ähnlich aufgebautes Transformationssystem 8 35 besitzt. An diesem Spiegel werden die beim Durchist hinter der Ausgangsstirnfläche 3 des Faserbündels gang durch das Faserbündel 1 und das Ortsfrequenzangeordnet, und zwar derart, daß seine beiden Glieder filter 6 bereits verstärkten kohärenten Wellen reflekdas Ortsfrequenzfilter 6 umschließen. Das gesamte tiert und treten wieder in das Faserbündel ein, wobei Faserbündel 1 ist in ein Kühlsystem eingebettet, von sie abermals verstärkt werden. Dieser Vorgang wiedem nur die Zugangsleitung 9 und die Abgangsleitung 40 derholt sich mehrfach mit Hilfe des Spiegels 11, d.h. 10 dargestellt sind. An Stelle eines Kühlmediums oder die beiden Spiegel 11 und 12 bewirken eine Autokolzugleich mit diesem kann auch ein ionisierbares Gas limation der kohärenten Wellen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Verstärker für monochromatische Signale (Laser) mit einem stimulierbaren Medium, das in Form eines gemeinsam angeregten Faserbündels vorliegt, dessen einzelne Fasern einen nach außen mit dem Quadrat des Abstandes von der Faserseele abnehmenden Brechwert aufweisen, dadurch ge ken η zeich η et, daß zur Unterdrückung von inkohärentem Rauschen in der Fourier-Ebene eines dem Faserbündel (ί) nachgeschalteten Objektivs (S) ein der Struktur dieses Bündels angepaßtes Ortsfrequenzfilter (6) vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Autokollimation (11, 12, 13) der verstärkten kohärenten Strahlung vorgesehen ist, die gleichzeitig zur Auskopplung der Strahlung dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen am Eingang und Ausgang (2,3) des Faserbündels (1) gekrümmt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang (2) und am Ausgang (3) des Faserbündels (1) je eine Feldlinse derart angeordnet ist, daß jeweils eine der beiden Feldlinsen durch das dem Faserbündel (1) nachgeschaltete Objektiv (5) auf je einen Spiegel (11 bzw. 13) der Autokollimationseinrichtung abgebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Faserbündel (1) ein transparentes Phasengitter vorgeschaltet ist, derart, daß die Strahlungsleistung an den Eingängen der einzelnen Fasern durch Interferenz verstärkt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in der Phasenstruktur des Phasengitters klein sind gegenüber dessen Gitterkonstanten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (11) der Autokollimationseinrichtung teildurchlässig ausgebildet und diesem ein Objektiv zur Kollimieiung der ausgekoppelten Strahlung nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 für die optische Bildverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß ein ungeordnetes Faserbündel verwendet wird, das an seinem Ausgang verspiegelt ist.