DE1280442B - Optischer Sender fuer kohaerente Strahlung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #IÄ PATENTAMT Int. CL:

HOIs

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21g-53/02

Nummer: 1280442

Aktenzeichen: P 12 80 442.1-33 (N 25255)

Anmeldetag: 15. Juli 1964

Auslegetag: 17. Oktober 1968

Ein wichtiges Problem bei der Erzeugung kohärenten Lichtes durch Stimulation ist die Unterdrückung von Nebenwellen. Ein in der Zeitschrift »Physical Review Letters«, Bd. 6, Nr. 3, vom 1.2.1961, S. 106 bis 110, beschriebener optischer Sender weist im Innern an den Stirnflächen des Gasentladungsrohrs die den optischen Resonator begrenzenden Reflektoren auf, von denen jeder zur Erhöhung der Frequenzselektivität der Ausgangswelle einen durch Verdampfung eines dielektrischen Materials hergestellten vielschichtigen reflektierenden Film trägt. Die mit dieser Anordnung erzielbare Selektivität ist jedoch noch nicht ausreichend, so daß hier wie auch aus der in der F i g. 13 dargestellten Anordnung in der Zeitschrift »Journal of Optical Society of America«, Bd. 52, S. 31 bis 37, zu ersehen ist, Schwingungen verschiedener Wellenlängen entstehen.

Im Betrieb als optischer Sender entstehen unvermeidbare Nebenschwingungen, die aber für die Trägerwelle sehr störend sind, als Empfänger rufen diese Neben- ao schwingungen unerwünschte Zwischenfrequenzschwingungen hervor. Diese reduzieren die Wirksamkeit des Zwischenfrequenzverstärkers und sind die Ursache für unerwünschte Verzerrungen. Will man derartige Erscheinungen vermeiden, so muß man dafür sorgen, daß die Ausgangsschwingungen des optischen Senders oder Verstärkers völlig monochromatisch sind.

Eine Steigerung der Frequenzselektivität läßt sich mit einer nach der Zeitschrift »Applied Optics«, Bd. 2, Nr. 4, April 1963, S. 448/449, bekannten An-Ordnungen erreichen, bei der zwischen den Endspiegeln eines optischen Resonators zwei zur optischen Achse geneigte Fabry-Perot-Plattenpaare als Interferenzfilter angeordnet sind. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß eine relativ komplizierte mechanische Konstruktion für die Halterungen der im Innern des optischen Resonators angeordneten justierbaren Plattenpaare erforderlich ist und daß z. B. bei Gasentladüngslasern der empfindliche Reflexionsbelag dieser Platten durch die Vorgänge bei der Gasentladung beschädigt werden kann.

Ein optischer Sender, bei dem die zur Unterdrückung von Eigenschwingungen (Modenselektion) verwendeten Mittel außerhalb des Gasentladungsrohres angeordnet sind, ist in der Arbeit von R i g r ο d beschrieben, die in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Bd. 33, Nr. 2, S. 743/744, abgedruckt ist, insbesondere sei auf die in der F i g. 1 dargestellte Anordnung hingewiesen. Dieser optische Sender enthält ein Gasentladungsrohr zwischen einem Paar äußerer konkaver Spiegel. Bei der vorliegenden Erfindung wird zum Zwecke der Selektion zumindest Optischer Sender für kohärente Strahlung

Anmelder:

Nippon Electric Company Limited, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Bunke, Patentanwalt,

7000 Stuttgart W, Schloßstr. 73 B

Als Erfinder benannt:
Uschida Teiji, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 19. Juli 1963 (38 958)

einer dieser Spiegel durch ein optisches System ersetzt.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher einen optischen Sender für kohärente Strahlung, bei dem innerhalb seines optischen Resonators zum Zwecke der Auswahl der stimulierten Strahlung nach Frequenz und Polarisationsebene (Modenselektion) ein Interferometer angeordnet ist, das mit einer im Brewsterwinkel zur Achse des optischen Resonators geneigten planparallelen Platte als Strahlenteiler arbeitet. Dieser optische Sender ist dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenteilung mittels eines Strahlenteilers erfolgt, der mit zwei Spiegeln zusammenarbeitet, die jeweils den vom Strahlenteiler reflektierten oder den durchgelassenen Strahl in sich zurückwerfen, wobei die Differenz der optisch durchlaufenen Wege vom Nullpunkt des Strahlenteilers bis zu den Spiegeln

ein ungerades Vielfaches von -j- der gewünschten und

auf den Brewsterwinkel abgestimmten Wellenlänge λ sein muß, derart, daß ein Strahl der gewünschten Wellenlänge nach außen in einer von der optischen Achse abweichenden Richtung unterdrückt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Strahlenteiler und die übrigen Spiegel als Reflexionsbelag einen aufgedampften metallischen Film oder mindestens eine reflektierende dielektrische Schicht aufweisen, wie dies an sich zur Erhöhung der Frequenzselektivität aus der eingangs genannten Veröffentlichung bekannt ist.

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Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher die bei Transmision des Strahlenteilers 10 entstehenden

veranschaulicht werden, wobei ; Phasenverschiebungen sowie mit A die durch die

F i g. 1 zur Erläuterung des Erfindungsprinzips Reflexion am ersten bzw. zweiten Reflektor 11 bzw.

dient und 12 entstehende Phasenverschiebung und. schließlich

F i g. 2 schematisch eine perspektivische Seiten- 5 mit λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes, dann

ansieht eines Ausführungsbeispiels darstellt. ergibt sich für die Gesamtphasenverschiebung A₁

Die stimulierte Strahlung eines angeregten Mediums des Lichtanteils, der nach Hin- und Rückweg längs

31 fällt gemäß der Fig. 1 in Richtung des Pfeiles 33 der Streckea_x auf der Streckea₃ erscheint und für

über den Weg a₀ auf die Ebene eines teildurchlässigen die Gesamtphasenverschiebung A₂ des Lichtanteils

Strahlungsteilers 10 und zwar unter einem Brewster- to der nach Hin- und Rückweg längs der Strecke a₃

Polarisationswinkel, der durch die Beziehung auf der Strecke a₃ erscheint:

^₂

gegeben ist, wobei η der Brechungsindex des Strahlungs- \ A /

tellers 10 hinsichtlich des Lichtes einer gewünschten 15 und
Wellenlänge ist. Nach dem Brewsterschen Gesetz ist . _ „ (2d
bekanntlich beim Einfall von Licht aus einem dünneren A₂-ζ π 1
in ein optisch dichteres Medium der reflektierte Anteil ·
dann vollständig und senkrecht zur Einfallsebene Die Phasenverschiebungen A₁ und A₂ sind dabei polarisiert, wenn gebrochener und reflektierter Strahl 20 auf die ursprüngliche Phasenlage bezogen, die das aufeinander senkrecht' stehen. Der reflektierte. Teil Licht auf dem Wege a₀ hatte. Die obige Gleichung des über den Wega₀ einfallenden Lichtes gelangt zeigt insbesondere, daß sich die Phasenverschiebung auf dem Weg % in der Richtung des Pfeiles 34 auf aus der Dicke des Strahlenteilers 10 und dem Abstand einen ersten senkrecht zur Strahlrichtung angeordneten zwischen den erwähnten Reflektoren ergibt. Der Reflektor 11, von dem er völlig in der Richtung des 25 Unterschied zwischen den Längen d_x und d₂ kann Pfeiles 35 in sich zurückgeworfen wird. Der den im allgemeinen nicht ohne Berücksichtigung der Strahlungsteiler 10, durchdringende Teil des über den Länge der Kohärenz der Lichtstrahlen gewählt werden. Wegß₀ einfallenden'Lichtes gelangt auf dem Wega₂ Wenn die auf dem Weg a₃~ erscheinenden Lichtin Richtung des Pfeiles 36 auf einen zweiten Reflektor anteile zueinander in Phasenopposition sind, dann

12, der ebenfalls senkrecht zu der Ausbreitungs- 30 löschen sie sich gleiche Reflexionskoeffizienten

richtung dieses Strahles angeordnet ist. Das von dem der Reflektoren 11 und 12 vorausgesetzt — gegenseitig

ersten Reflektor 11 zurückgeworfene Licht wird teil- aus, da sie gleiche Lichtintensität aufweisen. Es tritt

weise abermals durch den Strahlungsteiler 10 in dann kein Licht auf dem Wega₃ in Erscheinung.

Richtung des Pfeiles 32 in das Medium 31 reflektiert. Für diesen Fall müssen die Phasenverschiebungen A₁

Der andere Teil des' vom ersten Reflektor 11 reflek- 35 und A₂ folgendem Ausdruck genügen;

tierten und in seiner Richtung durch den Pfeil35 lld 2d\

bezeichneten Lichtes durchdringt den Strahlenteiler 10 A₁-A₂ = 2π\—^- -j = (2k + ΐ)π,

und gelangt auf den Weg α₃. Derjenige Teil des Lichtes, \ λ λ j

der auf den zweiten Reflektor 12 gefallen ist, wird woraus folgt

längs des Wegesa₂ zum Strahlenteiler 10, wie durch 40 d—d= (2 k +Ti den Pfeil 37 angedeutet ist, in sich zurückreflektiert. ¹^ ^{2 Λ} ' 4 '
Ein Teil davon durchdringt den Strahlenteiler 10, qn
um über den Weg'ai, in Richtung des Pfeiles 32 in - . , _χτ „ , . ~ ~ ,, . , _{T TT7}. .
das Medium zurückgeworfen zu werden. Der restliche ^wobei * ^f\°^\ Tl- ^.^ ^lst/ *ⁿ ^⁰*⁶.¹¹ Teü des vom Reflektor 12 reflektierten Lichtes wird 45 ^^sg^^ckt 5^edeutet ₊ ^die .Gleichung (1), daß die durch den gleichen Strahlenteiler 10 auf den Weg a_z Wegdifferenz d_x - d₂ stets em ganzes, ungeradzahhges reflektiert. Um jegliche Reflexion des gewünschten Vielfaches von — einer Wellenlänge λ sein muß, falls Lichtes der Hauptwellenlänge λ durch den Strahlen- . ·,.,.,. „,„ _t- * _Λ -nr
teiler 10 auszuschalten, müssen die Oberflächen des kein Licht dieser Wellenlange auf dem Wega₃ er-

Strahlenteilers so .angeordnet sein, daß die Winkel 50 ^SCJ^P^eiL^S0, ... ,. , ^₁ . , _n, ..

des einfallenden Lichtes der Brewsterbedingung für Fur Wellenlangen, die der Gleichung (1) genügen,

Polarisationswinkel exakt genügen. Man kann auch ™*£ ^d _A ^a™ bei vernachlassigbarem Lichtverlus^ ζ. Β

von vornherein dafür sorgen, daß nur lihearpolarisier- ^durch Absorption der Reflektoren das m der F1 g. 1

tes Licht, dessen Ätrische Feldstärke parallel zur dargestellte optische System äquivalent wie ein vom

Einfallsebene liegt, einfällt. _S5 Mittelpunkte» des Strahlentellers im Abstand^

Vereinfachendseiangenommen.daßderreflektieren- senkrecht zur Richtung des einfallenden Lichtes

de Film des Strahlenteilers 10 die Dicke 0 aufweist. angeordneter einziger Reflektor oder wie ein vom

Ferner sei angenommen, daß die bei der Reflexion Mittelpunkt des Strahlentellers im Abstand d₂ in

entstehende Phasenverschiebung niemals größer als gleicher Weise angeordneter einziger Reflektor der

180° ist. Bezeichnet man mit d_x und d₂ dieoptischeri 60 dem reflektierten Licht keine Phasenverschiebung

Wege von dem Einfallspunkt 0 auf dem teildurch- . ^verlemt (virtueller Reflektor), wobei

lässigen reflektierenden Film des Strahlen- d' = d + λ· -^- (2a)

teilers 10 bis zu dem ersten bzw, zweiten Reflektor 11 *" ^x~ -"--!π

bzw. 12, wobei d₂ die Summe des sich im teildurch- _un(j

lässigen Strahlenteilers 10 ergebenden Lichtweges d₂₁ 65 _t ^₂,

und der von der bis zum Auftreffen auf den Reflektor - . d_a' ~ d₂ + λ·—— (2b)

12 sich ergebenden Lichtweges d_i2 ist, bezeichnet " ;/ ...

man ferner mit- Ar die bei Reflexion und mit At gegeben sind. Unter Berücksichtigung des Satzes vori

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der Erhaltung der Energie läßt sich zeigen, daß die Es sei nun angenommen, daß die Reflektoren 11,

Differenz der Phasenverschiebungen At und Ar 12 und 22 ideal reflektierende Oberflächen aufweisen,

dabei ein ganzes ungeradzahliges Vielfaches von £ Die Resonanzwellenlängen A des .gesamten optischen

^{e e e} 2 Senders ergeben sich beispielsweise mit Gleichung (2 a)

sein muß. Die Ausdrücke -^- und -=~ können dabei ^{a s} ,, , , , , , , ,

In In Q₁ + d _ J₂ + d Aj^ __ A^

gegenüber den optischen Längen^ und d_z vernach- χ χ 2 π ~ 2 '
lässigt werden, so daß annähernd gilt d{ = d_x und

d_z' = d₂. Zur Vereinfachung soll unter diesem Ge- wobei die optische Strecke zwischen den Punkten

Sichtspunkt jeweils nur der Reflektor 11 betrachtet io des Lichteinfalles auf den halbdurchscheinenden

werden, jedoch ist hervorzuheben, daß gleiches auch reflektierenden Film und der Reflektorebene 22 ist

für den Reflektor 12 gilt. und wobei die übrigen Symbole der Gleichung (4)

Wenn nun die auf dem Wega₃ in Erscheinung denen der Gleichung (1) entsprechen. Wenn die

tretenden Lichtkomponenten in Phase zueinander Wellenlänge des durch die Entladungsröhre erzeugten

sind, dann unterstützen sie sich gegenseitig maximal, 15 Lichtes sich nur ein wenig von dem Werte durch die

und das Licht längs des Weges a₃ hat eine beachtliche Gleichung (4) unterscheidet, dann gelten die Gleichun-

Intensität. Die Bedingung für die Phasengleichheit gen (1) und (4) nicht länger, und die Lichtausbeute

kann analog wie bei der Gleichung (1) abgeleitet wird sehr schnell für kleine Wellenlängenunterschiede

werden: geringer. Dadurch erzielt man mit dieser optischen

/ ·? A 0 A \ ^ao Senderanordnung eine ausgezeichnete Frequenzselekti-

A₁ — A₂ — 2 π ( 1 = k · 2 π vität. Für den allgemeinen Fall, daß die Reflektoren

\ λ λ j an gegenüberliegenden Enden der Entladungsröhre

im gegenseitigen Abstand D angeordnet sind und

J₁- d_% = k· —. (3) die Lichtgeschwindigkeit mit c bezeichnet wird, ergeben

2 25 sich die Resonanzfrequenzen des Systems unter Be-

Genügt dagegen die Wellenlänge des einfallenden ^ksichtigung der Beziehung /= | zu/= k -^.

Lichtes der Gleichung (1) bei gegebenen optischen Soweit diese Beziehung den Frequenzabstand zwischen

Wegen J₁ und d_z, erscheint demnach kein Licht auf den Nebenwellen angeht, wenn k eine ganze Zahl

der Strecke a_s, dann tritt kein Licht der Wellenlänge λ 3o ist, gibt

aus dem optischen System aus. Deshalb ist bei der , _ c

Wellenlänge λ die Menge des reflektierten Lichtes *^Pl ~~ ^jTn
durch das äquivalente optische System ein Maximum.

Sobald jedoch die Wellenlänge des einfallenden Lichtes den Frequenzabstand Zp₁ an. Durch Anwendung

etwas von der Wellenlänge λ abweicht, dann gilt die 35 der allgemeinen Gleichung (5) auf einen optischen

Gleichung (1) nicht länger, und der über den Weg a₃ Sender nach F i g. 2 ist ersichtlich, daß gemäß Glei-

austretende Lichtanteil macht sich stark bemerkbar _{h ( }} Vernachlässigung des Ausdrucks ^L

und vermindert spurbar die durch das äquivalente ^{B v} ' ^{e &} 2 π

optische System bedingte Reflexion. So weist das der sich dann ergebende Frequenzabstand
optische System gemäß der Erfindung, welches ge- 40

wissermaßen als Interferenzreflektor mit einer von der fpi ~ - (6)

Wellenlänge des einfallenden Lichtes abhängigen 2 (d + d_x)
Reflexionsvermögen anzusprechen ist, eine große

Frequenzselektivität auf, die später noch kurz diskutiert ist. Das in der Arbeit von Rigrod beschriebene

werden soll. 45 System weist eine Bandbreite von etwa 1000 MHz

Es ist klar, daß mit der Erfindung ein neues optisches bei einer Mittenfrequenz von 1153 μπα auf und sendet

System hoher Frequenzselektivität geschaffen wird. demnach ein Licht aus, das Schwingungskomponenten

Dieses System besteht aus einem teildurchlässigen enthält, die über eine Spektrumsbreite innerhalb der

Strahlenteiler und zwei Reflektoren, die zueinander durch die Gleichung (5) gegebenen Frequenzen verteilt

in einer bestimmten Richtung und einem bestimmten 50 sind.

Abstand sind und wie ein Reflektor wirkt, welcher der Wie bereits erläutert wurde, wird ein Reflektor

reflektierten Lichtwelle keine Phasenverschiebung gemäß der Erfindung im Abstand J₁ bzw. d_% von den

verleiht. Reflektoren 11 und 12 angeordnet. Bei einem derartigen

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung System ergeben sich deshalb auch Nebenwellen, die

mit einem zusätzlichen Reflektor 22 als Teil eines 55 den Frequenzabstand f_pi, voneinander haben, der

optischen Resonators. Der optische Sender 20 besteht gegeben ist durch

im einzelnen aus einer zylindrischen Gasentladungs- , _ c . ,.

röhre 21, die ein Fenster an jedem ihrer Enden aufweist *^pv 2(d + d)
und bei der die Richtung des erzeugten Lichtstrahls

im Brewster-Polarisationswinkel liegt. Ein Reflektor 22 60 Sofern die optischen Längen d_x und d_z beide wesent-

ist senkrecht zu der Achse dieser Entladungsröhre 21 lieh kleiner als d sind, werden die rechten Seiten der

im Abstand von einem ihrer Enden zum Empfang Gleichungen (6) und (6') fast einander gleich, so daß

des Lichtes angeordnet. Im Abstand d von dem Reflek- die Gleichung

tor befindet sich der Nullpunkt O des erfindungsgemäß _ . _ c . „

verwendeten Strahlenteilers 10, der den Reflektoren 11 65 Ui- Jn' — — (P )
und 12 in gleicher Weise wie in F i g. 1 zugeordnet

ist. Ein Lichtabsorber 26 liegt quer zu dem Licht- gilt. Es ist hervorzuheben, daß die Güte Q bei der

wega_s. durch die Gleichung (1) gegebenen Mittenfrequenz/

bzw, der zugehörigen Wellenlänge λ ihren maximalen Wert erreicht. Die Frequenz f_p% liegt zwischen den benachbarten Frequenzen, bei denen die Güte geringer ist» Oberhalb und unterhalb der Mittenfrequenz ist die Güte durch die folgende Gleichung gegeben:

(7)

(2 μ-

10

die von der Gleichung (3) in der gleichen Weise wie die Gleichung (5) abgeleitet werden kann. Wenn die Abstände zwischen den Reflektoren gleichzeitig den Gleichungen (1) und (4) für eine bestimmte Frequenz / = χ genügen sollen, ohne daß das Resonanz-

Spektrum des Lichtes in dem stimulierbaren Medium enthalten ist, dann weicht der Frequenzabstand fpi der Nebenschwingungen des durch die Mittenfrequenz/ des optischen Senders erzeugten Lichtes von dem ao durch dieselbe Mittenfrequenz / erzeugten Frequenzabstand /j,2 ab, bei dem der Gütefaktor einen niederen Wert erreicht. Infolgedessen kann man nur eine Schwingung der Mittenfrequenz / gewinnen.
. Hinsichtlich des oben beschriebenen Ausführungs- as beispiels sind keine Erläuterungen dafür gegeben worden, wie das Licht entnommen wird. Meistens werden etwa 98% des Lichtes durch die Ebene des Reflektors zurückgeworfen und bis auf die fehlenden 2% als Ausgangsleistung ausgesendet. Obgleich es nicht unmöglich ist, das durch die Reflektoren 11 und 12 zurückgeworfene Licht unmittelbar auszusenden, ist es wesentlich zweckmäßiger, die Ausgangsleistung dem Reflektor 22 zu entnehmen.

In den vorherigen Ausführungsbeispielen wurde nur einer der beiden der am Ende der Gasentladungsröhre angeordneter Reflektoren erwähnt. Jedoch ist es ohne weiteres ersichtlich, daß beide der Reflektoren durch das optische System nach der Erfindung ersetzt

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender für kohärente Strahlung, bei dem innerhalb seines optischen Resonators zum Zwecke der Auswahl der stimulierten Strahlung nach Frequenz und Polarisationsebene (Modenselektion) ein Interferometer angeordnet ist, das mit einer im Brewsterwinkel zur Achse des optischen Resonators geneigten planparallelen Platte als Strahlenteiler arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenteilung mittels eines Strahlenteilers (10) erfolgt, der mit zwei Spiegeln 11 und 12) zusammenarbeitet, die jeweils den vom Strahlenteiler (10) reflektierten oder den durchgelassenen Strahl (O₁ und a_z) in sich zurückwerfen, wobei die Differenz der optisch durchlaufenen Wege {αχ und J₂) vom Nullpunkt (O) des Strahlenteilers (10) bis zu den Spiegeln (11 und 12) ein

ungerades Vielfaches von -j der gewünschten und

auf den Brewsterwinkel abgestimmten Wellenlänge λ sein muß, derart, daß ein Strahl der gewünschten Wellenlänge nach außen in einer von der optischen Achse abweichenden Richtung (a₃) unterdrückt wird.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (10) und die Spiegel (11,12,22) mindestens eine reflektierende dielektrische Schicht oder einen aufgedampften metallischen Film aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1167 978;

französische Patentschrift Nr. 1 306 777;

Physical Review Letters, Bd. 6, Nr. 3, 1961, S. 106. bis 110;

J. of the Optical Soc. of. Am., Bd. 52 (1962), S. 31 bis 37;

J. of Applied Physics, Bd. 33, Nr. 2, 1962, S. 743

werden können, jedoch wird dann ein genauer Abgleich 40 bis 744; Bd. 34, Nr. 3,1963, S. 553 bis 560, insbesondere der optischen Strecken schwierig. F i g. 3 auf S. 554;

Wenn der Strahlenteiler 10 derart ausgebildet ist, Proc. of the JEEE, Januar 1963, S. 4 bis 29, ins-

daß 50°/₀ des auf ihn einfallenden Lichtes reflektiert besondere F i g. 6 auf S. 17;

werden, dann erreicht die mit der Erfindung erzielbare Applied Optics, Bd. 2, Nr. 4, April 1963, S. 448

Frequenzselektivität ein Maximum. 45 und 449.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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