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Optischer Verstärker Die Erfindung betrifft einen optischen Verstärker
auf der Grundlage der seletiven Fluoreszenz. Es handelt sich also um eine Lichtwellenverstärkung
durch induzierte Strahlungsaussendung.
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Kurz gesagt, erzeugt der optische Verstärker kohärentes Licht, während
die sonst bekannten Lichtquellen inkohärent sind. Bei einer Glühlampe oder einer
Gasentladung z. B. wird das Licht durch die völlig regellos verteilte Erzeugung
von Photonen hervorgerufen, ohne daß irgendein Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt
der Emission der einzelnen Photonen besteht. Licht entsteht durch Elektronenübergänge
in einem Atom oder Molekül von einem energiereicheren Energiezustand zu einem energieärmeren
Energiezustand. Bei der selektiven Fluoreszenz werden dagegen diese Energieübergänge
synchron ausgelöst. Bei richtigem Betrieb eines optischen Verstärkers erfolgt die
Lichtemission überwiegend in einer einzigen kohärenten Phase, da eine große Anzahl
von Atomen oder Molekülen zugleich von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand
übergehen. überraschenderweise läßt es sich erreichen, daß die bei solchen Energieübergängen
entstehenden Photonen benachbarte Energieübergänge auslösen.
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Die bekannten optischen Verstärker leiden jedoch noch an vielen Schwierigkeiten.
Dazu gehören z. B. ungenügende Intensität der Lichtquelle, die zur Anregung der
Atome dient, unerwünschte Dispersion des vom optischen Verstärker abgegebenen Lichtes
und erhebliche Kühlungsschwierigkeiten. Die Erfindung hat das Ziel, diese Probleme
zu verringern.
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Die meisten optischen Verstärker werden heute mit Hilfe von handelsüblichen
Xenonlampen angeregt. Diese Lampen haben ein breites Spektrum und geben im wesentlichen
weißes Licht ab. Die Anregungsenergie zum Anheben der selektiv fluoreszenten Atome
auf die höhere Energiestufe kann aber nur von einem sehr engen Frequenzband geliefert
werden. Die restliche zur Anregung verwendete Energie der Xenonlampe geht verloren
und wird weitgehend in Wärme verwandelt. Temperaturerhöhungen sind aber für die
selektive Fluoreszenz sehr störend. Dadurch werden Wirkungsgrad, Verstärkung und
andere Kennwerte erheblich verringert. Ferner löst derjenige Anteil des Anregungslichtes,
der im Gebiet der Resonanzfrequenzen des optischen Verstärkers liegt, eine unerwünschte
vorzeitige Abstrahlung aus und bewirkt mithin eine unerwünschte Verarmung der metastabil
überbesetzten höheren Energiestufen vor dem Eintreffen des Auslöseimpulses, wodurch
der Rauschpegel erhöht wird.
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Der erfindungsgemäße optische Verstärker mit einer zur Anregung des
selektiv fluoreszenten Mediums dienenden Lichtquelle ist dadurch gekenn-. zeichnet,
daß ein angeregter Leuchtstoff die unmittelbare Anregungslichtquelle für das Medium
bildet.
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Um eine monochromatische Anregung des optischen Verstärkers zu erzielen,
liegt vorzugsweise die spektrale Verteilung der Emission des Leuchtstoffes im gleichen
Bereich wie das Absorptionsspektrum des selektiv floureszenten Mediums für die Anregungsenergie.
Der Leuchtstoff kann durch Strahlungen beliebiger Art angeregt werden, z. B. durch
Elektronen, Lichtstrahlen oder radioaktive Bestrahlung. In Anbetracht der hohen
Empfindlichkeit vieler Leuchtstoffe für ultraviolettes Licht und des hohen Energieinhalts
des kurzwelligen ultravioletten Lichtes ist eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe
zur Anregung besonders geeignet. Auch eine Kombination verschiedener Lichtquellen
läßt sich zur Anregung des optischen Verstärkers heranziehen. Beispielsweise kann
ein von einer Quecksilberdampflampe angeregter Leuchtstoff die notwendige Schwellenenergie
liefern, während ein von Elektronen angeregter Leuchtstoff zu genau festgelegten
Zeitpunkten eine höhere Beleuchtung hervorruft, um mit diesen Ausgangssignalen die
selektive Fluoreszenz auszulösen. Der Leuchtstoff kann auch mit einer Kühlflüssigkeit
in einer Aufschwemmung vermischt sein und in dieser Form zur Bestrahlung des optischen
Verstärkers herangezogen werden.
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Das Emissionsspektrum eines Gases hängt bekanntlich vom Druck'und
den Anregungsbedingungen
ab. Bei niedrigem Druck ergeben sich scharf
definierte Spektrallinien. Im Falle des Quecksilberdampfes liegt das Emissionsspektrum
bei niedrigem Druck im ultravioletten Bereich. Bei höheren Drücken und kräftigerer
Anregung wird das ' Spektrum einer Gasentladungslampe nahezu lückenlos stetig und
verschiebt sich zu längeren Wellen. Infolgedessen geben die handelsüblichen Xenonhochdrucklampen
ein nahezu weißes Licht ab. Zur Anregung eines optischen Verstärkers in einem engen
Spektralbereich ist dagegen eine Niederdrucklampe wesentlich günstiger, da so der
Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Zur Anregung des erfindungsgemäß verwendeten
Leuchtstoffes mit einem dem optischen Vesrtärker angepaßten Emissionsspektrum kann
somit eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe oder auch eine Natriumdampflampe Verwendung
finden.
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Zur weiteren Verbesserung der Lichtanregung des Leuchtstoffes kann
zwischen der Strahlungsquelle und dem Leuchtstoff ein Filter angebracht werden,
das die Anregungsfrequenz des Leuchtstoffes durchläßt, aber die Emissionsfrequenz
desselben reflektiert. So kann kein unerwünschtes Licht auf den optischen Verstärker
fallen und ihn erwärmen, während das vom Leuchtstoff emittierte Licht auf den optischen
Verstärker konzentriert wird.
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Es ist bekannt, zur monochromatischen Anregung eines optischen Verstärkers
Niederdruck-Gasentladungslampen zu verwenden. Hierbei ist man aber an ganz bestimmte
Spektrallinien und verhältnismäßig geringe Intensitäten gebunden. Andererseits weisen
Hochdruck-Gasentladungslampen das aus den oben geschilderten Gründen ungünstige
kontinuierliche Spektrum auf.
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Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Verwendung eines Leuchtstoffes
zur Anregung eines optischen Verstärkers den Vorteil, daß Verfahren zur Herstellung
von Leuchtstoffen mit jeder beliebigen Spektralverteilung bekannt sind. Es kann
also stets die dem betreffenden selektiv fiuoreszenten Medium am besten angepaßte
Spektralverteilung gewählt werden.
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Ferner ist es aus noch zu erörternden Gründen häufig erwünscht, die
Gasentladungslampe mit Hochfrequenzenergie zu betreiben. Die Lichtemission einer
so betriebenen Gasentladungslampe schwankt nahezu sinusförmig. Befindet sich dagegen
eine Leuchtstoffschicht zwischen der Gasentladungslampe -und dem optischen Verstärker,
so ergibt die Trägheit des Leuchtstoffes eine stetige Anregung des optischen Verstärkers.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Hierin ist r i g. 1 ein Schnitt eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkers, F
i g. 2 eine graphische Darstellung der charakteristischen Energieübergänge in einem
optischen Verstärker, F i g. 3 und 4 Darstellungen von Anordnungsmöglichkeiten für
die einzelnen Kristallfasern, aus denen das selektiv fluoreszente Medium des optischen
Verstärkers nach F i g. 1 besteht, F i g. 5 eine Ausführungsform der Erfindung mit
Lichtrückkopplung, F i g. 6 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anregung
einerseits durch eine Gasentladungslampe und andererseits durch eine Kathodenstrahllampe
erfolgt, F i g. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der optische
Verstärker von einem Leuchtstoff und der Leuchtstoff von einer Gasentladungslampe
angeregt wird, F i g. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der
Leuchtstoff von Elektronenstrahlen angeregt wird und F i g. 9 und 10 Schaltungsbeispiele
für den Betrieb der Gasentladungslampe bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Gemäß F i g. 1 befindet sich der erfindungsgemäße optische Verstärker
in einem Vakuumkolben, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse 12 mit zwei Stirnplatten
14 und 16. Innerhalb des Gehäuses 12
befindet sich eine konzentrische
zylindrische Kathode 18. Sie ist mit nicht dargestellten Heizdrähten versehen
und trägt auf ihrer Innenseite eine Elektronenemissionsschicht 20. Im Betrieb wird
die Emissionsschicht 20 auf Rotglut, d. h. auf etwa 850 bis 900'° C erhitzt. Innerhalb
des Kathodenzylinders 18 kann ein Steuergitter 22 in Form einer Drahtwendel
vorgesehen sein. Das Gitter ist an nicht dargestellten, längsverlaufenden Haltestäben
aufgehängt.
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Ein Innenzylinder 24 aus temperaturfestem Glas bzw. Quarz od.
dgl. ist konzentrisch mit dem Gitter und der Kathode angebracht. Die Außenfläche
des Glaszylinders 24 ist erfindungsgemäß mit einem aluminierten Leuchtstoffüberzug
26 versehen, dessen Emissionsspektrum weiter unten erläutert wird. Es können Elektronenstromdichten
von 5, 10 oder sogar mehr als 40 Amp/cm2 auf den überzug 26 gerichtet werden. Der
aluminisierte Leuchtstoffüberzug stellt die Anode der Kathodenstrahlröhre dar, die
auf einem positiven Potential von mehreren 1000 bis etwa 20 000 V liegt.
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Das selektiv fluoreszente Medium 28 befindet sich in der Achse des
Vakuumrohres. Es besteht aus einem Bündel von Kristallfasern. Zwischen dem Glaszylinder
24 und dem Faserbündel 28 sind Halteringe 31 bis 35 angeordnet.
hie einzelnen Fasern 28
können bekanntlich z. B. aus Rubin bestehen. Dieser
Stoa besteht aus Aluminiumoxyd mit in das Kristallgitter eingelagerten Chromionen.
Auch andere selektiv fluoreszente Stoffe können Verwendung finden, so z. B. KaWumfluoridkristalle
mit Samarium- oder Uranionen als Aktivatoren. Der Raum zwischen den Fasern
28 und dem Zylinder 24 kann einen Teil der Vakuumkammer darstellen.
Vorzugsweise dient er aber zur Durchströmung eines Kühlmittels. Beispielsweise kann
flüssiger Stickstoff durch den Raum zwischen dem Glaszylinder 24 und den Fasern
28 hindurchgeleitet werden. Die Ringe 31 bis 35 können axiale Löcher zum Durchgang
des Kühlmittels aufweisen.
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Die Ringe suchen aber das Kühlmittel vorzugsweise durch die Zwischenräume
zwischen den einzelnen Fasern hindurchzudrängen, so daß das Bündel 28
von
innen gekühlt wird. Außerdem hält der flüssige Stickstoff auch den Innenzylinder
24 auf so niedriger Temperatur, daß der Leuchtstoffüberzug 26 durch die intensive
Wärmestrahlung der rotg]ühenden Kathode 18 nicht zerstört wird.
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Bei vielen bisher vorgeschlagenen optischen Verstärkern werden zwei
Spiegel verwendet, um die Strahlen auszurichten und die Resonanzwirkung beim Aussenden
des Lichtstrahles zu verstärken. Bei der vorliegenden Anordnung ist das linke Ende
des Faserbündels 28 so ausgebildet, daß sich ein einheitlicher
optischer
Körper 38 ergibt, dessen Stirnfläche 40 geschliffen, poliert und-
versilbert ist, so daß sich eine vollständig reflektierende Fläche ergibt. Die Austrittspupille
42 kann entsprechend bekannten Vorschlägen teilversilbert sein.
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Vorzugsweise ist sie aber überhaupt nicht versilbert, da sich bereits
bei ein oder zwei Durchgängen durch die Kristallfasern genügend Energie aufgebaut
hat. Um dies zu erreichen, kann die Anordnung entsprechend lang gemacht werden,
z. B. etwa 90 bis 120 cm lang.
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Zum Verständnis der Arbeitsweise der Anordnung soll an Hand von F
i g. 2 die Theorie der optischen Verstärker behandelt werden. In Vertikalrichtung
sind verschiedene Energiestufen aufgetragen, wobei der Grundzustand ganz unten liegt
und Stufe I und Stufe II jeweils höhere Energiewerte darstellen. Die Stufen I und
1I werden bei Festkörpern häufig als Energiebänder bezeichnet. Wegen der begrenzten
Anzahl der möglichen Energiezustände ist nur eine bestimmte Gruppe von Übergängen
zwischen Energiebändern untereinander und zum Grundzustand möglich. Diese möglichen
Energieübergänge sind mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet. Durch Energiezufuhr
können die Elektronen der Atome auf eine höhere Energiestufe gehoben werden. Bei
Energieverlust kehren die Elektronen stufenweise zum Grundzustand zurück. Der Energiegewinn
kann in verschiedener Weise erfolgen, z. B. durch Erwärmen, Stoß bewegter Teilchen
oder Strahlung. Geht ein Atom von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand
über, so wird ein Lichtquant ausgesandt, dessen Wellenlänge bzw. Frequenz durch
die Energiedifferenz bestimmt ist.
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Im Falle des Rubins können durch Bestrahlung mit grünem Licht die
Atome auf die Stufen I und II gehoben werden. Die zwischenliegende Stufe I ist als
metastabiler Zustand bekannt. Bei Übergang von Stufe I zum Grundzustand (Verlust
B) wird rotes Licht ausgestrahlt. Dieser Übergang kann durch Einfall roten Lichtes
mit gleicher Frequenz ausgelöst werden. Dieses rote Licht kann beispielsweise von
einem vorherigen Übergang herrühren.
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Die Auslösung ist ein wesentliches Kennzeichen der optischen Verstärkerwirkung.
Sie besteht in der bemerkenswerten Eigenschaft, daß die Emission, die von einem
ausgelösten metastabilen Atom herrührt, die Anregung von einer anderen Quelle genau
in gleicher Frequenz und Phase verstärkt. In einem Kristall mit einer verhältnismäßig
großen Anzahl angeregter Atome ergibt sich so eine Kaskadenwirkung, wodurch ein
kohärentes Signal von zunehmender Amplitude auftritt. Jeder Übergang löst mehr als
einen weiteren Übergang aus und diese Lawinenwirkung setzte sich durch den Kristall
fort, bis alle angeregten Atome aus dem metastabilen Zustand in den Grundzustand
zurückgekehrt sind. Bei Dauerbetrieb für Verstärkungszwecke wird ständig Anregungsenergie
nachgeliefert, um eine hohe Konzentration von Atomen im angeregten Zustand aufrechtzuerhalten.
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F i g. 3 und 4 zeigen Querschnitte zweier Abänderungen des Kristallfaserbündels
28 in F i g. 1. In F i g. 3 sind die einzelnen Fasern 46 jeweils mit einer Schicht
48 überzogen. Der Brechungsindex der Rubinfasern 46 ist etwa 1,78, während derjenige
des Überzugs (Glas oder anderes durchsichtiges Material) z. B. etwa 1,52 beträgt.
Dieser Unterschied im Brechungsindex erzeugt eine innere Totalreflexion für Licht,
das in Längsrichtung durch die Fasern 46 läuft. Dagegen gelangt Licht, das senkrecht
zur Achse der Fasern 46 sich fortpflanzt, durch die Überzüge 48 zu den benachbarten
Rubinfasem 46. Diese gegenseitige Kopplung bewirkt die gewünschte Kohärenz der Lichtemission
im ganzen Querschnitt des Bündels 28. Es muß die rechte Mitte zwischen der gegenseitigen
Kopplung zwecks Kohärenz und dem nötigen Abstand eingehalten werden, der die Richtwirkung
verbessert. Bei der Anordnung nach F i g. 4 sind die Fasern 50 nicht überzogen und
deshalb enger miteinander gekoppelt. Sie dürfen jedoch keine gegenseitige Berührung
haben, sondern besitzen einen gewissen Abstand voneinander, so daß ein Kühlmittel
in den Zwischenräumen 52 strömen kann.
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Bei der geschlossenen Lichtführung nach F i g. 5 ist die Anordnung
56 wie in F i g. 1 aufgebaut und besitzt ein äußeres Gehäuse 12'. Das Bündel
28' aus Rubinfasern endet jedoch nicht an den Stirnwänden der Anordnung 56,
sondern setzt sich beiderseits derselben nach außen fort und endet erst an den Stellen
58 und 60, die einander gegenüberliegen. Die Stirnfläche 60 ist so angeordnet, daß
der . von ihr ausgehende Lichtstrahl teilweise auf die Stirnfläche 58 des Bündels
28' fällt. Auf diese Weise kann eine Rückkopplung hergestellt und eine geschlossene
Kette von Energieübergängen erzeugt werden. Um die Stärke der Rückkopplung einstellen
zu können, ist eine Verstellvorrichtung 62 vorgesehen. Die Rückkopplung tritt nämlich
nur dann ein, wenn die im Bündel 28' erzeugten Wellen in der Phase genau mit den
an der Stirnfläche 60 eintreffenden Wellen übereinstimmen. Mittels der Schraube
64 kann eine genaue Phasenübereinstimmung durch Feineinstellung der Stirnfläche
60 erzielt werden. Wie der Pfeil 66. zeigt, läßt sich nämlich die Stirnfläche 60
vor- und zurückschieben, so daß die Länge der Luftstrecke auf eine bestimmte Anzahl
von Wellenlängen eingestellt werden kann.
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Dem Eingangsende 58 des Lichtführungsbündels 28' kann äußeres Licht
von einer Lichtquelle 68 zusätzlich oder unabhängig von der Rückkopplung zu- ..
geführt werden. Die Lichtquelle 68 kann beispielsweise über eine Leitung 70 ferngesteuert
werden. Da die ankommenden Lichtsignale zusätzliche Energie= . übergänge in der
Anordnung 56 auslösen, stellt der austretende Lichtstrahl 27 ein verstärktes
Bild der von der Lichtquofff abgegebenen Signale dar. Eine Kühlvorrichtung 74 ist
über Zuleitung 76 und Ableitung 78 mit dem Vakuumrohr 56 verbunden. Gemäß F i g.
1 strömt das Kühlmittel zwischen dem Zylinder 24 und dien Lichtführungsbündel 28
sowie durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern.
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Die als Kathodenstrahlröhre ausgebildete Lichtquelle ist erfindungsgemäß
besonders nützlich, da die Spektralverteilung der Lichtquelle leicht den Erfordernissen
für die Anregung des Lichtverstärkers angepaßt werden kann. Im Impulsbetrieb können
die Impulse außerorich kurze Anstiegszeiten haben, da es sich um eine Hochvakuumröhre
handelt. Da die Anode unmittelbar an den optischen. Verstärker angrenzt, können
das selektiv fluoreszente Medium und die Anode gemeinsam gekühlt werden.
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F i g. 6 zeigt einen optischen Verstärker mit zwei getrennten Anregungslichtquellen,
nämlich mit einer Gasentladungslampe 82 und einer Kathodenstrahl-
Lampe
84. Der selektiv fluoreszente Stab 86 ist wie stets axial angeordnet und besitzt
am einen Ende eine reflektierende Fläche 88. Die Kathodenstrahllampe
84 hat eine indirekt geheizte Kathode 90 und einen aluminisierten
Leuchtstoffüberzug 92. Ein durchsichtiger Kolbenteil 94 aus Glas und versilberte
Glasteile 96 und 98 bilden den Kolben der Kathodenstrahllampe. Mittels der Stirnwand
100 aus Metall kann die Anodenspannung an den Leuchtschirm 92 angelegt werden.
Die Kathode 90 wird über Anschlüsse 102
und 104 mit Spannung
versorgt.
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Die Gasentladungslampe 82 enthält die Elektroden 106 und 108. Zwischen
ihnen befindet sich Quecksilberdampf bei niedrigem Druck. Die Elektroden sind an
eine Spannungsquelle 110 von niedriger Spannung und hoher Leistung angeschlossen.
Die die Gasentladungslampe umschließenden Glaswände 112
sind mit Silber oder
einem anderen lichtreflektierenden Stoff überzogen, um alle von der Gasentladungslampe
ausgehende Strahlung nach innen auf die ieuchtstoffschicht 114 zu richten, die auf
die durchsichtige Innenwand 116 aufgebracht ist. Der Leuchtstoff 114 ist
ebenso wie der Leuchtstoff 92 auf die Anregungsfrequenz des selektiv fluoreszenten
Stabes 86 abgestimmt. Der Leuchtstoff 114 ist aber nicht aluminisiert, da ein Aluminiumüberzug
das Licht reflektieren würde und so die volle Ausnutzung des von der Gasentladung
ausgehenden Lichtes verhindert würde.
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Das von einer Quecksilberdampfentladung ausgehende ultraviolette Licht
ist für die Anregung zahlreicher Leuchtstoffe, die Licht im sichtbaren Bereich emittieren,
ideal. Außerdem hat ultraviolettes Licht einen hohen Energiegehalt im Vergleich
zu den längeren Wellenlängen im sichtbaren Spektrum. Andrerseits können Leuchtstoffe
leicht so hergestellt werden, daß sie die gewünschte Spektralverteilung aufweisen,
auf welche das selektiv fluoreszente !Medium anspricht. Oft ist es erwünscht, eine
Gasentladung durch Hochfrequenzenergie im Bereich einiger Kilohertz anzuregen. Dies
kann entweder mittels einer äußeren Hochfrequenzquelle oder durch Ausbildung der
Gasentladung selbst als Oszillator geschehen. Die Lichtemission eines hochfrequent
angeregten Plasmas folgt in erster Annäherung einer Sinusfunktion, hat also nicht
die konstante hohe Intensität, die zur Bestrahlung des selektiv fluoreszenten Mediums
erwünscht ist. Leuchtstoffe haben dagegen normalerweise eine erhebliche Zeitkonstante
der Emission. Die Kombination einer aus einer mit Hilfe von Hochfrequenz angeregten
Gasentladung herrührenden Ultraviolettstrahlung und eines Leuchtstoffes ist deshalb
besonders nützlich zur Anregung der selektiven Fluoreszenz.
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Ein Kühlmittel wird durch den Stutzen 118 zugeführt und aus
dem Stutzen 120 abgeführt. Das Kühlmittel hält nicht nur den selektiv fluoreszenten
Kristall 86 auf verhältnismäßig niedriger Temperatur und verbessert so den Störabstand,
sondern hat auch eine optische Wirkung. Der Brechungsindex von selektiv fluoreszenten
Kristallen ist nämlich verhältnismäßig hoch. So beträgt der Brechungsindex des Rubins
etwa 1,7. Das Licht, mit dem der Kristall bestrahlt wird, soll aber möglichst vollständig
im Kristall absorbiert werden. Wenn der Zwischenraum zwischen dem Kristall
86 und den Lampeninnenflächen 94 und 116 nur Luft enthielte,
die einen Berechungsindex von 1,0 aufweist, so würde der starke Brechungsunterschied
an der Oberfläche des Kristalls 86 eine erhebliche Reflexion verursachen, falls
der Einfallwinkel des Lichtes nicht nahezu 900
beträgt. Dagegen tritt bekanntlich
keine Reflexion ein, wenn die beiden aneinanderstoßenden Stoffe nahezu den gleichen
Brechungsindex aufweisen. Da nun die meisten Flüssigkeiten einen Brechungsindek
von etwa 1,5 besitzen und manchmal sogar demjenigen des Rubins nahekommen, wird
bei Ver,vendung einer Kühlflüssigkeit die Lichtausbeute der anregenden Strahlungsquellen
94 und 116 wesentlich gesteigert.
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Da die Kühlflüssigkeit an den Innenflächen 94 und 116 der beiden
Lampen vorbeifließen, verhindert sie auch eine überhitzung des Leuchtstoffes. Zum
Umlauf der Kühlflüssigkeit dient in bekannter Weise ein Wärmetauscher mit einer
Pumpe.
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Im Betrieb wird die Stärke der Gasentladung in der Lampe 82 so eingestellt,
daß die Dichte der in angeregtem Energiezustand befindlichen Zentren des selektiv
fluoreszenten Kristalls 86 gerade unterhalb der kritischen Schwelle liegt. Soll
nun ein kohärenter Strahlungsimpuls ausgesandt werden, so wird die Kathodenstrahllampe
84 zusätzlich eingeschaltet. Die Intensität des von ihr ausgehenden Lichtes
ist wesentlich größer als diejenige des Lichtes von der Gasentladungslampe
82. Die Kathodenstrahllampe 84 befindet sich am reflektierenden Ende 88 des
selektiv fluoreszenten Kristalls und erzeugt deshalb eine Wellenfront, die von der
Fläche 88 längs des Kristalls fortschreitet und hierbei alle Atome oder Moleküle,
die von der Lampe 82 angeregt worden waren, zur Rückkehr in den Grundzustand veranlaßt.
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F i g. 7 zeigt einen optischen Verstärker, der allein von einer Gasentladungslampe
angeregt wird. Der selektiv fluoreszente Stab 132 ist zentral an den inneren Enden
eines Isolierstabes 134 und eines Isolierrohres 136 befestigt. Die Strahlung
erfolgt nach links, während die rechte Stirnfläche 138 des Kristalls
132
reflektierend ausgebildet ist. Der Kristall 132 ist von einer Kammer
140 umgeben, in der sich ein Kühlmittel befindet. Die Außenwand der Kammer
140 besteht aus einem Glasrohr 143. Die Enden 144 und
146 des Rohres 142 können nach außen gebogen sein, um eine Leuchtstoffschicht
148 auf dem Mittelteil der Außenfläche des Rohres 142 zu schützen. Ein Filter
150, das von dem Leuchtstoff 148 ausgestrahltes Licht reflektiert
und ultraviolettes Licht durchläßt, ist auf der Innenfläche eines konzentrischen
Rohres 152 aus Quarz oder Hartglas angebracht. Im Falle eines Rubins als selektiv
fluoreszentem Kristall soll das Emissionsmaximum des Leuchtstoffes bei etwa 5500
Angström liegen. Dies l'äßt sich mittels eines monokristallinen Zink-0rthosäikats
erreichen. Ein derartiger Leuchtstoff ist z. B. auf Seite 86 des Buches >Television«
von V. K. Zworykin und G. A. Morton, 2. Auflage, New York, 1954, beschrieben. Ein
Filter der genannten Art ist beispielsweise auf Seite 274 des Buches bFundamenWs
of Optics« von F. A. J e n k i n s und Harvey E. White, New York, 1950, beschrieben.
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Die beschriebene Anordnung wird von einer Gasentladungslampe 154 umgeben.
Diese enthält vorzugsweise Quecksilberdampf. Sie wird an ihrer Innenfläche vom Rohr
152, an ihren beiden Stirnseiten von massiven Kupferelektroden 156 und 158
und an der Außenfläche von einem Glasrohr 160 begrenzt. Die Gasentladung zwischen
den Elektroden 156 und 158 geht bei verhältnismäßig niedrigem Druck vor sich, um
eine Linienemission zu gewährleisten und die
Linienverbreiterung
durch Hochdruckeinfluß zu vermeiden.
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Da hohe Lichtintensitäten bei Niederdruckentladung nur schwierig zu
erreichen sind, sind eine reflektierende Elektrode 162 und ein Magnet 164 vorgesehen.
Diese Teile verlängern den lonenweg i_n Gasplasma und erhöhen dadurch die Lichtausbeute
des Plasmas erheblich. Wenn an die Elektroden 15#j und 158 über die Zuleitungen
166 und 168 eine Spannung V angelegt wird, so kann man an die Elektrode 162 über
die Zuleitung 170 z. B. eine Spannung V/2 anlegen. Dadurch erhalten die zwischen
den Elektroden 156 und 158 wandernden positiven und negativen Ionen eine nach außen
zur Elektrode 162 gerichtete Geschwindigkeitskomponente. Der Ring magnet 164 wird
von der Stromquelle 172 über Adern 174 erregt und erzeugt ein axiales Magnetfeld.
Dieses axiale Magnetfeld zwingt den geladenen Teilchen zwischen den Elektroden 156
und 158 wegen ihrer radialenGeschwindigkeitskomponente eine schraubenförmige Bahn
auf. Auch andere Anordnungen zur Vergrößerung der Bahnlänge der geladenen Teilchen
in der Gasentladung mit Hilfe von gekreuzten magnetischen und elektrischen Federn
können angewandt werden.
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Der temperaturfeste Isolierstab 134 ist mit mehreren längsgerichteten
Kühlkanälen 176 versehen, die von einer Kühlkammer 178 zur Kammer 140 verlaufen.
Das Rohr 136, das die Austrittspupille des optischen Verstärkers umgibt, weist mehrere
auf seinen Umfang verteilte Nuten 180 auf, durch die das Kühlmittel aus der Kammer
140 zu einer ringförmigen Kühlkammer 182 fließen kann. Von dort gelangt das Kühlmittel
über die Rohre 184 und 186 und die Pumpe 188 wieder zur Zuflußkammer 178.
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Ein Rohr 190 und ein Kanal 192 in der Elektrode 158 dienen zur Zuführung
von Gas in die Gasentladungskammer 154. Das Rohr 190 kann auch zum Auspumpen der
Kammer 154 dienen. Da die Gasentladungslampe sehr hohe Stromstärken führt, sind
massive Anschlüsse 194 und 196 für die Elektroden 156 und 158 vorgesehen.
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Wenn im Betrieb das Gasplasma angeregt ist, wird die Leuchtstoffschicht
148 durch das Filter 150 mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Der Leuchtstoff erzeugt
dann grünes Licht, das die Anregung des Rubins 132 besorgt. Bei voller Bestrahlung
des selektiv fluoreszenten Kristalls erhält man eine kohärente Strahlung im roten
Frequenzband.
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F i g. 8 zeigt eine weitere Ausbildungsform der Erfindung mit einer
anderen Anregungsart der Leuchtstoffschicht 202. In den bisher besprochenen Ausführungsformen
wurde der Leuchtstoff von der einen Seite angeregt und strahlte nach der anderen
Seite ab. Diese Konstruktion führt zu gewissen Problemen hinsichtlich der richtigen
Dicke der Leuchtstoffschicht und der gleichmäßigen Bestrahlung derselben, so daß
sie ihrerseits das selektiv fluoreszente Medium gleichmäßig anregt. Diese konstruktiven
Probleme fallen bei der Anordnung nach F i g. 8 weg, da hier die Leuchtstoffschicht
202 auf derselben Seite bestrahlt wird, von der aus der zentral angeordnete selektiv
fluoreszente Kristallstab 204 sein Anregungslicht von dem Leuchtstoff erhält.
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Die Leuchtstoffschicht 202 ist auf einer massiven Metallanode
206 aus reflektierendem, leitendem Material angeordnet. Hierzu können beispielsweise
Aluminium oder Platin verwendet werden. Infolgedessen wird alles Licht, das von
der Schicht 202 nach außen abgestrahlt werden könnte, nach innen zu dem selektiv
fluoreszenten Kristall 204 reflektiert.
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Auch hier ist die eine Stirnfläche 208 des Kristallstabes 204
mit einem reflektierenden Metallüberzug versehen. Das kohärente Licht tritt am oberen
Ende 210 des Kristallstabes aus. Der Kristall ist auf geschlitzten Isolierringen
212 und 214 gelagert, die sich in einem reagenzglasähnlichen Glasrohr
216 befinden. Das Glasrohr 216 bildet einen Teil des Vakuumkolbens. Dieser wird
ferner aus dem Anodenblock 206, dem Glasring 218, den Glaszylindern 220, 222 und
224 und den federnden Zwischenstücken 226, 228 und 230 aus Metallblech gebildet.
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Die Kathodenstrahllampe ist ähnlich der Anordnung nach der USA.-Patenschrift
2 632 130. Sie besitzt eine zylindrische Kathode 232, eine Beschleunigungsanode
234 und eine ringförmige Konzentrationsspule 236. Diese erzeugt ein axiales Magnetfeld,
dessen Kraftlinien allmählich auseinanderlaufen, wie es durch die gestrichelten
Linien 238, 240 und 242 und 244 angedeutet ist. Die Beschleunigungselektrode 234
liegt auf positivem Potential hinsichtlich der Kathode 232, hat aber geringeres
Potential als der Anodenblock 206. Infolgedessen werden die von der Kathode 232
emittierten Elektronen anfänglich von der positiv geladenen Elektrode
234 angezogen. Die Spule 236 zwingt jedoch den Elektronen eine schraubenförmige
Bahn auf, die etwa koaxial mit der Kathodenstrahllampe verläuft. Infolgedessen treffen
die Elektronen nicht auf die Elektrode 234, sondern werden axial zur stärker positiv
geladenen Anode 206 in schraubenförmigen Bahnen geführt.
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Der Heizfaden 250 ist über die Zuleitung 252 und den
Zylinder 254 mit den Blechringen 226 und 228 verbunden, während die Beschleunigungsanode
234 leitend mit dem Sockelteil 230 am unteren Ende der Kathodenstrahllampe
in Verbindung steht.
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Der Anodenblock 206 und der selektiv fluoreszente Kristall
204 können getrennt gekühlt werden. Das Kühlmittel für die Anode (z. B. Wasser)
kann über die Rohre 256 und 258 den Bohrungen 260 im Anodenblock zugeführt werden.
In bekannter Weise kann die Kühlflüssigkeit durch einen Gummischlauch fließen, um
den Anodenblock 206 elektrisch zu isolieren. Der selektiv fluoreszente Kristall
204 wird mittels der Rohre 262 und 264 gekühlt.
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Im Betrieb können der Kathodenstrahllampe Öffnungsimpulse durch Anlegung
entsprechender Potentiale an die Beschleunigungselektrode und die Anode zugeführt
werden. Die Leuchtstoffschicht 202 wird dann durch auftreffende Elektronen angeregt
und bestrahlt den selektiv fluoreszenten Kristall 204. Ist eine bestimmte
Bestrahlungsstärke erreicht, so emittiert der Kristall 204 kohärente Strahlung aus
der Austrittspupille 210.
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F i g. 9 zeigt ein Schaltungsbeispiel für den Betrieb der Gasentladungslampe
gemäß der Erfindung. Der Stromkreis enthält eine Gleichspannungsquelle 282, einen
Drehkondensator 284, einen Transformator 286 und die Gasentladungslampe 288.
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Das Gasplasma hat normalerweise eine Resonanzfrequenz im Bereich einiger
Kilohertz. Wenn der Schwingkreis aus dem Kondensator 284 und der Induktivität
des Transformators 286 auf diese Frequenz abgestimmt ist, so werden die Plasmaschwingungen
verstärkt und es fließen Stromimpulse durch die Gasentladungslampe 288 im Takt der
Schwingungen.
Die Entladungslampe 288 soll im Falle der F i g. 9
gleichrichtende Eigenschaften haben. Dies kann durch Aufbringung von Spitzen oder
eines Glühfadens an einer der Elektroden in der Entladungskammer bewirkt werden.
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Eire andere Anordnung für den gleichen Zweck ist in F i g. 10 gezeigt.
Hier besitzt die Gasentladungslampe 154' eine Mittelelektrode I62', die der Elektrode
162 in F i g. 7 entspricht. Die Elektrode 162' ist mit einer Mittelanzapfung der
Sekundärwicklung des Transformators 292 verbunden. Im übrigen ist die Schaltung
identisch mit derjenigen nach F i g. 9.
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Ergänzend sei bemerkt, daß das Kühlmittel für den optischen Verstärker
gefärbt sein kann, wodurch. etwa die gleichen Wirkungen wie durch das Filter 150
in F i g. 7 erzielt werden können. Auch kann feinverteilter Leuchtstoff in der Kühlflüssigkeit
aufgeschwemmt sein. Hierdurch kann der Leuchtstoff nahe an den Kristall herangebracht
werden und das Problem der Wärmeabführung vom Leuchtstoff ist vermieden.
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Statt durch Elektronen oder ultraviolettes Licht könnte die Anregung
des Leuchtstoffes auch durch andere Strahlung, z. B. durch Röntgenstrahlen oder
radioaktive Strahlung, bewirkt werden. Als Beispiel für einen anderen selektiv fluoreszenten
Kristall als Rubin sei Kalziumwolframat mit Neodym als Aktivator genannt. Zur Anregung
der Neodymionen ist ein Leuchtstoff geeignet, der aus Kalziumwolframat mit einem
stöchiometrischen Überschuß von Wolfram besteht. Da jeweils die gewünschte Anregungsfrequenz
bekannt ist, können Leuchtstoffe mit geeigneter Spektralverteilung der Emission
ohne weiteres ausgewählt werden.