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Optische Erzeugung von Harmonischen, von Schwebungen oder eines Modulationsgemisches
elektromagnetischer Wellen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optischen
Erzeugung von Harmonischen, von Schwebungen oder eines Modulationsgemisches elektromagnetischer
Wellen mittels eines optisch nichtlinearen Mediums und auf eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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Unter kurzen elektromagnetischen Wellen sollen Wellen verstanden werden,
deren Wellenlänge kleiner ist als etwa 1 cm.
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Im folgenden soll die Erfindung aus Zweckmäßigkeitsgründen unter besonderer
Berücksichtigung elektromagnetischer Wellen mit den Frequenzen des Lichts beschrieben
werden. Es soll jedoch betont werden, daß die Grundgedanken in gleicher Weise auf
längere Wellen, beispielsweise auf Wellenlängen im Mikrowellenbereich angewendet
werden können.
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über die Erzeugung von Harmonischen kohärenten Lichts ist kürzlich
in der Literatur berichtet worden (s. »Physical Review Letters«, Bd. 7, Nr. 4, S.
118 und 119 vom 5. B. 1961). Bei einer solchen Erzeugung wird kohärentes Licht,
das von einem optischen Rubinverstärker stammt, auf einen Quarzkristall gerichtet,
um eine Emission von ultraviolettem Licht zu indizieren. Eine Erzeugung von Harmonischen
auf diese Werte ist nicht sehr wirksam. Ein Haupthindernis besteht in der Verschiedenheit
der Phasenausbreitungsgeschwindigkeit für das zugeführte und das induzierte Licht
im Quarz. Als Ergebnis dieser Verschiedenheit addiert sich das Licht, wenn es über
eine größere Wegstrecke induziert wird, nicht überall mit geeigneter Phasenlage,
und die sich ergebende Interferenz setzt den Wirkungsgrad des Umwandlungsvorganges
herab. Weiterhin wird es als Ergebnis dieses kleinen Wirkungsgrades erforderlich,
fokussierte Strahlen zu verwenden, um die gewünschten hohen Intensitäten zu erreichen.
Eine solche Fokussierung beschränkt aber den Umwandlungsvorgang auf den Bereich,
der den Brennpunkt umgibt.
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Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile unter Verwendung eines
optisch nichtlinearen Mediums dadurch vermieden, daß das optisch nichtlineare Medium
doppelbrechend ist und die monochromatischen elektromagnetischen Wellen so durch
das doppelbrechende Medium geleitet werden, daß im doppelbrechenden Medium die Phasengeschwindigkeit
des ordentlichen oder des außerordentlichen Strahles der eingestrahlten Wellen an
die Phasengeschwindigkeit des ordentlichen bzw. außerordentlichen Strahles der Harmonischen,
der Schwebung oder des Modulationsgemisches angepaßt ist.
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Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß durch eine geeignete
Wahl des Kristalls als nichtlineares Glied und durch eine geeignete Wahl der Richtung
durch den Kristall für das zugeführte Licht erreicht werden kann, daß das induzierte
Licht kumulativ mit geeigneter Phasenlage über eine längere Wegstrecke addiert wird,
wodurch eine größere Ausgangsenergie und ein höherer Wirkungsgrad möglich sind.
Für die Ausführung der Erfindung sollte der gewählte Kristall keinen Symmetriemittelpunkt
besitzen, er sollte eine ausreichend große nichtlineare Polarisierbarkeit haben,
um wirksam als nichtlineares Glied zu dienen, er sollte mit Bezug auf seine Dispersion
bei den in Frage kommenden Frequenzen ausreichend doppelbrechend sein, er sollte
eine genügend kleine Absorption bei den in Frage kommenden Frequenzen besitzen und
sollte vorteilhafterweise möglichst leicht herzustellen sein. Im folgenden soll
ein solcher Kristall einfach als geeigneter doppelbrechender Kristall bezeichnet
werden.
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Zur Harmonischenerzeugung von ultraviolettem Licht aus zugeführtem
roten Licht entspricht beispielsweise ein Kristall aus Kaliummono-Phosphat (KH.PO4)
allen obengenannten Anforderungen. Insbesondere kann in einem solchen negativ einachsigen
Kristall
die Ausbreitungsrichtung des eingesperrten roten Lichts so gewählt werden, daß die
Phasengeschwindigkeit für die Ausbreitung der eingesperrten ordentlichen Welle an
die der außerordentlichen Welle des induzierten ultravioletten Lichts angepaßt ist.
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Demgemäß beruht mit anderen Worten die Erfindung auf dem Prinzip,
daß durch eine geeignete Wahl des Kristalls und der Orientierung desselben die polarisierte
Welle, die durch eine oder mehrere, miteinander in Wechselwirkung stehende elektromagnetische
Wellen erzeugt wird und die die Frequenz der zu induzierenden Welle besitzt, in
ihrer Phasengeschwindigkeit an die induzierte Welle angepaßt werden kann, wodurch
der Wirkungsgrad bei der Erzeugung der induzierten Welle vergrößert wird.
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Auf diese Weise kann die polarisierte Welle mit der gewünschten Ausgangsfrequenz,
die durch das eingesperrte Licht erzeugt wird, in Phasenübereinstimmung mit der
induzierten Welle der gewünschten Ausgangsfrequenz im gesamten Kristall gehalten
werden, so daß der Wirkungsgrad des gewünschten Umwandlungsvorgangs auf ein Maximum
gebracht werden kann.
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Bei einer bevorzugten Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens besteht
der eingespeiste Strahl aus der kohärenten Ausgangsenergie eines optischen Rubinverstärkers,
und das Harmonische erzeugende, nichtlineare Glied ist ein Kaliummono-Phosphat-Kristall
(KH,P04). Das rote Licht des optischen Rubinverstärkers wird durch den Kristall
als ordentlicher Strahl unter einem Winkel von etwa 50° zu seiner optischen Achse
geschickt. Vorteilhafterweise liegt dieses Licht in einer Ebene, die die optische
Achse, die z-Achse, enthält und den Winkel zwischen der x- und y-Achse des Kristalls
halbiert, da für diese Wahl des Richtungswinkels zur z-Achse die maximale, nichtlineare
Polarisation erreicht wird. Als Ergebnis wird kohärentes ultraviolettes Licht mit
der halben Wellenlänge von der des roten Lichts aus dem optischen Verstärker erzeugt
und als Ausgangsenergie verfügbar gemacht.
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Zur Überlagerung einer unmodulierten Frequenz mit einer modulierten
Signalfrequenz kann der doppelbrechende Kristall im Gerät unter einer Richtung angeordnet
werden, in der in seinem Inneren eine polarisierte Schwebungsfrequenz entsteht.
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In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 in schematischer Weise die Grundbausteine
eines Generators für die zweite Harmonische gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine graphische
Darstellung der Phasengeschwindigkeit in Polarkoordinaten zur Erläuterung der Erfindung,
F i g. 3 in schematischer Weise eine Anordnung zur Mischung von zwei Lichtstrahlen
gemäß der Erfindung, F i g. 4 einen optischen Verstärker gemäß der Erfindung, F
i g. 5 in schematischer Weise ein System zur Erzeugung von Sub-Harmonischen eingesperrten
Lichts und F i g. 6 eine graphische Darstellung der Phasengeschwindigkeit zur Erläuterung
des optischen Verstärkers nach F i g. 4.
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Der Generator für die Harmonischen nach F i g. 1 weist als nichtlineares
Glied einen Kristall 10 aus Kaliummono-Phosphat auf. Ein solcher Kristall ist doppelbrechend
und negativ einachsig, d. h., bei einer gegebenen Wellenlänge ist die Geschwindigkeit
des ordentlichen Strahls kleiner als die des außerordentlichen Strahls. Der Kristall
zeigt jedoch außerdem eine normale Dispersion im optischen Bereich, d. h., die Ausbreitungsgeschwindigkeit
von Licht nimmt mit zunehmenden Frequenzen ab. Der Kristall 10 besitzt eine Quaderform
von 2 - 1 - 1 cm. Die optische Achse des Kristalls wird durch die z-Achse in dem
gezeigten rechtwinkligen x, y, z-Koordinatensystem dargestellt. Erfindungsgemäß
ist der Kristall so geschnitten, daß ein zu der Fläche 10A, auf die das zugeführte
Licht auffällt, normaler ordentlicher Strahl einen Winkel von etwa 50 mit der optischen
Achse bildet. Zusätzlich sollte die Projektion eines solchen Strahls auf die xy-Ebene
einen Winkel von 45° sowohl mit der z- als auch mit der y-Achse bilden.
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Wie durch den Vektor E angegeben, ist das Eingangslicht, mit dem die
zweite Harmonische erzeugt werden soll, polarisiertes Licht, dessen elektrisches
Feld rechtwinklig zur z-Achse verläuft. Es wird von einem bekannten optischen Rubinverstärker
11 senkrecht auf die Kristallfläche 10A gerichtet. Zum Zwecke der Vereinfachung
sind die Einzelheiten des optischen Verstärkers nicht dargestellt. Er besteht jedoch
in bekannter Weise aus einem an beiden Enden versilberten Rubinstab, einer Lichtquelle
für die anregende Strahlung und einem Filter, das nur das gewünschte kohärente Licht
durchläßt. Wie bekannt, erzeugt ein optischer Rubinverstärker dieser Art einen genau
parallel gerichteten, im wesentlichen monochromatischen, kohärenten Strahl hoher
Intensität bei einer Wellenlänge von etwa 6940 A.
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Als Ergebnis erzeugt der Kristall ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge
von etwa 3470 A, entsprechend der zweiten Harmonischen des zugeführten Lichts.
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Es ist vorteilhaft ein Filter 12 einzufügen, das das ultraviolette
Licht durchläßt, also das rote Licht ausfiltert, so daß der zur Verfügung stehende
Strahl nur aus ultraviolettem Licht besteht.
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Die prinzipielle Arbeitsweise eines Gerätes nach diesem Ausführungsbeispiel
läßt sich am besten unter Bezugnahme auf F i g. 2 verstehen. Dort ist eine zweidimensionale
graphische Darstellung in Polarkoordinaten für die Phasengeschwindigkeiten des ordentlichen
Strahls Va roten Lichts und des außerordentlichen Strahls V,, ultravioletten Lichts
als Funktion der Ausbreitungsrichtung gezeigt. In der zweidimensionalen graphischen
Darstellung sind vier Schnittpunkte vorhanden, entsprechend den Richtungen, für
die die beiden Geschwindigkeiten gleich sind. Dreidimensional definieren die Richtungen,
für die die beiden Geschwindigkeiten gleich sind, ein Paar von symmetrisch zur optischen
Achse liegenden Kreiskegeln. Wie oben erläutert, entsprechen die Schnittpunkte für
einen KH.PO.,-Kristall und die in Frage stehenden Wellenlängen einer Richtung mit
einem Winkel von etwa 50° zur optischen Achse.
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Wenn gewünscht, kann unter Inkaufnahme zusätzlichen Mehraufwandes
der Wirkungsgrad der Wechselwirkung erhöht werden, indem der Kristall
10 in einem geeigneten Fabry-Perot-Etalon (vielfach reflektierendes Instrument
sehr hoher Auflösung) eingeschlossen wird, wodurch ein optischer Resonator für die
Wellenlänge des zugeführten Lichts gebildet wird, so daß dieses Licht zur Ausführung
einer Vielfachreflexion durch den Kristall hindurch wirksam
eingeschlossen
wird. Wie dargestellt, besteht ein solcher Resonator aus ebenen Spiegelflächen
13A
und 13B, die für Energie der einzuschließenden Wellenlänge hochreflektierend
sind und einen für die Ausbildung von Energie solcher Wellenlänge innerhalb des
Resonators geeigneten Abstand aufweisen.
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Die erläuterten allgemeinen Prinzipien können angewendet werden, um
die Mischung von zwei kohärenten Lichtwellen zu verbessern und damit entweder ihre
Summen- oder Differenzfrequenz zu erzeugen. In diesem Fall läßt man die beiden zu
mischenden Lichtwellen auf den Kristall, der als Mischglied dienen soll, in solchen
Richtungen einfallen, daß die resultierende polarisierte Welle des gewünschten Modulationsproduktes
an die Geschwindigkeit eines Strahls des durch diese Welle mit der gewünschten Modulationsfrequenz
induzierten Lichts angepaßt ist. Die Anpaßbedingung besteht darin, daß die Vektorsumme
der Ausbreitungsvektoren der zu mischenden Wellen gleich dem Ausbreitungsvektor
der erzeugten Welle ist. Der einer Welle zugeordnete Ausbreitungsvektor ist definiert
als der Vektor, dessen Richtung der Wellenausbreitung entspricht und dessen Größe
gleich dem Kehrwert der Wellenlänge ist.
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F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Modulationsanordnung.
Die Quellen 21 und 22 erzeugen getrennte Lichtstrahlen, die auf den als Mischelement
dienenden, geeigneten doppelbrechenden Kristall 23 gerichtet werden. Die
Richtung, die jeder dieser Strahlen mit der optischen Achse des Kristalls bildet,
und der Kristall selbst sind so gewählt, daß die bei P gezeigte, sich im Kristall
ergebende Geschwindigkeit der polarisierten Welle an die Geschwindigkeit eines induzierten
Lichtstrahls der gewünschten Modulationsfrequenz in dessen Richtung angepaßt ist.
Durch Anpassung der Geschwindigkeit der entsprechenden Welle kann entweder das Summen-
oder Differenz-Modulationsprodukt ausgewählt werden. Auf der Ausgangsseite des Kristalls
kann ein Filter 24 hinzugefügt werden, das wahlweise das gewünschte Modulationsprodukt
durchläßt und das gesamte, ursprünglich zugeführte Licht ausfiltert. Als Spezialfall
kann jede der Quellen Licht der gleichen Frequenz abgeben, in welchem Fall die zweite
Harmonische erzeugt werden kann.
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Die Prinzipien der Erfindung können weiter auf optische Verstärkung
und Erzeugung angewendet werden. Bei der optischen Verstärkung dient ein selektiver
Fluoreszenzstrahl als Eingangsenergie und ein zweiter Strahl, der das Signal darstellt,
wird durch den Kristall vorzugsweise, obwohl nicht notwendigerweise, in der gleichen
Richtung wie der selektive Fluoreszenzstrahl geschickt. In charakteristischer Weise
wird bei der optischen Verstärkung ein dritter Strahl, Schwebung genannt, durch
die Mischung der Eingangsenergie und des Signals im Kristall erzeugt. Die Summe
der Signal- und Schwebungsfrequenz ist gleich der Eingangsfrequenz. Beim Durchgang
durch den Kristall werden sowohl das Signal als auch die Schwebung durch Energieübertragung
von der Eingangsenergie verstärkt. Für eine wirksame Verstärkung sollte der Ausbreitungsvektor
der Eingangsenergie gleich der Summe der Ausbreitungsvektoren des Signals und der
Schwebung sein. Bei isotropen Kristallen oder bei Kristallen mit ungenügender Doppelbrechung
kann diese Bedingung auf Grund der Dispersion nicht erfüllt werden.
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Die Anwendung der Prinzipien der Erfindung auf eine optische Verstärkung
lassen sich am besten unter Bezugnahme auf F i g. 6 verstehen. Dort ist eine graphische
Darstellung der Phasengeschwindigkeiten als Funktion der Ausbreitungsrichtung in
ähnlicher Weise wie in F i g. 2 angegeben. In F i g. 6 wird jedoch angenommen, daß
die Eingangsenergie ein außerordentlicher Strahl ist, der der mit P, bezeichneten
Kurve oder Geschwindigkeitsverteilung zugehört. Die Kurven S und 1 stellen die Geschwindigkeiten
der Signale bzw. der Schwebung als ordentliche Strahlen dar. Die Darstellung bezieht
sich auf einen negativ einachsigen Kristall mit normaler Dispersion und den Fall,
daß die Signalfrequenz etwas höher ist als die Schwebungsfrequenz. üblicherweise
wird das Signal in der gleichen Richtung wie die Eingangsenergie und mit etwa der
halben Eingangsfrequenz zugeführt. Die günstigste Richtung für die Eingangsenergie
und das Signal wird dann durch den Pfeil in F i g. 6 dargestellt. Diese Richtung
liegt zwischen den Schnittpunkten »1« und »2« und ist eindeutig durch die Signalfrequenz,
die Eingangsfrequenz und die Kurven der F i g. 6 bestimmt. In der Praxis liegen
die Schnittpunkte »1« und »2« sehr dicht beieinander. Wenn die Signal- und Eingangswellen
nicht in der gleichen Richtung zugeführt werden, treffen die gleichen Prinzipien
zur Bestimmung der optimalen Bedingungen zu.
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Die Grundbausteine eines optischen Verstärkers dieser Art sind in
F i g. 4 gezeigt. Ein geeigneter doppelbrechender Kristall 30, der entsprechend
den erläuterten Prinzipien ausgewählt ist, dient als nichtlineares Mischglied. Das
Eingangslicht wird aus der selektiven Fluoreszenzquelle 31 und das zu verstärkende
Signallicht aus der Signalquelle 32 zugeführt. In einigen Fällen kann ein optisches
System (nicht gezeigt) benutzt werden, um sicherzustellen, daß die Signal- und Eingangswellen
einen genau übereinstimmenden Weg gleicher Richtung im Kristall nehmen. Das Filter
33 wählt die gewünschte Ausgangsfrequenz für den Verbraucher aus. Das kann entweder
die Signal- oder die Schwebungsfrequenz sein.
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Bei ausreichender optischer Verstärkung und Verwendung eines optischen
Resonators für die gewünschte Ausgangsfrequenz und die sich ergebende Schwebungsfrequenz
kann eine Erzeugung dieser Frequenz erreicht werden. In F i g. 5 ist eine Anordnung
gezeigt, die zur Erzeugung von Licht mit einer Frequenz geeignet ist, die kleiner
ist als die des zugeführten Eingangslichts. Der doppelbrechende Kristall 40 wird
mit Eingangslicht der gezeigten Polarisation E aus der selektiven Fluoreszenzquelle
41 bestrahlt. Die Richtung des Lichts durch den Kristall und die Wahl des Kristalls
entsprechen den erläuterten Prinzipien. Vorteilhafterweise werden zur Schaffung
eines optischen Resonators für die gewünschten Frequenzen reflektierende Spiegelflächen
auf entgegengesetzten Seiten des Resonators im Wege des Eingangslichts angeordnet.
Vorteilhafterweise sind diese Spiegelflächen als reflektierende Beschichtungen 42
und 43 auf entgegengesetzten Flächen des Kristalls angebracht, um einen Fabry-Perot-Resonator
bekannter Art zu bilden und stehende Wellen im Kristall zu erzeugen. Vorteilhafterweise
werden stehende Wellen der Eingangs-, der Schwebungs- und der gewünschten Ausgangsfrequenz
erzeugt.
Ein Filter 44 ist vorgesehen, um den Durchgang aller außer der gewünschten Ausgangsfrequenz
zu beschränken. Diese Anordnung ist insbesondere geeignet zur Erzeugung der ersten
Subharmonischen der Eingangsfrequenz entsprechend der Frequenz, bei der die Schwebungs-
und die Ausgangsfrequenzen gleich der halben Eingangsfrequenz sind, da der optische
Umwandlungsvorgang beim Bestehen dieser Beziehung den höchsten Wirkungsgrad aufweist.
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Die Prinzipien der Erfindung sind unter Bezugnahme auf je ein Beispiel
der Erzeugung vor Harmonischen, der Modulation, der optischen Verstärkung und Erzeugung
kurzer elektromagnetischer Wellen erläutert worden. Aber diese Ausführungsformen
sollen nur als Beispiel für die allgemeinen Prinzipien gelten, und es können andere
Ausführungsbeispiele innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung angegeben werden.
Beispielsweise können viele andere Kristalle verwendet werden, vorausgesetzt, daß
für die in Frage kommenden Wellenlängen der Kristall eine Richtung besitzt, in der
die erwünschten Bedingungen für die Geschwindigkeit erfüllt sind. Wie bereits erläutert,
können geeignete positive doppelbrechende Kristalle benutzt werden, in welchem Falle
der außerordentliche Lichtstrahl niedrigerer Frequenz an den ordentlichen Lichtstrahl
höherer Frequenz angepaßt wird. Zusätzlich sind weitere Abänderungen möglich. Insbesondere
kann die zur Anregung des Kristalls verwendete Welle vorher durch eine Polarisiereinrichtung
geschickt werden, um sicherzustellen, daß tatsächlich nur Energie der gewünschten
brauchbaren Polarisation an den Kristall angelegt wird. Zusätzlich können Oberflächenbehandlungen
des Kristalls benutzt werden, um den Eintritt des angelegten Lichts und den Austritt
des erzeugten Lichts ohne schädliche Zerstreuung zu erleichtern. Dazu zählt eine
geeignete Formgebung der Eintritts- und Austrittsflächen für das Licht. Die optischen
Mittel können so ausgebildet werden, daß die Sammlung und parallele Ausrichtung
oder Fokussierung des anregenden und erzeugten Lichts möglichst gut sind. Weiterhin
sind, wie bereits oben gesagt, die gleichen Prinzipien auch auf elektromagnetische
Strahlung mit Wellenlängen größer als die des Lichts, beispielsweise Mikrowellen,
anwendbar.