DE1187732B

DE1187732B - Optischer Resonator fuer einen optischen Sender oder Verstaerker

Info

Publication number: DE1187732B
Application number: DEA38717A
Authority: DE
Inventors: Elias Snitzer; Harold Osterberg
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: American Optical Corp
Priority date: 1960-11-02
Filing date: 1961-11-02
Publication date: 1965-02-25
Also published as: GB967641A; BE480697A; NL130900C; US3308394A; NL270942A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIr

Deutsche Kl.: 21 f - 90

Nummer: 1187 732

Aktenzeichen: A 38717 VIII c/21 f

Anmeldetag: 2. November 1961

Auslegetag: 25. Februar 1965

Anmelder:

American Optical Company, Southbridge, Mass.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. K. Boehmert

und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte,

Bremen 1, Feldstr. 24

Als Erfinder benannt:

Elias Snitzer, Brookfield, Mass.;

Harold Osterberg, Southbridge., Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 2. November 1960 (66 815)

Die Erfindung betrifft einen optischen Resonator

für einen optischen Sender oder Verstärker, der einen Optischer Resonator für einen optischen

hohen ß-Wert zur Aussendung von Lichtstrahlen auf- Sender oder Verstärker

weist und aus einem langgestreckten Bauteil besteht, an dessen Enden je ein im wesentlichen paralleler reflektierender Überzug angebracht ist, der mindestens

an einem Ende des Bauteils die teilweise Übertragung

der optischen Energie nach außen zuläßt.

Der Resonator soll sich für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, im infraroten und im ultra- ίο violetten Bereich eignen.

Es ist bekannt, daß sehr feine Fasern aus transparentem Werkstoff, wenn sie mit einem Werkstoff von niedrigerem Brechungsindex überzogen oder umhüllt sind, als Lichtleiterfasem oder dielektrische Wellenführungen für elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen (oder Wellenlängen) in der Größenordnung von denen des Lichtes verwendet werden können. Derartige Vorrichtungen werden im folgenden als »optische Wellenführungen« bezeichnet. Es ist natürlich selbstverständlich, daß eine Bezugnahme auf »Licht« und »optische Strahlung« die Verwendung derartiger Wellenführungen für Strahlung im infraroten oder ultravioletten Bereich des Spektrums nicht ausschließt. Der Begriff »optische Wellenführungen«

soll sich daher im folgenden allgemein auf Wellen-

führungen der obengenannten Art beziehen. 2

Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, mit

optischen Wellenführungen der oben beschriebenen ferenzeffekten besteht das die zweite Platte ver-Art Resonatoren für dieselben Zwecke zu schaffen, 30 lassende Licht aus scharf definierten Interferenzfür die schon Resonatoren bei Mikrowellenleitern oder ringen.

Wellenführungen verwendet wurden, d.h. zur Frequenz- Es ist bereits vorgeschlagen worden, das oben

auswahl, Frequenzfilterung bzw. -siebung, Frequenz- beschriebene Perot-Fabry-Interferometer als Resonator messung u. dgl. Außerdem ist es mitunter wünschens- für einen optischen Sender oder Verstärker mit selekwert, Resonatoren vorzusehen, die über ein Frequenz- 35 tiver Fluoreszenz zu verwenden, wie dies beispielsweise band oder einen Frequenzbereich einstellbar bzw. in der USA.-Patentschrift 2 929 922 dargestellt ist abstimmbar sind. Solche Resonatoren können auch (vgl. ferner A. L. Schawlow und C.H.Townes, getrennt von optischen Wellenführungen verwendet Physical Review, Bd. 112, vom 15. 12. 1958, S. 1940 werden, um außerordentlich enge Spektrallinien zu bis 1949). Die Verwendung eines Perot-Fabry-Intererzeugen; abstimmbare optische Resonatoren können 40 ferometers als Resonator für selektive Fluoreszenz ferner zur Energieanalyse im sichtbaren Spektral- bringt jedoch zahlreiche Probleme mit sich, die in der bereich Verwendung finden. Natur des Interferometeraufbaus begründet sind.

Bisher wurden in der Optik verschiedene Typen von Bei einem optischen Sender oder Verstärker wird im Interferometern bei der Spektralanalyse, der Wellen- selektiv fluoreszenten Medium durch Anregen mittels längenmessung und für ähnliche Zwecke verwendet. 45 Zuführen von Energie eine inverse Besetzungsverteilung Eines von ihnen, das Perot-Fabry-Interferometer, erzeugt, d. h., die normale Besetzungsverteilung der benutzt ein Paar partiell reflektierender paralleler Energiezustände der Atome oder Moleküle des selektiv Platten mit einem dazwischenliegenden dielektrischen fluoreszenten Mediums wird durch die Zufuhr von Medium, beispielsweise Luft oder Glas. Das auf die Energie in eine statistisch unwahrscheinliche Veräußere Oberfläche einer Platte des Resonators auf- 50 teilung geändert, bei der im Endeffekt mindestens treffende Licht durchdringt diese und wird zwischen eine höhere Energiestufe stärker besetzt ist als eine den Platten mehrfach reflektiert. Infolge von Inter- energieärmere. Wenn die Atome oder Moleküle von

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3 4

diesem metastabilen Energiezustand, auf den sie Aufgabe ein elektrisch abstimmbarer Resonator sein kurzzeitig angehoben wurden, in ihren einer normalen soll. Ferner ist erfindungsgemäß ein Resonator vorVerteilung entsprechenden Energiezustand zurück- gesehen, der in Abhängigkeit von aufgebrachten kehren, geben sie Energie ab. In einem optischen physikalischen Kräften, wie beispielsweise Wärme Sender werden diese Quantensprünge zur Erzeugung 5 und Druck, abstimmbar ist. Weitere Aufgaben der von monochromatischem Licht ausgenutzt, während vorliegenden Erfindung gehen aus dem folgenden in einem optischen Verstärker das zugeführte Signal hervor.

verwendet wird, um in dem metastabil angeregten Die Erfindung besteht dabei darin, daß das langselektiv fluoreszenten Medium eine phasengleiche gestreckte Bauteil, der eigentliche optische Resonator, verstärkende Strahlung auszulösen. io aus einem sehr dünnen, langgestreckten, zentrisch an-

Molekülverstärkervorrichtungen wurden zuerst für geordneten Kern, aus einem hohlen oder massiven,

Mikrowellenfrequenzen entwickelt; für diese Fre- gleichmäßig transparenten optischen Medium mit

quenzen ist es bekannt, Resonatoren wie Resonanz- einem höheren Brechungsindex besteht, wobei der

hohlräume und Wellenführungen in ihren geo- Kern eine vorgegebene Länge und einen mittleren metrischen Abmessungen größenordnungsgemäß den 15 Durchmesser hat, der nicht größer ist als das 25fache

auszustrahlenden Wellenlängen gleichzumachen. Diese der größten Wellenlänge der optischen Strahlung,

Vorrichtungen haben einen sehr hohen Gütefaktor, für die der Resonator in Resonanz ist; und daß

ß-Wert, und die dem Resonator durch die Emission ferner der langgestreckte Kern von einer eng anliegen-

bei spontanen Übergängen zugeführte Energie ist fest den Umhüllung umgeben ist, welche aus einem trans-

an eine zugehörige und für den Resonator geeignete 20 parenten Material besteht, das eine größere Dicke

Wellenform gekoppelt. Daher erzeugt der Molekular- als der Kerndurchmesser und einen Brechungsindex

verstärker ein monochromatisches hoch über dem von geringerer Größe als der Kern hat, wobei die

Rauschpegel liegendes Signal. Unerwünschte Ober- Anordnung so getroffen ist, daß nur eine Wellenform

wellen werden durch die bekannten Resonatoren bei oder wenige, unterscheidbare, in optischer Resonanz

Mikrowellenfrequenzen stark gedämpft und tragen 25 stehende Wellenformen aus dem teilweise durch-

allenfalls zum Ausgangsrauschen bei. lässigen reflektierenden Überzug austreten kann bzw.

Bei Sendern und Verstärkern für den optischen können.

Bereich sind jedoch Resonatoren mit dem sehr hohen Vorteilhaft besitzt der Resonator mit seiner UmGütefaktor, ß-Wert, von Mikrowellenresonatoren hüllung eine Länge, die im wesentlichen gleich einem nicht erhältlich, und ein großer Teil der ausgesandten 30 ganzzahligen Vielfachen halber Wellenlängen einer Energie ist an ungeeignete Frequenzbereiche gekoppelt optischen Strahlung ist, für die der Resonator in und tritt am optischen Ausgang als unerwünschtes Resonanz ist. Die Umhüllung ist dabei vorzugsweise Rauschen auf. Um daher ein monochromatisches mindestens 2 ηιμ dick, während der reflektierende Signal mit geringem Rauschpegel auch in optischen Überzug eine Stärke von mindestens dem lOOfachen Sendern oder Verstärkern zu erzielen, ist eine verhält- 35 des Faserhalbmessers haben sollte,
nismäßig viel höhere Anregungsenergie als bei Mikro- Die Abstimmung des Resonators kann zweckmäßig wellenverstärkern erforderlich. Ein Perot-Fabry- auf elektrischem oder mechanischem Wege durch Interferometer, das in einem optischen Sender oder Veränderung der wirksamen Länge des Resonators Verstärker als Resonator verwendet wird, kann einen erfolgen.

Resonanzeffekt nur bei solcher Strahlung bewirken, 40 Im Interesse eines besseren Verständnisses der Art

die in einer wesentlichen senkrechten Richtung zu den und der Aufgaben der Erfindung erfolgt die folgende

parallel reflektierenden Platten verläuft. In anderen ausführliche Beschreibung an Hand von Zeichnungen.

Richtungen ausgesandte Energie kann durch den In den Zeichnungen ist

Resonator nicht begünstigt werden, da sie sich in Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines erfin-

einer für das Interferometer falschen Schwingungs- 45 dungsgemäßen optischen Resonators,

form befindet und damit lediglich zum Ausgangs- Fig. 2 ein Diagramm der maximalen Übertra-

rauschen beiträgt. gung in einem erfindungsgemäßen optischen Reso-

Die Verwendung eines Perot-Fabry-Interferometers nator als Funktion der Wellenlänge,
von nutzbaren Abmessungen macht ferner beträcht- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausliche Volumina von selektiv fluoreszentem Medium 50 führungsform eines elektrisch abstimmbaren optischen erforderlich. Da die Wirkung des Verstärkers von der Resonators,

Anregungsenergiedichte abhängig ist, erfordert die Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten

selektive Fluoreszenz auch aus diesem Grunde hohe Ausführungsform eines elektrisch abstimmbaren op-

absolute Beträge von Anregungsenergien. Obgleich tischen Resonators,

Energiequellen zum wirkungsvollen Anregen erhält- 55 Fig. 5 eine schematische Darstellung, die die lieh sind, die sich zur Zuführung von großen Energie- Verwendung des optischen Resonators der Fig. 3 betragen eignen, ist es doch schwierig, diese Leistung oder 4 bei einer Spektralanalyse zeigt,
im selektiv fluoreszenten Medium zu konzentrieren, Fig. 6 ein Schnitt eines optischen Resonators, um die notwendige hohe Anregungsenergiedichte zu der in Abhängigkeit von aufgebrachtem Druck aberzielen. 60 stimmbar ist,

Demgemäß besteht eine Hauptauf gäbe der Erfindung Fig. 7 ein Schnitt eines optischen Resonators,

in der Herstellung eines verbesserten optischen Reso- der durch Änderung seiner Temperatur abgestimmt

nators, der nicht vom Perot-Fabry-Typ ist und eine wird,

oder mehrere Resonanzenergieverteilungen oder Wellen- Fig. 8 eine Darstellung eines optischen Senders,

formen von wesentlich höherem ß-Wert als bisherige 65 der einen erfindungsgemäßen optischen Resonator

optische Resonatoren hat. Eine andere Aufgabe der verwendet, und

Erfindung besteht in der Schaffung eines abstimm- Fig. 9 ein stark vergrößerter, teilweise weggebaren optischen Resonators, der nach einer weiteren brochener Schnitt der im optischen Sender der

5 6

Fig. 8 verwendeten Konstruktion eines optischen Resonatoren viel besser als bei bekannten optischen Resonators. Sendern oder Verstärkern, die offene Resonatoren

Es ist bekannt, daß eine transparente Faser als verwenden.

Wellenführung für optische Energie wirksam ist, In F i g. 1 ist ein optischer Resonator 10 dar-

wenn die Faser einen sehr kleinen Durchmesser hat 5 gestellt, der erfindungsgemäß aufgebaut ist. Zum und von einem Medium umgeben ist, dessen Zwecke der Erläuterung sind gewisse Einzelheiten Brechungsindex geringer als derjenige des Faser- der Fig. 1 stark vergrößert worden, materials ist. Beispielsweise wirken Glasfasern mit Im allgemeinen besitzt der optische Resonator eine

dem Brechungsindex W₁, die von Glas mit niedrigerem mittlere Faser bzw. einen Kern 12 aus Glas oder Brechungsindex H₂ umhüllt sind, als Wellenführungen io anderem Werkstoff, der für diejenige Energie im für die Fortpflanzung unterscheidbarer Wellenformen, wesentlichen durchlässig ist, die in Resonanz gebracht falls ihr Durchmesser nicht größer als etwa das werden soll. Diese Faser hat einen sehr kleinen Durch-25 fache der längsten Wellenlänge des zu leitenden messer, der vorzugsweise nicht größer als das 25 fache Lichtes ist. Es hat sich ergeben, daß derartige optische der längsten in dem Resonator in Resonanz zu bringen-Wellenf ührungen alle Eigenschaften aufweisen, die für 15 den Wellenlänge ist. Typische Kerndurchmesser für das dielektrische Wellenführungen charakteristisch sind, sichtbare Spektrum befinden sich im Bereich von 4 einschließlich der Fortleitung von Licht mit bestimm- bis 8 ηιμ, d. h. etwa dem lOfachen der Wellenlänge baren und charakteristischen Wellenformen. der in Resonanz zu bringenden Strahlung, obgleich

Es wurde nun gefunden, daß optische Resonatoren die Fortleitung von sichtbarem Licht auch bei Kerndadurch hergestellt werden können, daß optische 20 durchmessern von 30 ηιμ noch möglich ist. Gewisse Wellenführungen der beschriebenen Art auf eine Frequenzbereiche werden nicht fortgeleitet, wenn der Länge geschnitten werden, die durch die Wellenlänge Kerndurchmesser kleiner gemacht wird, wie im einder optischen Energie bestimmt ist, welche in Resonanz zelnen später erläutert wird. Im allgemeinen ist es gebracht werden soll; diese Länge soll so groß sein, wünschenswert, den Kerndurchmesser hinreichend daß eine effektive optische Weglänge erzielt wird, die 25 klein zu machen, um einen einzelnen Frequenzbereich gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben oder höchstens ein paar Bereiche auszufiltern. Wellenlänge multipliziert mit dem Brechungsindex des Obgleich bisher Glas als Kernmaterial des selektiv

Materials ist. Die Enden der umhüllten Faser sind fluoreszierenden Mediums genannt wurde, können im wesentlichen parallel und vorzugsweise senkrecht auch andere Werkstoffe, sowohl feste als auch flüssige zu der Achse der Faser; jedes Ende ist mit einem 30 oder deren Gemische, verwendet werden. Beispiels-Überzug versehen, der für die in Resonanz zu brin- weise kann ein Öl mit einem hohen Brechungsindex gende optische Energie teilweise transparent und teil- als Kern verwendet werden, indem es in ein hohles weise reflektierend ist. Rohr eingefüllt wird. Teilchen von hohem Brechungs-

Falls optische Energie mit einem breiten Band- index, wie beispielsweise Flintglas, können in orgabereich auf eins der überzogenen Enden der Faser 35 nischem Kunststoff, wie beispielsweise Methylmethfokussiert wird, so wird die vom anderen Ende des acrylat, eingebettet sein.

Resonators übertragene Energie im wesentlichen moni- Die Faser bzw. den Kern 12 umgibt eine Glaschromatisch sein, wobei die Linienbreite vom ß-Wert umhüllung 14 mit einem Brechungsindex n₂, der nieddes Resonators an sich auf gleiche Weise abhängig ist, riger als der des Kernwerkstoffes ist. Diese Umhüllung wie die Bandbreite der von jedem Filter übertragenen 40 sollte mindestens 2 oder 3 ηιμ stark sein, damit der Energie von seinem β-Wert abhängt. Kern als optischer Resonator wirkt. Es wurde ge-

Die erfindungsgemäßen optischen Resonatoren kön- funden, daß es vorzuziehen ist, die Umhüllung vielnen durch Änderungen ihrer wirksamen optischen hundertfach dicker als den Kern zu machen, so daß Länge so abgestimmt werden, daß sie nacheinander die Umhüllung auch als mechanischer Träger für den für verschiedene Frequenzen in Resonanz kommen. 45 Kern 12 dient. Obgleich die Umhüllung 14 als aus Die Abstimmanordnung kann eine tatsächliche physi- Glas bestehend dargestellt ist, braucht sie nicht kaiische Änderung der Länge nutzbar machen, wie notwendigerweise aus Glas zu bestehen, sondern kann sie durch Druck- oder Temperaturänderung bewirkt auch ein inertes Gas sein, in dem der Kern 12 durch wird. Die wirksame optische Länge kann aber auch andere Mittel gehalten wird. Vom Standpunkt des in einer später im einzelnen zu beschreibenden Weise 50 Resonatorbetriebes aus besteht das einzige Erfordernis durch den Kerr-Effekt auf elektrischem Wege er- darin, daß das den Kern umgebende Medium einen folgen. Brechungsindex für die interessierende optische Strah-

Erfindungsgemäß hergestellte optische Resonatoren lung hat, der geringer als derjenige des Kernes ist. sind im Gegensatz zu »offenen« Resonatoren der mit Da jedoch bei der Anwendung von Wellenformen nicht umhüllten optisch geschliffenen Platten arbei- 55 niedriger Ordnung eine dünne Faser benötigt wird, tenden Perot-Fabry-Interferometer »geschlossene« kann es aus Festigkeitsgründen vorteilhaft sein, ein Resonatoren, bei denen das Licht durch eine Um- festes Material zu nehmen, und wenn ein solches hüllung mit geeignetem Brechungsindex »ein- festes Material verwendet wird, sollte es zumindest 2 geschlossen« ist. Sie koppeln daher Energie in einen bis 3 ηιμ dick sein, damit dessen Brechungsindex Frequenzbereich, zu dem sich der Resonator in 60 wirksam wird und es genügend stark ist; d. h. zuResonanz befindet, wie dies geschlossene Resonatoren mindest dick genug, um als Strukturelement des im Mikrowellenbereich tun. Aus diesem Grunde Resonators dienen zu können. Aus F i g. 1 geht benötigen optische Sender oder Lichtverstärker, die hervor, daß die Endflächen des Kernes 12 untereinerfindungsgemäße Resonatoren verwenden, beträcht- ander parallel und senkrecht zu der Längsachse der lieh weniger Anregungsenergie als solche optischen 65 Kernfaser ausgebildet sind. Jedes Ende ist ferner mit Sender oder Lichtverstärker, die Perot-Fabry-Inter- einem Überzug 16 versehen, der die in Resonanz zu ferometer als Resonatoren verwenden. Außerdem ist bringende optische Strahlung teils durchläßt und teils die Frequenzbereichwahl bei den erfindungsgemäßen reflektiert. Es wurde festgestellt, daß die Enden des

7 8

Kernes 12 beispielsweise mit einem aufgedampften da die Kernabmessungen zu klein sind, um irgendeine

Film aus Aluminium oder Silber versehen werden andere Art der Fortpflanzung zu unterstützen.

können. Silberüberzüge haben einen Reflexions- Beispielsweise werden für Brechungswerte n₂ = 1,56

koeffizienten von etwa 90% und eine Durchlässigkeit und H₁ = 1,52 in einem Kern von 1,43 ηιμ HaIbvon etwa 5°/₀. Etwa 5% der auffallenden Energie 5 messer alle höheren Harmonischen der grünen Linie

wird von dem Überzug absorbiert. Derartige auf- von Quecksilber abgesperrt. Dieser Halbmesser ist

gedampfte Filme haben eine Stärke von etwa wesentlich größer als der Ο,Ι-ΐημ-Radius der sehr

0,04 ηιμ. kleinen Fasern, die hergestellt wurden und in denen

Beim Entwurf eines optischen Resonators muß der die HE_n-Komponente beobachtet wurde. Radius α (oder der Durchmesser 2 ä) des Kernes 12 io Obgleich die Querschnittsform des dünnen, lang-

auf Grund der in Resonanz zu bringenden Frequenzen gestreckten Kernes 12 vorzugsweise kreisförmig oder

ausgewählt werden. Für die Fortleitung in einer annähernd kreisförmig ist, ist es selbstverständlich,

dielektrischen Wellenführung oder einem Hohlraum daß auch andere Formen verwendbar sind, wie

muß die folgende Ungleichung erfüllt sein: beispielsweise mit elliptischen, sechseckigen oder recht-

j 15 eckigen Querschnitten. Bei den nicht kreisförmigen

Unm < 2π(— \\n² — M²P (1) Ausführungen ändern sich die Absperrwerte für die

V^/'¹ Resonanzbedingungen etwas. Eine Gleichung der

oben gegebenen Form für den Absperrzustand in einer

In dieser Ungleichung ist α der Radius des Kernes, kreisförmigen Faser trifft weiterhin zu; für nicht-

λ die Wellenlänge der Strahlung im Vakuum im au kreisförmige Fasern ist jedoch U_{n m} die Wurzel einer

Resonator, H₁ der Brechungsindex des Kernes und «₂ anderen Gleichung als einer Bessel-Funktion, und a

der Brechungsindex der Umhüllung. U_{n m} ist eine ist ein bestimmter Parameter des Faserquerschnitts.

Konstante, die das Argument der η-ten Ordnung einer Es ist demgemäß zu verstehen — obgleich die Er-

Bessel-Funktion mit der /η-ten Wurzel darstellt. findung an Hand von kreisförmigen Fasern bzw.

Für die Bessel-Funktion O-ter Ordnung hat bei der 25 Kernen erläutert wird —, daß kein Ausschluß von

ersten Wurzel U_{n m} einen Wert von 2,405, bei der Kernen oder Fasern anderen Querschnittes beabsich-

zweiten Wurzel 5,520 usw. Bei der Bessel-Funktion tigtist; diese sind vielmehr ebenfalls geeignet, optische

erster Ordnung ist U₁₁ gleich 0, bei der zweiten Wurzel Resonatoren der hier beschriebenen Art zu bilden.

gleich 3,832. Die Tatsache, daß das Argument der Während die Auswahl des Kernradius und der

Bessel-Funktion erster Ordnung bei der ersten Wurzel 30 Brechungsindizes der Zahl der sich ausbildenden

den Wert 0 hat, ist bedeutsam, wie unten näher Harmonischen eine obere Grenze setzt, bestimmt

beschrieben werden wird. die Länge L des optischen Resonators die Resonanz-

Jede der verschiedenen Wurzeln der verschiedenen frequenz. Wie in anderen Resonatoren sollten die Ordnungen der Bessel-Funktion entspricht dem ab- Länge des Kernes zwischen den reflektierenden Obergeschnittenen oder abgesperrten Wellenlängenwert für 35 flächen ein ganzzahliges Vielfaches N der halben einen bestimmten Frequenzbereich. Wenn daher U_n m Wellenlängen in der Führung sein, d. h. gleich

K-XF ,-fa.

und nicht kleiner ist als dieser Wert, so wird die

dieser Wurzel entsprechende spezielle Komponente wobei λ die Wellenlänge im Vakuum der in Resonanz

nicht fortgepflanzt. Falls daher zu bringenden Frequenz und n_e der wirksame

₁ Brechungsindex im Hohlraum für den Resonanz-2 _π j — I. l/j2 _ /j2p 45 bereich ist. Dieses effektive n_e kann gleich It₁ cos Φ \λ) L * ^2j gesetzt werden, da die Wellenform oder Energieverteilung in der Wellenführung als eine phasengleich oder kleiner ist als 2,405 (U₀₁), so werden die richtige Anordnung von ebenen interferrierenden Komponenten TE₀₁ oder die TM₀₁ nicht fortgeleitet, Wellen angesehen werden kann, deren Normalen den wobei das Symbol TE die transversale elektrische 50 gleichen Winkel Φ mit der Achse der Wellenführung Wellenform und das Symbol TM die transversale einschließen. In der Praxis wird die exakte Länge magnetische Wellenform bezeichnet, während die für die Resonanz infolge von Phasenverschiebungen Indizes 0 und 1 die oben für η und m verwendeten ab jeder der reflektierenden Oberflächen geringfügig Werte sind. von der durch die obengenannte Gleichung ermittelten Wie oben erwähnt, hat eine einzige Wellenform, 55 Länge abweichen. Diese Phasenwechsel haben jedoch nämlich HE₁₁, einen Absperrwert von CZ₁₁, der 0 ist. nur einen kleinen Einfluß; und nach Auswahl einer Alle anderen Komponenten haben höhere Absperr- Länge, die annähernd die obengenannte Gleichung werte. Falls daher die Größe des Kernhalbmessers α erfüllt, kann die wirksame Länge durch Polieren der und die Brechungsindizes Ti₁ und n₂ so ausgewählt Faserenden erzielt werden. Demgemäß wird in der werden, daß für die kürzeste Wellenlänge (ent- 60 folgenden Beschreibung die kleine Abweichung von sprechend der höchsten Frequenz) der in Resonanz der errechneten Länge des Resonators vernachlässigt. zu bringenden Strahlung der Ausdruck In der Beschreibung und in den Ansprüchen wird die , . j Länge des Resonators als im wesentlichen gleich 2π( — ] · [π² — H²F < 2,405 einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellen- \λ/ 65 länge derjenigen Strahlung bezeichnet, für die der

Resonator in Resonanz ist, wobei der Ausdruck

wird, so kann lediglich die HE_U-Komponente bei jeg- »im wesentlichen« der geringen Abweichung von dem

licher interessierenden Frequenz fortgepflanzt werden, exakten ganzzahligen Vielfachen der halben Wellen-

länge Rechnung trägt, die auf die Phasenverschiebungen an den reflektierenden Oberflächen zurückzuführen ist.

Aus Gleichung (2) kann der Abstand der Resonanzfrequenzen in einem dem Resonator zugeführten Spektrum errechnet werden. Falls angenommen wird, daß ein Hohlraum bei einer der Wellenlänge A₁ entsprechenden Frequenz in Resonanz ist, d. h., daß

- = Ln_e

(3)

ist, dann befindet er sich ebenfalls bei einer Wellenlänge A₂ in Resonanz, die durch

ίο

vernachlässigt, weil festgestellt wurde, daß sie in Resonatoren, die aus konventionellen Gläsern hergestellt sind, gewöhnlich vernachlässigt ist. Es wurde ferner gefunden, daß ein optischer Resonator von etwa 25 mm Länge, der bei einer Wellenlänge von etwa 0,5 πιμ. in Resonanz ist, und dessen Faserenden mit einem Silberfilm überzogen sind, welcher eine Reflexion r von etwa 0,95 hat, daß dieser Resonator einen β-Wert von annähernd 6,4 · 1O₆ hat.

ίο Wenn der ß-Wert des Resonators bekannt ist, ist es möglich, die Breite jeder Resonanzspitze in der folgenden Weise zu errechnen.

Wenn P₀ der in den Resonator eingegebene Energiebetrag an optischer Energie und Pt der vom Resonator ausgegebene Energiebetrag ist, so gilt

(JV

= Ln_e

(4)

und A₂ =

1)

ist, ist die Differenz Δλ zwischen den Wellenlängen A₁ und A₂:

1 1

Es ist jedoch JV = Daher ist

Δλ =

[jy+ijv

Z L Tie

[JV-(JV+1)
und JV+ 1 =

2 Ln_e

A₁

2Ln_e 2Ln_e

A₁

2Ln_e

(5)

Falls A₁ und A₂ nahe beieinanderliegen, wird dieser Ausdruck zu:

Δλ ^.

2Ln_e

Die Gleichung (6) zeigt, daß, je kürzer der Resonator ist, desto größer der Wellenlängenabstand der Energien sein wird, die er in Resonanz bringt, oder, in der üblichen Form gesagt, desto größer wird der Linienabstand sein. Für einen Resonator von gegebener Länge gilt, daß, je größer die Wellenlänge der zugeführten Energie ist, desto größer der Abstand der benachbarten Resonatorlinien sein wird.

Der Gütefaktor, der Q-Wert, des Resonators ist ein Maß für seine Resonanzeigenschaften, und es wurde festgestellt, daß der g-Wert von optischen Resonatoren der beschriebenen Art mit großer Näherung durch die Gleichung

η „ ,

Qa-Qb

gegeben ist, wobei A₂ eine kürzere Wellenlänge und daher eine höhere Frequenz als die erste ist.
Da

, 2Ln_e , , 2Ln_e

A₁ = und A

Q —

(7)

2Qt

fc

worin Qa und Qb die Q -Werte an der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche des Resonators sind, Qt der Q-Wert des gesamten Resonators, /_c eine der Resonanzfrequenzen des Resonators und / die Frequenz der eingegebenen Energie mit dem Energiebetrag P₀ ist, wobei die Energien selbstverständlich in Watt/sec gemessen werden können.

Aus bekannten Beziehungen ergibt sich

Qt

1
Qa

Qc

worin Q das innere Q des Resonators und durch innere Verluste im Resonator bestimmt ist. In Resonatoren von symmetrischer Gestalt wie der in Fig. 1 ist Qa = Qb- Wie bereits oben festgestellt wurde, ist der Einfluß des inneren Resonatorverlustes im Vergleich zum Verlust an der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche des Resonators sehr klein.
Daher ist

Qc 9>Qa und -¹- <« — (10)

Qc Qa

und somit

Qc S>	Qa	unü	Qc	Qa
1	1	+	1	2
Qt	Qa		Qb	Qa'
1	1

2Qt Qa

Einsetzen in die Ausgangsgleichung ergibt:

Pp 2

Qa P₀

(12)

Ρτ = -_Γ

Qa

ι +

fe

(13)

gegeben ist, worin r den Reflexionskoeffizienten der 65 An den Punkten halber Leistung (Amplitude mitten Uberzugswerkstoffe darstellt. Die Absorption durch zwischen den Bedingungen für keine und volle

Leistung bei einem optischen Resonator) ist die übertragene Leistung gleich der Hälfte der auftreffenden

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das Glas oder durch den anderen Werkstoff, aus dem der Resonator hergestellt ist, ist in dieser Gleichung

Leistung, wenn andere Verluste vernachlässigt werden. Dann wird -~ gleich -=-, und die Gleichung (13) lautet für die Frequenz bei halber Leistung

ι +Ql

f-fc

fc

= 2

^f— f~\*

fc

= 1

woraus durch Rückführung wird:

fc Qa '

Aus Gleichung (J) folgt

2nLn_e Qa =

1 (1 - r) C

(14) (15)

(16)

(17) (18)

wobei C die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Damit wird die Gleichung für die Frequenzen halber Leistung zu

f-fc _(l-r)C

fc

InLn₆ f

Durch Einsetzen der Linien Mittenfrequenz Af für /—/o ergibt sich

2nLn_e

(20)

Die Wellenlängenverbreiterung der Linie selbst (hier)2 Αλ$), die sich vom Abstand AX zwischen benachbarten Linien unterscheidet, wird dann wie folgt abgeleitet:

Daraus

Af = Δ CAX,

(C) CA X_s

A
(l-r) C

A2

2nLn_e

21A, =

2nLn_e

(21)

(22)

(23)

IO

35 Wellenlänge, quadratisch mit der Wellenlänge zu. Schließlich ist die Linienbreite um so kleiner, je größer die Länge L des Resonators ist.

Ein Diagramm der Übertragungseigenschaften eines beispielhaften optischen Resonators als Funktion der Wellenlänge ist in F i g. 2 dargestellt. Wie dort zu sehen ist, treten bei verschiedenen Wellenlängen Resonanzspitzen auf, wobei die Wellenlängen durch die Gleichung

X_M = ^^ (24)

(N+M)

gegeben sind, worin JV eine ganze Zahl und M ebenfalls eine Zahl 0, 1, 2, 3 usw. ist. Wie zuvor in Gleichung (23) festgestellt wurde, ist die Halbwertsbreite AX_S jeder Spitze, auf die Wellenlänge im Vakuum bezogen,

(l-r) A^

2nLn_e

Dies kann mit der Resonanzwellenlängengleichung (24) für A kombiniert werden. Wenn M = O ist, dann ist

2Ln_e

Wenn A₀ für A in die Gleichung (23) eingesetzt wird, erhält man

AX₈ =
Δ Xg =

2TtLn₀ l-_r AL*n\ (l-_r)2Ln_e

2nLn_e

40 worin N hier die Anzahl halber Wellenlängen in der Länge L ist.

Der Abstand zwischen benachbarten Resonanzspitzen ist, wie Fig. 2 zeigt,

45 2Ln_e

Dies kann wie folgt abgeleitet werden:
Wenn z. B. M= 0, ist

A₀ =

2Ln_e

Diese letzte Gleichung zeigt, daß, je größer der Wert von r ist, desto enger die Linienbreite sein wird. Auf ähnliche Weise nimmt für einen gegebenen Resonator die Linienbreite, gemessen in Einheiten der und wenn M=I, dann ist

2Ln_e

Daher ist

JV+1

A₀- A₀+! = 2Ln_e\~—- —

X₀-X₀+ I = AX =

N N+

2L Tie

N(N + 1) ' = 2Ln₁

(N + 1-JV)
N(N + 1)

In den F i g. 3 und 4 sind zwei elektrisch ab- 65 gebenden Umhüllung 14 eingebettet. In F i g. 4

stimmbare optische Resonatoren dargestellt. In der sind aufgedampfte Metallfilme 22 und 24 auf der

Vorrichtung in F i g. 3 ist ein Paar von Elektroden Außenseite der Umhüllung 14 vorgesehen. Durch

18 und 20 in der die Faser bzw. den Kern 12 um- Anschließen dieser Elektroden an eine einstellbare

13 14

elektrische Potentialquelle kann die wirksame op- des Gehäuses 46 sind die Gehäuseseitenwände mit

tische Länge der Faser auf Grund des Kerr-Effektes einem Gewinde 46a versehen und nehmen einen

geregelt werden, wodurch die Wellenlänge der Strah- Gewindestopfen 50 auf. Dieser Stopfen ist ebenfalls

lung, zu der der Resonator in Resonanz ist, eingestellt mit einer mittleren Öffnung 50 a versehen, um die

und der Resonator über ein Band von Frequenzen 5 Abgabe oder Aufnahme von Energie durch den

abgestimmt wird. Resonator durch den Stopfen zu ermöglichen. Falls

Ein Verwendungsbeispiel für einen abstimmbaren der Stopfen verhältnismäßig stark ist, so daß die

Resonator dieser Art ist in Fig. 5 gezeigt. Der Wände der Stopfenöffnung das Ende des Resonators

allgemein mit 26 bezeichnete Resonator ist im wesent- teilweise abdunkeln würden, kann die Öffnung 50 a

liehen mit dem Resonator in F i g. 3 identisch, io bei 50b nach außen erweitert sein. Der Stopfen 50

obwohl selbstverständlich der Resonator nach ist ferner mit einem Flansch 50 c versehen, dessen

F i g. 4 ebensogut verwendet werden könnte. Eine Umfang gerändelt oder so geformt ist, daß er einen

Strahlungsquelle, deren Spektralverteilung analysiert Schraubenschlüssel aufnehmen kann,

werden soll, ist bei 28 schematisch dargestellt. Von Die innere Oberfläche 48 b der Abschlußplatte 48

dieser Quelle wird die Strahlung durch ein optisches 15 und die innere Fläche 50 a" des Stopfens 50 berühren

System 30 bekannter Ausgestaltung geführt und auf jederzeit die Enden der Umhüllung 14. Durch Ein-

dem teils reflektierenden, teils durchlässigen Film oder stellen es Stopfens 50 entweder von Hand oder mit

Überzug 16 am Ende des Resonators 26 fokussiert. geeigneten Werkzeugen, kann jedoch der Druck auf

Einzelne Frequenzen der Quelle werden durch den die Umhüllung und damit deren Länge geregelt

Resonator in Resonanz gebracht, und es wird Strah- 20 werden. Im allgemeinen ist der Kern 12 fest mit der

lung mit den Resonanzfrequenzen durch das in Umhüllung verbunden, und wenn sich die Umhüllung

F i g. 3 rechte Ende des Resonators ausgestrahlt, 14 infolge des aufgebrachten Druckes aufweitet oder

von dem optischen System 32 gesammelt und auf zusammenzieht, wird auch die Faser bzw. der Kern 12

der Photozelle 34 fokussiert. Das Ausgangssignal der sich in der Länge ändern und somit den Resonator

Photozelle wird durch einen Verstärker 36 verstärkt 23 abstimmen. Es wird nachdrücklich darauf hingewiesen,

und als Videosignal einem Oszillographen 38 zu- daß die erforderlichen Längenänderungen sehr klein

geführt. Ein Ablenkgenerator 40 gibt das übliche sind — in der Größenordnung von Bruchteilen einer

Sägezahnsignal 42 auf den Oszillographen. Gleich- Lichtwellenlänge —, um optische Resonatoren dieser

zeitig wird die Ablenkspannung über einen Ab- Art abzustimmen. Aus diesem Grunde sollte sich der

schwächer oder Verstärker 44 den Elektroden 18 und 30 Resonator nach F i g. 6 vorzugsweise in konstanter

20 des abstimmbaren Resonators 26 zugeführt. Umgebungstemperatur befinden, da sonst Temperatur-

Die den Resonatorelektroden zugeführte Ablenk- Schwankungen Längenänderungen des Resonators

spannung wird so gewählt, daß die Resonanzfrequenz mit sich bringen und den Resonator verstimmen

oder -frequenzen des Resonators das interessierende würden.

Spektrum überstreichen. Das auf dem Oszillo- 35 In F i g. 7 ist ein optischer Resonator dargestellt,

graphen 38 sichtbar gemachte Ansprechen der Photo- der durch Steuerung seiner thermischen Umgebung

zelle 34 ist mit der Ablenkung synchronisiert, so daß geregelt wird. Der Resonator ist mit dem zuvor

der Photozellenausgang ein Maß des Energiegehaltes beschriebenen identisch und weist einen Kern 12,

des Spektrums bei jeder Frequenz ist. eine Umhüllung 14 und teils durchlässige, teils reflek-

Um die Ausbildung der Einzelteile zu vereinfachen 40 tierende Überzüge 16 auf den Enden des Kernes 12

und das Verhältnis des Signals zum Rauschpegel zu auf. Eine Wicklung aus Widerstandsdraht 52 erstreckt

verbessern, kann das Licht von der Quelle 28, falls sich über die Länge der Umhüllung um diese herum,

man dies wünscht, zerhackt und der Verstärker 36 auf Die Wicklung 52 ist mit einer Schicht 54 aus Isolier-

die Zerhackerfrequenz abgestimmt werden. In diesem material umgeben, und die gesamte Einheit ist in

Falle ist ein Detektor bekannter Ausführung, der als 45 einen zylindrischen Mantel 56 eingeschlossen, der

Demodulator für die Zerhackerfrequenz dient, zwi- mit Abschlußplatten 58 und 60 versehen ist. Jede

sehen dem Verstärker 36 und dem Oszillographen 38 dieser Abschlußplatten hat eine zentrische Öffnung,

vorgesehen. Andererseits kann das verstärkte Signal um den Zutritt von Strahlung zu den Enden des

von der Photozelle 34 in bekannter Weise bei der Resonators zu ermöglichen. Leitungsdrähte 62 und 64

Zerhackerfrequenz synchron demoduliert werden. 50 sind an den entsprechenden Enden der Wicklung 52

Neben dem Abstimmen von optischen Resonatoren und an einen Temperaturregler 66 (Thermostat) angeder beschriebenen Art durch elektrische Einstellung schlossen. Der Temperaturregler, der beispielsweise der optischen Länge kann die Abstimmung auch durch ein Dämpfungswiderstand oder ein elektronisches Änderung der tatsächlichen physikalischen Länge Gerät zur Regelung der der Wicklung 52 zugeführten auf regelbare Weise erfolgen. F i g. 6 stellt einen 55 Energie in Übereinstimmung mit der Ausgangswellenoptischen Resonator der beschriebenen Art dar, der länge des Resonators sein kann, wird von einer elekdurch Einstellung des Druckes auf die Enden des irischen Energiequelle 68 gespeist.
Resonators abgestimmt wird. Der Resonator hat Durch Änderung der Temperatur des Kernes 12 eine Faser bzw. einen Kern 12, eine Umhüllung 14, kann dessen physikalische Länge und damit die teilweise reflektierende Überzüge 16 auf den Enden 60 Abstimmung des Resonators geändert werden. Die des Kernes 12 und ist von einem Metallmantel 46 Kerntemperatur wird durch Steuerung der Leistung umschlossen. Da die Umhüllung vorzugsweise zylin- geregelt, die der Wicklung 52 zugeführt wird, welche drisch ist, ist der Mantel 46 ebenfalls zylindrisch und die Umhüllung umgibt.

mit einer Abschlußplatte 48 versehen, die mit dem Es ist zu erkennen, daß sich die Abschlußplatten 58

Gehäuse oder Mantel aus einem Stück besteht. In 65 und 60 nicht vollständig über die Umhüllung erstrecken,

der Abschlußplatte ist eine Öffnung 48 α zur Zuführung Dies ermöglicht eine freie Expansion und Kontrak-

von Strahlung zu einem Ende des optischen Reso- tion des Kernes 12 und der Umhüllung 14 in Ab-

nators vorgesehen. An dem in F i g. 6 rechten Ende hängigkeit von Temperaturwechseln.

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In F i g. 8 und 9 ist ein optischer Sender dargestellt, einzige Grundschwingung mit ihren Harmonischen der einen erfindungsgemäßen optischen Resonator in der Faser 86 fortgepflanzt wird; falls aber der verwendet. Wie in F i g. 8 gezeigt ist, besteht der auf diese Weise errechnete Durchmesser zu klein ist, optische Sender im wesentlichen aus einem optischen um praktisch hergestellt werden zu können, so können Resonator 70, dessen Aufbau ähnlich, aber nicht 5 auch höhere Harmonische sich ausbilden. Es sei darauf identisch dem in F i g. 1 dargestellten ist. Die nähere hingewiesen, daß durch Verkleinern der Differenz Konstruktion des optischen Resonators 70 wird später zwischen den Brechungsindizes W₁ und /z₂ größere in Verbindung mit F i g. 9 beschrieben. Der optische Faserdurchmesser zulässig werden, obgleich nur eine Resonator 70 ist in einem Zylinder 72 gehalten, wobei einzige Komponente fortgepflanzt wird. Auf diese Weise jedes Ende des Zylinders mit einem Fenster 74 ver- io kann durch geeignete Auswahl der Differenz zwischen sehen ist, das für die durch den optischen Sender den Brechungsindizes — wobei natürlich immer der erzeugte selektive Fluoreszenzstrahlung durchlässig Brechungsindex der Faser größer als derjenige der ist. Der Resonator 70 ist mit dem Zylinder durch Umhüllung bleibt — der Durchmesser der Faser auf Tragglieder 76 gehalten, die beispielsweise ringförmige einen praktischen Wert vergrößert werden und die Scheiben aus Glas oder Metall sein können. 15 Faser trotzdem nur eine einzelne Komponente fort-

Die Funktion des Zylinders 72 besteht darin, leiten.

Änderungen im Umgebungsdruck und in der Umge- Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich,

bungstemperatur und damit Änderungen der Reso- daß, wenn das zu verstärkende Licht auf das eine Ende natorlänge und der Resonatorabstimmung zu verhüten. gerichtet wird und das verstärkte Licht vom anderen Der Raum zwischen dem Resonator 70 und dem 20 ausgesendet wird, beide Enden der Faser 86 mit Zylinder 72 kann mit einem inerten Gas gefüllt oder dünnen, aufgedampften Metallüberzügen 88 und 90 evakuiert sein. Um dem Resonatormedium in einer versehen sein sollten, die sowohl die vom selektiv später zu beschreibenden Weise Anregungsenergie fluoreszenten Medium ausgesandte und als auch die zuzuführen, sind Elektroden 78 und 79 vorgesehen vom Resonator in Resonanz gebrachte Strahlung und an eine Hochspannungsquelle 80 angeschlossen. 25 teilweise reflektieren und teilweise übertragen. Bei Die Leitungsdrähte zwischen den Elektroden und der Verwendung als optischer Sender, bei dem nur von Spannungsquelle sind vom Metallzylinder 72 durch einem Ende des Resonators eine Übertragung erfor- Glas-Metall-Dichtungen 82 isoliert. Falls das Gerät derlich ist, kann einer der reflektierenden Überzüge als Lichtverstärker verwendet werden soll, wird das viel stärker gemacht werden. In F i g. 9 kann daher zu verstärkende Licht auf das in der Zeichnung linke 30 der reflektierende Überzug 88 dicker sein, so daß Ende des Resonators mit Hilfe der schematisch dar- seine Durchlässigkeit sehr gering, seine Reflexion gestellten Linse 84 fokussiert. Das verstärkte, vom jedoch sehr hoch ist. Dies erhöht den ß-Wert des rechten Ende des Hohlraums ausgesandte Licht wird Resonators in der oben beschriebenen Weise.
von der schematisch dargestellten Linse 85 gebündelt Die Spitzen 78 a und 79« der Elektroden 78 und 79

und gerichtet. Falls das Gerät nur als optischer 35 sind in den zentralen Innenraum 87 der Kapillarfaser Sender für kohärente Lichterzeugung verwendet wer- 86 mit Hilfe von Isolierstopfen 92 bzw. 94 eingesetzt. den soll, kann eine der beiden Linsen weggelassen Diese Stopfen können beispielsweise aus Glas sein werden. und die Enden des mit dem selektiv fluoreszenten

Die Konstruktion des Resonators 70 ist derjenigen Medium erfüllten zentralen Innenraumes 87 abdichten in F i g. 1 ähnlich und in F i g. 9 im einzelnen dar- 40 sowie die Elektroden 78 und 79 halten und iso gestellt. Die mittlere kapillare Kernfaser 86 des Reso- lieren.

nators 70 ist ein Glasröhrchen mit einem Brechungs- Der Betrieb des in den F i g. 8 und 9 dargestellten

index W₁. Die Umhüllung 83 dieses Resonators besteht optischen Senders oder Lichtverstärkers wird durch ebenfalls aus Glas und hat einen Brechungsindex «₂. Zuführen einer Hochspannung von der Spannungs- Der zentrale Hohlraum 87 ist im vorliegenden Aus- 45 quelle 80 zu den Elektroden 78 und 79 eingeleitet. führungsbeispiel mit einem optischen Medium gefüllt, Zwischen den Spitzen 78 a, 79 a bildet sich eine Ent in dem unter äußerer Anregung Energie instabil ladung aus und führt dem selektiv fluoreszenten Me- derart aufgespeichert werden kann, daß selektive dium die erforderliche Anregungsenergie zu. Die Fluoreszenz erfolgt, d. h. in welchem die höheren durch die Entladung gelieferte Energie ändert die Energiestufenterme stärker besetzt sind als die unteren, 50 normale Verteilung der Energiezustände der Atome was einer Temperatur von über unendlich Grad des selektiv fluoreszenten Mediums zu einer statistisch entspräche und zuweilen als ein Zustand »negativer« unwahrscheinlichen Überbesetzung der höheren Ener- Temperatur bezeichnet wird. Dieses selektiv fluor- giestufen. Wenn die Atome aus dieser unwahrschein- eszente Medium kann aus Helium, Xenon oder liehen Verteilung in eine stabile wahrscheinlichere anderen bekannten Gasen bestehen, ganz entsprechend 55 zurückkehren, geben sie Energie ab, die an die Reso- wie bei den optischen Sendern oder Verstärkern, die nanzfrequenz des optischen Resonators gekoppelt ist mit Feststoffen, wie beispielsweise Rubin, arbeiten und von dessen einem Ende abgestrahlt wird. Die und sich ebenfalls zur Aussendung von Energie der Frequenzkopplung und die Frequenzauswahl werden gewünschten Wellenlänge eignen. Rer Resonator wird durch die Verwendung eines optischen Resonators in den Resonanzzustand gebracht, indem seine Länge 60 in dem in den F i g. 8 und 9 dargestellten optischen derart ausgewählt wird, daß diese Länge ein ganz- Sender oder Lichtverstärker stark begünstigt, und zahliges Vielfaches von halben Wellen der Strahlung es werden daher wesentlich stärkere Signale im ist, die verstärkt oder erzeugt werden soll. Der Durch- Verhältnis zum Rauschpegel erzielt.
messer der mittleren Faser 86 und die Brechungs- Es ist zu erkennen, daß durch die Erfindung optische

indizes H₁ und n₂ sind gemäß den vorstehenden 65 Resonatoren mit sehr hohen Q-Werten geschaffen sind, Erörterungen festgelegt. Vorzugsweise sind der Durch- und Entwurfskriterien zum Errechnen der Abmessun- messer und die Differenz der Brechungsindizes so gen von optischen Resonatoren dieser Art geliefert ausgewählt, daß nur eine einzelne Komponente bzw. werden, so daß auf einfache Weise besondere Resona-

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toren für bestimmte Anwendungsfälle entworfen .werden können. Es wurden ferner,abstimmbare optische Resonatoren vorgeschlagen, und es ist dargestellt .worden, wie derartige Resonatoren durch Zuführung eines elektrischen Signals zu geeigneten Elektroden, die mit den Hohlräumen verbunden sind, .durch Aufbringen geregelten mechanischen Druckes auf die Enden des Hohlraumes und durch Steuerung der Umgebungstemperatur des Hohlraumes abgestimmt werden können. Es wurde weiterhin aufgezeigt, wie erfindungsgemäße Resonatoren zur Spektralanalyse und als Resonanzaufbauten in Lichtverstärkern verwendet werden können.

Es ist damit zu erkennen, daß die obengenannten Aufgaben neben denen, die sich aus der vorhergehenden Beschreibung ergeben, auf wirkungsvolle Weise gelöst sind. Selbstverständlich stellen die oben gegebene Beschreibung und die Zeichnungen nur Beispiele der Erfindung dar, und es sind zahlreiche konstruktive Abwandlungen möglich, ohne vom Rahmen des Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Resonator für einen optischen Sender oder Verstärker, der einen hohen ß-Wert zur Aussendung von Lichtstrahlen aufweist und aus einem langgestreckten Bauteil besteht, an dessen Enden je ein im wesentlichen paralleler reflektierender Überzug angebracht ist, der mindestens an einem Ende des Bauteils die teilweise Übertragung der optischen Energie nach außen zuläßt, dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte Bauteil, der eigentliche optische Resonator, aus einem sehr dünnen, langgestreckten, zentrisch angeordneten Kern (12, 86) aus einem hohlen oder massiven, gleichmäßig transparenten optischen Medium mit einem höheren Brechungsindex besteht, wobei der Kern eine vorgegebene Länge und einen mittleren Durchmesser hat, der nicht größer ist als das 25fache der größten Wellenlänge der optischen Strahlung, für die der Resonator (10, 70) in Resonanz ist, und daß ferner der langgestreckte Kern (12, 86) von einer eng anliegenden Umhüllung (14, 83) umgeben ist, welche aus einem transparenten Material besteht, das eine größere Dicke als der Kerndurchmesser und einen Brechungsindex von geringerer Größe als der Kern hat, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß nur eine Wellenform oder wenige unterscheidbare, in optischer Resonanz stehende Wellenformen aus dem teilweise durchlässigen reflektierenden Überzug (16, 88, 90) austreten kann bzw. können.

2. Optischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator (12, 86) mit seiner Umhüllung (14, 83) eine Länge hat, die im wesentlichen gleich einem ganzzahligen Vielfachen halber Wellenlängen einer optischen Strahlung ist, für die der Resonator (10, 70) in Resonanz ist.

3. Optischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (14, 83) mindestens 2 μπι dick ist.

4. Optischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (14, 83) eine Stärke von mindestens _;dem lOOfachen des Faserhalbmessers; (α) hq.t.

5. Optischer Resonator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, ,daß die Kernfaser (12, 86) einen mittleren .Halbmesser (q) und einen Brechungsindex .Ti₁ für die in Resonanz zu -bringende optische Strahlung hat und daß die Kernfaser umgebende optische Medium (14, 83) einen Brechungsindex «₂ für diese Strahlung hat, wobei rc₂ kleiner als H₁ ist, und daß der Halbmesser (α) und die Indizes H₁ und n₂ so ausgewählt sind, daß

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ist, worin λ die Wellenlänge im Vakuum der optischen Strahlung ist, für die der Resonator (10, 70) in Resonanz ist.

6. Optischer Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernfaser (12, 86) aus Glas besteht und die die Kernfaser umgebende Umhüllung (14, 83) ebenfalls aus Glas besteht und eine Stärke von mindestens 2 μπι aufweist und daß der reflektierende Überzug (16, 88, 90) an jedem Ende der Kernfaser ein dünner Metallfilm ist, der zumindest auf einer Seite einen Teil der Strahlung, für die der Resonator in Resonanz ist, überträgt und einen Teil reflektiert.

7. Optischer Resonator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10,70) abstimmbar ist und Mittel vorgesehen sind, um die optische Länge des Resonators aus der vorherbestimmten Länge zu ändern.

8. Optischer Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar länglicher Elektroden (18, 20, 22, 24), an den ein selektiv fluoreszentes Medium enthaltenden zentralen Kapillarhohlraum inmitten der Kernfaser angeschlossen ist, und Mittel (40, 44) zur Zuführung elektrischer Energie zur Anregung einer elektrischen Entladung vorgesehen sind, die wiederum zur Zuführung von Anregungsenergie zu dem selektiv fluoreszenten Medium dient und als Anregungslichtquelle für selektive Fluoreszenz wirksam ist.

9. Optischer Resonator nach Anspruch 7, dadurch, gekennzeichnet, daß die Mittel (46, 48, 50) zur Änderung der Länge des Resonators (12, 86) samt seiner Umhüllung (14, 83) in Längsrichtung einen Druck auf den Resonator ausüben.

10. Optischer Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Länge des Resonators (12, 86) Mittel (52, 66, 68) vorgesehen sind, die dessen Temperatur zu ändern gestatten.

11. Optischer Resonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10, 70) abstimmbar ist durch den Druck eines Stopfens (50) mit trichterförmiger zentraler Öffnung (50 a), der mittels eines Gewindes (46 a) einstellbar ist.

12. Optischer Resonator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10, 70) durch die Temperatur abstimmbar ist, die eine elektrische Heizwicklung (52) an die Umhüllung abgibt, die mit einer Isolierschicht (54) umgeben ist.

13. Optischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (18, 20) zur Erzeugung eines elektrischen Potentials an den gegenüberliegenden Enden des Kerns (12, 86)

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für die Veränderung der optischen Länge des Resonators, (12, 82) vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 735 435; USA.-Patentschriften Nr. 2 851 652, 2 929 922;

Soldat und Technik, Januar 1961, S. 31;

Electrical Engineering, April 1961, S. 248 bis 251;

Physical Review, Bd. 112, 1958, S. 1940 bis 1949;

Journal of the Soc. of Motion Picture and Television, Bd. 69, Nr. 10, Oktober 1960, S. 705 bis 710.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen