DE1242014B - Einrichtung zur UEberlagerung von im Bereich der optischen Frequenzen gelegenen Signalwellen - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Überlagerung von im Bereich der optischen Frequenzen gelegenen Signalwellen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur überlagerung von im Bereich der optischen Frequenzen gelegenen Signalwellen, bei der außer einem Eingang für die zu überlagernden Signallichtwellen ein Eingang für Hilfslichtwellen hiervon verschiedener Frequenz, eine photoempfindliche, nichtlineare Eigenschaften aufweisende Einrichtung für die überlagerung der Signallichtwellen und der Hilfslichtwellen und ein Ausgang für die in der Einrichtung gebildeten Schwingungen vorgesehen sind.
• Bekannt ist eine Einrichtung für die Überlagerung von Lichtwellen zur Erzeugung von Summenfrequenzen und höheren Harmonischen. Die Strahlung zweier optischer Molekularverstärker unterschiedlicher Sendefrequenz wird derart auf einen teildurchlässigen Spiegel gerichtet, daß ein Lichtbündel nach einer Reflexion und das andere nach einem Durchgang parallel laufend auf einen Photovervielfacher gelangt. Ist der teildurchlässige Spiegel 50%ig verspiegelt, so gehen 50% der Strahlung beider optischer Molekularverstärker verloren.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Einrichtung zur Überlagerung von Signallichtwellen zu realisieren, bei der die Verluste der Signallichtwellen niedrig sind.
• Ausgehend von einer Einrichtung der einleitend geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Konzentration der Signallichtwellen auf die photoempfindliche Einrichtung eine Cassegrain-Optik vorgesehen ist, die aus einem konvexen Umlenkspiegel und einem durchbohrten Objektivspiegel besteht, die längs der Achse in Einfallsrichtung der Signallichtwellen nacheinander angeordnet sind, daß ferner die Einspeisung der Hilfslichtwellen in die Cassegrain-Optik seitlich zu deren Achse vorgesehen ist, daß ein zu dieser Achse geneigt vor dem konvexen Umlenkspiegel in der Schattenzone der Cassegrain-Optik angeordneter Hilfsspiegel vorgesehen ist, der die Hilfslichtwellen durch die Öffnung im Objektivspiegel ebenfalls auf die photoempfindliche Einrichtung reflektiert, der die Differenzschwingungen aus den Schwingungen des Signallichtes und des Hilfslichtes als Zwischenfrequenzschwingungen entnommen werden.
• Eine solche Anordnung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise zur Umsetzung eines Signallichtes in den Bereich elektromagnetischer Wellen. Die erfindungsgemäße Verwendung einer Cassegrain-Optik ermöglicht es nämlich, daß bei Kleinhaltung des konvexen Umlenkspiegels ein großer Teil des in die öffnung der Optik einfallenden Lichtstromes auf die lichtempfindliche Fläche des Mischelementes infolge der Verwendung von Metallspiegeln unabhängig von der Wellenlänge des Signallichtes abgebildet werden kann und andererseits die Einkopplung des Hilfslichtes keine Schwächung der Signallichtintensität hervorruft. Ferner ermöglicht der Erfindungsgegenstand die Verarbeitung schwacher Signale. Die Lage der Brennebene hinter dem durchbohrten Objektivspiegel erlaubt eine günstige konstruktive Gestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist die Frequenz der Hilfslichtwellen derart gewählt, daß die Zwischenfrequenzschwingungen im Mikrowellenbereich liegen.
• Vorteilhaft dient als Hilfslichtquelle ein optischer Molekularverstärker.
• Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn in dem Hilfslichtstrahlengang vor dem Auftreffen auf den Hilfsspiegel eine Konvexlinse angeordnet ist. Der Lichtstrom läuft dadurch konisch zusammen und fällt nach der Reflexion konzentriert auf die photoempfinliche Schicht.
• Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Hilfsspiegel konkav ausgebildet und bewirkt das konische Zusammenlaufen des Lichtstromes zum Zweck der Konzentration auf der photoempfindlichen Schicht.
• Ergänzend kann dabei vorteilhaft im Hilfslichtbündel ein Graukeil vorgesehen werden.
• Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Einrichtung zur Überlagerung so dimensioniert ist, daß die äußeren Begrenzungen des auf die vorzugsweise kreisförmige photoempfindliche Einrichtung auftreffenden Signallichtbündels und Hilfslichtbündels mit der äußeren Begrenzung der photoempfindlichen Schicht zusammenfallen. Das beispielsweise aus einem optischen Molekularverstärker stammende Signallicht leuchtet dabei auf der photoempfindlichen Schicht eine ringförmige Fläche aus.
• An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachstehend erläutert.
• Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum überlagerungsempfang für im Bereich der optischen Frequenzen gelegene Wellen. Die Cassegrain-Optik besteht aus dem durchbohrten Objektivspiegel 1 und dem Umlenkspiegel 2 mit der gemeinsamen optischen Achse 3. Ein weiteres optisches System besteht aus der Konvexlinse 4 auf der optischen Achse 5 und dem Hilfsspiegel 6, der am Kreuzungspunkt der optischen Achsen 3 und 5 angeordnet ist. Zwischen der Konvexlinse 4 und dem Hilfsspiegel 6 befindet sich ein in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 5 verschiebbarer Graukeil 7. In der Nähe der dichtbenachbarten Brennpunkte beider optischer Systeme auf der optischen Achse 3 liegt in Richtung zum Objektivspiegel 1 die Photodiode 8, die sich an der Stirnseite 9 des Innenleiters 10 eines kurzen Koaxialleitungsabschnittes befindet, dessen der Stirnseite 9 gegenüberstehender Außenleiterteil 11 eine Öffnung 12 aufweist. Der Außenleiter 11 ist weiterhin, von der Öffnung 12 aus betrachtet, nach dem anderen Ende des Innenleiters 10 hin stetig erweitert, so daß ein Wellenwiderstandstransformator entsteht. Die für den Betrieb der Photodiode 8 erforderliche Betriebsgleichspannung wird der Batterie 13 entnommen. Der eine Anschluß für die Betriebsgleichspannungszuführung zur Photodiode 8 geschieht über eine Hochfrequenzdrossel 14, deren dem Innenleiter 10 abgewandtes Ende für die Mikrowellen gegen den Außenleiter mittels eines Kondensators 15 kurzgeschlossen ist. Der andere Anschluß kann über den mit der Photodiode 8 in Verbindung stehenden Außenleiter 11 hin geschehen, der seinerseits mit der Batterie 13 verbunden ist. Zur Verhinderung von eventuellen störenden Gleichspannungskurzschlüssen ist beim Ausführungsbeispiel der Innenleiter 10 an der Stelle 17 nur gleichstrommäßig, nicht aber für die Mikrowellen aufgetrennt. Statt der Innenleiterauftrennung oder gegebenenfalls zusätzlich hierzu könnte auch eine Außenleiterauftrennung vorgesehen werden. Die Halterungen für die optischen und elektronischen Elemente erfolgen in an sich bekannter Weise.
• An Stelle von Koaxialleitungen für die einzelnen verwendeten Leitungsstücke können Hohlleitungsabschnitte Verwendung finden. Vor allem ist auch daran gedacht, das Transformationsstück 17 als mehrstufigen Breitbandtransformator für die zu verstärkenden Signalfrequenzen auszubilden.
• Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Das z. B. aus einem optischen Molekularverstärker stammende Signallicht 19 fällt parallel zur optischen Achse 3 auf den Objektivspiegel 1, wird auf den Umlenkspiegel 2 und von diesem wieder auf die Photodiode 8 reflektiert. Da konzentrisch zur optischen Achse 3 aus dem Strahlenbündel 19 durch den Umlenkspiegel 2 ein kreisförmiger Querschnitt ausgeschieden wird, ergibt sich zwischen dem Umlenkspiegel 2 und der photoempfindlichen Schicht 8 eine kegelstumpfförmige Schattenzone. Aus einem weiteren optischen Molekularverstärker wird das Hilfslicht 18 mit der Mischoszillatorfrequenz geliefert. Durch die Konvexlinse 4 wird es leicht konisch gebündelt und über den in der Schattenzone der Cassegrain-Optik liegenden Hilfsspiegel 6 derart auf die photoempfindliche Fläche 8 reflektiert, daß diese und pur diese vollkommen ausgeleuchtet wird. Durch Verschieben des Graukeils 7 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 5 ist die Intensität des Hilfslichtes 18 regelbar. Die Halbleiter-Photodiode 8 ist in der Lage, Modulationsfrequenzen des Lichts bis in den GHz-Bereich hinein zu verarbeiten. Die durch die Photodiode 8 angebotene Impedanz wird in dem Wellenwiderstands-Transformator 17 auf einer Wert transformiert, der dem Wellenwiderstandswert üblicher Koaxialleitungen wenigstens nahezu entspricht. Man kann sich nämlich das Ersatzschaltbild einer Photodiode aus der Reihenschaltung des Bahnwiderstandes Rl, der Photodiode mit der Parallelschaltung der Sperrkapazität C und des Sperrschichtwiderstandes RS vorstellen. Bei den hier vorliegenden Modulationsfrequenzen des Signallichtes, die im Bereich der Mikrowellen gelegen sind, ist der Blindwiderstand von C wesentlich kleiner als der Widerstandswert von R,. Die Photodiode 8 stellt unter diesen Bedingungen praktisch eine Reihenschaltung des Bahnwiderstandes Rb mit der Kapazität C dar. Diese Reihenschaltung wird nun auf den Wellenwiderstand der Koaxialleitung transformiert, die beispielsweise zu einem Nachverstärker führt.
• Ein bestimmter Wert für den Betrieb der Photodiode 8 erforderlichen Vorspannung läßt sich in bekannter Weise auch noch mit Hilfe eines stromdurchflossenen Potentiometers exakt einstellen, an dessen Widerstandsbahn der geforderte Spannungswert gegriffen wird.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Einrichtung zur Überlagerung von im Bereich der optischen Frequenzen gelegenen Signalwellen, bei der außer einem Eingang für die zu überlagernden Signallichtwellen ein Eingang für Hilfslichtwellen hiervon verschiedener Frequenz, eine photoempfindliche, nichtlineare Eigenschaften aufweisende Einrichtung für die Überlagerung der Signallichtwellen und der Hilfslichtwellen und ein Ausgang für die in der Einrichtung gebildeten Schwingungen vorgesehen sind, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h die Vereinigung folgende' Merkmale, daß zur Konzentration der Signallicht-' wellen (19) auf die photoempfindliche Einrichtung (8) eine Cassegrain-Optik (1, 2) vorgesehen ist, die aus einem konvexen Umlenkspiegel (2) und einem durchbohrten Objektivspiegel (1) besteht, die längs der Achse (3) in Einfallsrichtung der Signallichtwellen (19) nacheinander angeordnet sind, daß ferner die Einspeisung der Hilfslichtwellen (18) in die Cassegrain-Optik (1, 2) seitlich zu deren Achse (3) vorgesehen ist, daß ein zu dieser Achse (3) geneigt vor dem konvexen Umlenkspiegel (2) in der Schattenzone der Cassegrain-Optik (1, 2) angeordneter Hilfsspiegel (6) vorgesehen ist, der die Hilfslichtwellen (18) durch die Öffnung im Objektivspiegel (1) ebenfalls auf die photoempfindliche Einrichtung (8) reflektiert, der die Differenzschwingungen aus den Schwingungen des Signallichtes (19) und des Hilfslichtes (18) als Zwischenfrequenzschwingungen entnommen werden.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch Hilfslift: kennzeichnet, daß die Frequenz der Hilfslift: wellen (18) derart gewählt ist, daß die Zwischenfrequenzschwingungen im Mikrowellenbereich liegen.
3. 3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfslichtquelle ein optischer Molekularverstärker dient.
4. 4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hilfslichtstrahlengang vor dem Auftreffen auf den Hilfsspiegel eine Konvexlinse angeordnet ist.
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsspiegel konkav ausgebildet ist.
6. 6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Hilfslichtbündel ein Graukeil vorgesehen ist.
7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Begrenzungen des auf die vorzugsweise kreisförmige photoempfindliche Einrichtung auftreffenden Signallichtbündels und Hilfslichtbündels mit der äußeren Begrenzung der photoempfindlichen Schicht zusammenfallen. In Betracht gezogene Druckschriften: USA: Patentschrift Nr. 2 374 475; Phys. Rev., 128, 2175 (1962); 99, 1691 (1955); R i e k h e r, Fernrohre und ihre Meister, 1957, S. 73 bis 75; J o o s, Lehrbuch der theoretischen Physik, 1945, S. 47 und 48.