DE1292768B

DE1292768B - Anordnung zur inneren Modulation der Strahlung eines quantenmechanischen Senders

Info

Publication number: DE1292768B
Application number: DES85344A
Authority: DE
Inventors: Guers; Dr Karl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1963-04-11
Filing date: 1963-05-22
Publication date: 1969-04-17
Also published as: US3418476A; NL6406886A; DE1285073B; SE338116B; GB1068052A; NL151856B; NL6403674A; US3582819A; CH442555A; DE1295742B; GB1075658A; DE1295741B; DE1564682B2; DE1564682A1

Description

Die Erfindung betrifft einen quantenmechanischen Sender (Maser oder Laser) für innere Modulation nach dem Prinzip der stimulierten Emission verstärkter Strahlung, aus dem mittels modulierbarer Beeinflussung des Durchlaßvermögens eines Spiegels des Resonators modulierte Strahlung ausgekoppelt werden kann, insbesondere mit einer Modulations- und Auskoppelvorrichtung nach Anspruch 16 der Patentanmeldung 14 39 233.7, in der dieser Spiegel als Modulations- und Auskoppelmittel in einer Einheit ein in seinem Austrittsvermögen für diese Strahlung modulierbarer Interferenzspiegel nach Art eines Fabry-Perrot-Interferometers ist, in dem ein die optische Weglänge der in dem Interferometer hin und her verlaufenden Strahlung modulierbar veränderndes Glied, insbesondere ein Einkristall vorgesehen ist.
Im folgenden sollen unter dem Begriff »quantenmechanischer Sender« oder kürzer »Sender« auch die als »Maser« bezeichneten Verfahren bzw. Anordnungen sinngemäß, d. h. soweit für sie die erfindungsgemäß vorgesehenen steuerbaren Spiegel verwendet werden können, als mit eingeschlossen gelten.
Es sind bereits eine Anzahl von Vorschlägen zur Lösung der Aufgabe, von einem quantenmechanischen Sender verstärkte und ausgesandte, stimulierte Strahlung zu modulieren, gemacht worden. In der auf einer älteren Patentanmeldung beruhenden deutschen Patentschrift 1191041 ist eine Anordnung beschrieben, bei der in einem stimulierbaren Kristall verstärkte Strahlung an einer Stelle, an der die spiegelnden Flächen. des-,. Resonators »gestörte« Totalreflexion aufweisen, ausgekoppelt wird. Es ist dort bereits darauf hingewiesen, .daß die Intensität des aus dem Kristall und dem Resonator ausgesandten Strahls durch Änderung eines bestimmten Abstandes, d. h. durch Änderung der Stärke der gestörten Totalreflexion regelbar, d. h. modulierbar ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in Weiterbildung der Erfindung nach der Hauptpatentanmeldung die Modulation mit nur einem Modulationsmittel im Resonator, d. h. mit einem Resonator mit nur einem steuerbaren Spiegel zur Auskopplung eines modulierten Anteils der im Resonator verlaufenden Strahlung durchzuführen und trotzdem die Verzerrung in der modulierten Strahlung kleinzuhalten.
Diese Aufgabe wird durch einen quantenmechanischen Sender, wie er oben angedeutet ist, gelöst, der erfindungsgemäß so bemessen ist, daß der Reziprokwert der Laufzeit der im Resonator verlaufenden Strahlung für einen Hin- und Her- bzw. Umlauf im Resonator sowie die ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes nicht mit Frequenzwerten des Modulationssignais übereinstimmen oder nahezu übereinstimmen.
Die hier beschriebene Art der Modulation im Resonator, die mit der Aussendung bereits modulierter Strahlung verbunden ist, wird mit »innerer Auskoppelmodulation« bezeichnet.
Im Sinne der Erfindung sind die den Resonator begrenzenden Spiegel als zum Inneren des Resonators gehörig zu verstehen.
Das Reflexionsvermögen R des vorgesehenen steuerbaren Spiegels, auch als Modulationsglied bezeichnet, ist der Prozentsatz der im Resonator auf den steuerbaren Spiegel auftreffenden Strahlung, der wieder in den Resonator zurückreflektiert wird. Das Durchlässigkeitsvermögen D ist der Prozentsatz der Strahlung, der von dem Spiegel durchgelassen wird.
Als für die Erfindung zu verwendender, steuerbarer Spiegel ist insbesondere ein wie in der Hauptpatentanmeldung näher beschriebener Interferenzspiegel nach Art eines Fabry-Perrot-Interferometers geeignet, in dem ein die optische Weglänge der in dem Interferometer hin und her verlaufenden Strahlung modulierbares Glied, insbesondere ein Einkristall vorgesehen ist.
Die spezielle Art der Auskopplung bei der »inneren Auskoppelmodulation« ermöglicht es, z. B. unter Aufwand von nur geringer Modulationsleistung einen 100 oloig modulierten Laserstrahl hoher Intensität aus dem Resonator auszukoppeln. Dies ist leicht einzusehen, wenn man bedenkt, daß schon bei kleiner Modulationsleistung, d. h. bei kleinem Grad der Auskopplung auf Grund der im Resonator befindlichen hohen Intensität absolut gewertet eine hohe Intensität ausgekoppelt werden kann. Bei äußerer Modulation der stimulierten Strahlung außerhalb des optischen Resonators wirkt die Modulationsleistung dagegen nur auf eine gegenüber. der im Resonator befindlichen Strahlungsintensität wesentlich schwächere ausgekoppelte Strahlungsintensität.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann außerdem ein besonders hoher Gesamtwirkungsgrad erzielt werden. Unter »Gesamtwirkungsgrad<< ist dabei das Verhältnis der Signalleistung im ausgekoppelten Strahl zur Strahlungsleistung der im Resonator erzeugten Strahlung zu verstehen.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Anordnung gehen aus der Beschreibung der Figur eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor.
In der Figur stellt 1 das stimulierbare Medium, beispielsweise einen stabförmigen Einkristall, wie etwa Rubin oder auch ein mit einem oder mehreren strahlungsverstärkend wirkenden Gasen gefülltes Rohr, dar. 1 kann auch ein Halbleiterkörper mit einem pn-übergang oder einer übergangszone zwischen Bereichen verschieden hoher Dotierung sein, der bei entsprechender Materialauswahl und Dimensionierung bekanntlich ebenfalls als stimulierbares Medium verwendet werden kann.
üblicherweise wird das stimulierbare Medium zwischen zwei Spiegelflächen 2 und 2' so angeordnet, daß sich stehende Wellen der verstärkten Strahlung wie in einem Resonator zwischen den Spiegelflächen 2 und 2' ausbilden. In unserem Beispiel ist 2 eine für die Laserstrahlung teildurchlässige Spiegelfläche, so daß ein Anteil der Strahlung 3, die in der Resonatoranordnung verläuft, durch 2 hindurchtreten kann.
Gemäß der Erfindung ist nun auf der Seite von 2 des Teiles 1, wie aus der Figur ersichtlich, eine weitere für die Strahlung teildurchlässige Spiegelfläche 4 parallel zu 2 ausgerichtet angeordnet, wobei sich jeweils zwischen 2 und 4 das eigentliche, noch näher zu beschreibende Modulationsglied 5 befindet. Die Spiegelfläche 2 ist, außer für Strahlung aus 1, auch für Strahlung, die aus Richtung- der Spiegelfläche 4 her kommt, reflektierend. Diese Anordnung, welche aus 2, 4 und 5 besteht, wirkt wegen 5 als in seinem Reflexionsvermögen steuerbarer Interferenzspiegel für die Strahlung und wird im folgenden so bezeichnet. Er wird von dem aus 1 durch 2 hindurch austretenden Anteil 6 der Strahlung 3, allgemein einige Prozent der in 1 als 3 hin- und herlaufenden Strah- Jung durchsetzt. Gemäß der Erfindung ist der steuerbare Interferenzspiegel so aufgebaut, daß er, abhängig von einer vorzusehenden Modulationsspannung, einen mehr oder weniger großen Anteil der Strahlung 6 als 7 aus dem System austreten läßt. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß ein modulierter Strahl aus dem Resonator ausgekoppelt werden.
Der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete steuerbare Interi:erenzspiegel, der aus 2, 4 und 5 besteht, hat maximale Durchlässigkeit, wenn die optische Weglänge zwischen den Spiegelflächen 2 und 4 gerade einem ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Strahlung entspricht, sich also stehende Wellen der Strahlung im Interferenzspiegel ausbilden können.
Eine geringe Änderung der optischen Weglänge zwischen 2 und 4 in dem vorher wie oben angegebenen abgestimmten Interferenzspiegel bewirkt, daß sich keine stehenden Wellen der Strahlung mehr ausbilden können und daß der durch die Interferenzspiegel hindurchtretende und als 7 austretende Strahl modulierbar in seiner Intensität geschwächt wird. Durch die modulierte Veränderung der optischen Weglänge in den Interferenzspiegeln wird also die aus dem Sender austretende Strahlung 7 moduliert.
Eine Änderung der optischen Weglänge - es kommen Weglängenänderungen bis zu einigen Zehnteln der Wellenlänge in Frage - kann beispielsweise durch Einfügung eines in seinem Brechungsindex steuerbaren Mediums 5 erreicht werden. Davon abgesehen, sind auch andere Steuerungsverfahren für die Interferenzspiegel anwendbar, z. B., daß der Spiegelabstand zwischen 2 und 4 auf mechanische Weise verändert wird. Allgemein werden dabei aber maximal zu kleine Modulationsfrequenzen erzielt, so daß die mechanische Veränderung nur in Einzelfällen sinnvoll erscheint.
Es sei ergänzend erwähnt, daß zur Verstärkung des Modulationseffektes auch mehrere, insbesondere gleiche derartig steuerbare Interferenzspiegel hintereinander angeordnet werden können. Ein für den Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung verwendbarer Interferenzspiegel kann auch in an sich bekannter Weise aus mehreren aneinandergereihten dielektrischen Schichten mit aufeinanderfolgend voneinander unterschiedlichen Brechungsindizes, die bei einer oder mehreren Schichten steuerbar sind, bestehen. Die Dicke der einzelnen Schichten wird, wie dies für derartige Schichten bekannt ist, so groß gewählt, daß Interferenzen auftreten können.
Für den Aufbau des steuerbaren Interferenzspiegels empfiehlt sich für 5 beispielsweise die Verwendung von Kaliumdihydrogenphosphat-(KDP-) Kristallen. Diese besitzen, in bestimmter Orientierung in ein elektrisches Feld gebracht, einen durch die Größe der elektrischen Feldstärke steuerbaren Brechungsindex, der bekannterwei.se unter anderem von der Richtung und von der Polarisation des in einem derartigen Kristall abhängig von dessen Orientierung verlaufenden Lichtstrahles abhängt.
Bei der Verwendung von KDP empfiehlt es sich, einen Kristall von einigen Millimetern Länge und mit planparallelen Flächen der Orientierung 001, d. h. senkrecht zur optischen Achse geschnitten, zu verwenden, auf die man den Strahl 6 senkrecht auffallen läßt. Vorteilhaft ist es, die Polarisationsebene der Strahlung so zu wählen, daß der elektrische Vektor der Strahlung in eine der 19.0-Richtungen zeigt. Das elektrische Feld wird in Richtung der optischen Achse, d. h. in Strahlrichtung von 6 des feldfreien Kristalls an diesen angelegt.
An Stelle von KDP können allgemein auch andere Stoffe mit steuerbarem Brechungsindex, beispielsweise elektrisch oder magnetisch, doppelbrechende Materialien verwendet werden.
8 und 9 in der Figur sind die Elektroden, mit denen die elektrische Modulationsspannung dem Modulationsglied 5 zugeführt wird. 8 und 9 sind entweder für die Strahlung weitgehend durchlässig, oder es fällt beispielsweise die Elektrode 8 mit dem Spiegel 4 bzw. 9 mit 2 zusammen. Mit den Anschlüssen 10 und 11 werden die Elektroden 8 und 9 an die Quelle der Modulationsspannung angeschlossen.
Wenn der Interferenzspiegel so justiert ist, daß er bei fehlender Modulationswechselspannung minimale bzw. keine Durchlässigkeit für die im Resonator erzeugte Strahlung hat, ergibt sich bei Anlegen einer Modulationswechselspannung eine Frequenzverdoppelung der Intensitätsschwankung des ausgekoppelten Strahles 7.
Die Frequenzverdoppelung wird vermieden, wenn der Interferenzspiegel so justiert ist, daß er bei fehlender Modulationswechselspannung bereits eine über den Grad der obengenannten minimalen Auskopplung liegende Intensität auskoppelt. Diese muß so viel über der Intensität der minimalen Auskopplung liegen, wie die Auskopplung des Spitzenwertes des Signals ausmacht. Das gleiche kann auch dadurch erreicht werden, daß zusätzlich zur Modulationswechselspannung noch eine Gleichspannung an das Modulationsglied gelegt wird. Diese Modulation der Strahlung 7 macht sich dann als eine der mittleren Intensität von 7 überlagerte Intensitätsschwankung bemerkbar. Auf diese Weise wird ein bis zu 100% modulierter Strahl aus dem Resonator ausgekoppelt, der .die gleiche Frequenz wie das Modulationssignal hat.
Besondere Bedeutung kommt der erfindungsgemäßen Anordnung für die Modulation von Laserstrahlung mit Signalen hoher Frequenzen zu, da. bei diesen Frequenzen große Bandbreiten der Modulation erreicht werden können, was insbesondere für die Nachrichtentechnik wichtig ist. Unter »hohen Frequenzen<; sind dabei Frequenzen zu verstehen, deren entsprechende Periodendauer T klein gegen die Aufbau- bzw. Abklingzeit z der Schwingung der Strahlung im Resonator ist, die sich bei einer durch die Modulation gegebenen Güteänderung des Resonators ergibt. Einer Modulation mit derart hohen Frequenzen kann der Sender nicht mehr oder nur noch unvollständig mit einer Schwankung seiner im Resonator enthaltenen Strahlungsenergie folgen. Eine Abschätzung ergibt, daß dies für Frequenzen gilt, deren Periodendauer T etwa um den Faktor 10 kleiner als z ist. Bei diesen hohen Frequenzen können die Verzerrungen in der Modulation der Strahlung so klein gehalten werden, daß sie z. B. für die Nachrichtentechnik noch tragbar sind. -c läßt sich in an sich bekannter Weise einfach ermitteln.
Die Bedeutung der erfindungsgemäßen Anordnung ist einmal in dem hohen Gesamtwirkungsgrad und zum anderen darin zu sehen, daß, abgesehen von dem Auftreten geringer Modulationsverzerrungen, die jedoch ausreichend klein gehalten werden können, mit gegenüber bei äußerer Modulation relativ sehr viel kleineren Leistungen des Modulationssignals ein hoher Modulationsgrad, z. B. von 1 der aus dem Resonator ausgesandten Strahlung erreicht werden kann.
Für die erfindungsgemäße Anordnung gilt jedoch noch eine Bedingung, die aber tatsächlich keine wesentliche Einschränkung bedeutet. Durch überlegungen findet man, daß die Laufzeit der Strahlung in der Anordnung und die Frequenzen des Modulationssignals nicht aufeinander abgestimmt sein dürfen. Diese Einschränkung ergibt sich daraus, daß bei übereinstimmung des Reziprokwertes der Laufzeit mit den Frequenzen des Modulationssignals der im Resonator verlaufende Energiestrom wiederholt an der gleichen Stelle geschwächt werden würde. Dies würde, wie leicht einzusehen, zu größeren und unter Umständen unzulässigen Verzerrungen in der Modulation führen. In dem Modulationssignal dürfen daher keine Frequenzen enthalten sein, die mit dem Reziprokwert der Laufzeit der Strahlung für einen Hin- und Herlauf im Resonator sowie mit den ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes übereinstimmen.
Ein einfaches Beispiel soll dies näher erläutern. Angenommen, die Zeit für einen Hin- und Herlauf der Strahlung im Resonator beträgt 1 Nanosekunde. Dieser Zeit entspricht die Frequenz 1 GHz. Dann dürfen in den Modulationssignalen die Frequenz 1 GHz sowie deren ganzzahlige Vielfache nicht mit wesentlicher Intensität enthalten sein. Diese Frequenzen werden als verbotene Frequenzen bezeichnet. Das gleiche gilt auch für Frequenzen des Modulationssignals, die in der Nähe von 1 GHz bzw: den ganzzahligen Vielfachen davon liegen. Es kann dagegen beispielsweise mit Frequenzen moduliert werden, die unter 0;9 GHz und zwischen 1,1 und 1,9, 2,1 und 2,9, 3,1 und 3,9 GHz usw. liegen. Wie stark die Modulationsfrequenzen von den verbotenen Frequenzen entfernt liegen müssen, ergibt sich aus dem Grad der Auskopplung, mit dem die betreffende Modulationsfrequenz im ausgekoppelten Strahl vertreten ist, d. h. wie stark sie dämpfend auf den Resonator wirkt. Ist der betreffende Auskopplungsgrad z. B. kleiner als 2%, so genügt es, alle Frequenzen auszuschließen, die von den verbotenen Frequenzen um weniger als etwa 10 % des Wertes der niedrigsten verbotenen Frequenz entfernt liegen. Dieser zu wählende Frequenzabstand gibt im übrigen auch die untere Frequenzgrenze der oben definierten hohen Frequenzen an.
Wie leicht einzusehen ist, ist es nötig, bei hohen Modulationsfrequenzen den optischen Weg der Strahlung im Modulationsglied, wie in dem Beispiel der Figur, im Interferenzspiegel klein zu halten; so klein zu halten, daß die Laufzeit der Strahlung für diesen Weg beispielsweise weniger als ein Viertel der ; Periodendauer des Modulationssignals beträgt. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß in einem Interferenzspiegel für die Laufzeit der Strahlung ein Mehrfaches, etwa das Zehn- bis Zwanzigfache der Zeit für einen einfachen Hin- und Herlauf der Strahlung im Interferenzspiegel einzusetzen ist.
Da die Strahlung bekanntlich bei den üblicherweise erreichbaren Werten des Reflexionsvermögens der zu dem Interferenzspiegel gehörenden Reflexionsflächen etwa sovielmal mit wesentlicher Intensität in t diesem hin- und herläuft. Ohne Schwierigkeiten kann man in der Anordnung der Figur mit Frequenzen bis etwa 5 GHz modulieren.

Claims

Patentansprüche: 1. Quantenmechanischer Sender (Maser oder Laser) für innere Modulation nach dem Prinzip der stimulierten Emission verstärkter Strahlung, aus dem mittels modulierbarer Beeinflussung des Durchlaßvermögens eines Spiegels des Resonators modulierte Strahlung ausgekoppelt werden kann, insbesondere mit einer Modulations-und Auskoppelvorrichtung nach Anspruch 16 der Patentanmeldung 14 39 233.7, in der dieser Spiegel als Modulations- und Auskoppelmittel in einer Einheit ein in seinem Austrittsvermögen für diese Strahlung modulierbarer Interferenzspiegel nach Art eines Fabry-Perrot-Interferometers ist, in dem ein die optische Weglänge der in dem Interferometer hin und her verlaufenden Strahlung modulierbar veränderndes Glied (5), insbesondere ein Einkristall vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Reziprokwert der Laufzeit der im Resonator verlaufenden Strahlung für einen Hin- und Her- bzw. Umlauf im Resonator sowie die ganzzahligen Vielfachen dieses Wertes nicht mit Frequenzwerten des Modulationssignals übereinstimmen oder nahezu übereinstimmen.
2. Quantenmechanischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Modulation mit hohen Frequenzen, deren Periodendauer klein gegen die Aufbau- bzw. Abklingzeit der Schwingung der stimulierten Strahlung im Resonator ist, die Bemessung des Auskoppelgrades klein, insbesondere kleiner als 20% gehalten ist und daß im Modulationssignal alle Frequenzwerte ausgeschlossen sind, die weniger als etwa 10% des Reziprokwertes der Laufzeit von den ganzen Vielfachen des Reziprokwertes dieser Laufzeit verschieden sind.
3. Quantenmechanischer Sender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsglied aus einem oder mehreren für die Strahlung hintereinander angeordneten Interferenzspiegeln besteht.
4. Quantenmechanischer Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im Interferenzspiegel angeordnete Modulationsglied ein elektrisch doppelbrechender Einkristall ist.
5. Quantenmechanischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsglied aus mehreren für die Strahlung hintereinander angeordneten dielektrischen Schichten besteht, die aufeinanderfolgend unterschiedlichen Brechungsindex haben und von denen eine oder mehrere Schichten steuerbaren Brechungsindex haben.
6. Quantenmechanischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsglied sich in einem Gleichfeld befindet, dem das Feld des Modulationssignals überlagert ist.
7. Quantenmechanischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsglied im Strahlengang im Resonator so angeordnet und justiert ist, daß bereits bei fehlendem Modulationssignal stimulierte Strahlung mit konstanter Intensität ausgekoppelt wird. B. Quantenmechanischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung des modulierten Anteils die Steuerung des Spiegels so betrieben wird, daß durch Ausschluß bestimmter, durch den Resonator vorgegebener Frequenzbereiche im Modulationssignal eine wiederholte Schwächung des im Resonator verlaufenden Energiestromes an der gleichen Stelle vermieden wird und daß durch überschreiten einer Mindestfrequenz für das Modulationssignal dafür gesorgt ist, daß die im Resonator enthaltene Strahlungsenergie von der Modulation kaum noch beeinflußt wird, also fast konstant bleibt.