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Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker, dessen
monochromatische Strahlung von einem stimulierbaren optischen Medium beliebigen
Aggregatzustandes ausgeht, dessen Atome, Ionen oder Molekühle mittels einer geeigneten
Anregungs-Energiequelle zu einer inversen Besetzungsverteilung auf metastabile Energiezustände
angeregt sind, wobei zumindest ein Teil der monochromatischen Strahlung in einem
optischen Resonator reflektiert wird, um bei wiederholtem Durchlaufen dieses optischen
Resonators Strahlungsphotonen beträchtlicher Dichte auszulösen.
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Bekannt ist ein optischer Sender oder Verstärker, bei dem sich in
einem rohrförmigen Gebilde, das mit ebenen, parallel zueinander angeordneten Spiegeln
abgeschlossen ist, ein anregbares Medium eingeschlossen ist. Anregungsenergie wird
diesem Medium von einer um das rohrförmige Gefäß angeordneten Lichtquelle, etwa
einer Natriumlampe, zugeführt. Hierdurch werden die Atome, Ionen oder Moleküle des
Mediums über eine inverse Besetzungsverteilung auf metastabile Energiezustände angeregt,
und es entsteht eine monochromatische Strahlung. Diese kann über eine um den optischen
Sender oder Verstärker gelegte Wicklung moduliert werden, durch die ein magnetisches
Feld parallel zur Längsachse des Gefäßes erzeugt wird.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung des bekannten optischen Senders
oder Verstärkers und bringt insbesondere eine einfachere und wirkungsvollere Steuerung
derartiger Vorrichtungen, wodurch es gelingt, sogenannte Riesenimpulse zu erzeugen.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau der Photonendichte
für eine begrenzte Zeit durch eine Vorrichtung unterdrückt wird, die innerhalb des
optischen Resonators angeordnet ist, während der das stimulierbare optische Medium
durch die Anregungs-Energiequelle zu einer Umkehrung der Besetzungsverteilung angeregt
wird, worauf die Vorrichtung durch einen Impuls derart gesteuert wird, daß der optische
Resonator plötzlich die Auslösung der vollen Photonendichte gestattet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Steuervorrichtung
in dem optischen Resonator Vorrichtungen zur Frequenzauswahl der kohärenten Strahlung
auf.
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Von besonderem Vorteil ist es, durch die Steuervorrichtung den Polarisationszustand
der Strahlung innerhalb des optischen Resonators zu beeinflussen.
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Die Steuervorrichtung löst eine große Photonendichte in Form eines
ausreichend rasch anwachsenden Lichtimpulses aus, der vorteilhaft dazu verwendet
werden kann, einen weiteren optischen Sender oder Verstärker anzuregen mit dem Ziel
einer schärferen Ausbildung oder Vergrößerung dieses aus dem ersten optischen Resonator
austretenden Lichtimpulses mittels weiterer Verstärkung.
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Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung eine Kerrzelle.
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Von besonderer Bedeutung für die Erfindung und auch unabhängig von
dieser ist, daß die übertragungsflächen des optischen Resonators zur Strahlrichtung
unter dem Brewsterschen Winkel geneigt sind. Das gleiche gilt für das Merkmal, daß
zumindest ein Reflektor als prismatischer Winkelreflektor ausgebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besitzt der prismatische Winkelreflektor
eine Ein- und Austrittsfläche, die unter dem Brewsterschen Winkel zur Richtung des
in den Winkelreflektor eintretenden Lichtes angeordnet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnungen
näher erläutert, wobei einige allgemeine Erläuterungen über die Funktion optischer
Sender oder Verstärker, insbesondere mit innerer Entladung, vorangestellt seien.
Im folgenden wird der optische Sender oder Verstärker auch mit »Lichtverstärker«
bezeichnet. Es zeigt F i g. I ein Grotrian-Diagramm des Energieniveaus von Natrium
zur Erläuterung der Funktion eines optischen Senders oder Verstärkers, F i g. 2
einen Querschnitt in teilweise schematischer Darstellung durch einen nicht resonierenden
Lichtverstärker, der durch eine elektrische Entladung in dem Verstärkerhohlraum
angeregt wird, F i g. 3 eine teilweise schematische Darstellung eines Resonanzlichtverstärkers,
der durch inkohärente Lichtstrahlung angeregt wird und ein dreieckiges Prisma mit
reflektierenden Oberflächen aufweist, F i g. 4 eine zum Teil schematische Darstellung
eines Querschnitts durch ein alternatives optisches System für den Lichtverstärker
nach F i g. 3, bei dem z. B. nur in der Papierebene polarisiertes Licht erzeugt
wird.
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F i g. 5 eine zum Teil schematische Darstellung eines Querschnitts
durch einen Resonanzlichtverstärker der durch eine Entladung innerhalb des Resonanzhohlraums
angeregt wird und der Vorrichtungen zur Frequenzauswahl der kohärenten Strahlung
besitzt, F i g. 6 eine zum Teil schematische Darstellung eines Schnitts durch ein
besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Resonanzlichtverstärkers, bei dem
der Lichtweg durch eine Kerrzelle verläuft, durch die die Verluste in dem System
schnell geändert werden können, um einen kurzen Lichtimpuls zu erzeugen, und F i
g. 7 eine zum Teil schematische Darstellung eines Systems zur Erzeugung kurzer Lichtimpulse,
das einen gepulsten Resonanzlichtverstärker der in F i g. 6 dargestellten Art enthält.
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Nicht resonierender Lichtverstärker mit innerer Entladung F i g. 2
zeigt einen nicht resonierenden Lichtverstärker, bei -dem das gasförmige Medium
im Hohlraum direkt durch Zuführung elektrischer Energie, vorzugsweise Hochfrequenzenergie,
und nicht durch eine Lichtquelle angeregt wird.
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Eine etwas komplexere Arbeitsweise weist bestimmte Vorteile gegenüber
der relativ einfachen Anregung durch Resonanzstrahlung auf. Bei dieser Arbeitsweise
wird eine Verbesserung der Intensität durch Zusammenstöße der zweiten Art verwendet.
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Es wurden umfangreiche Studien durchgeführt, um das Phänomen der Sekundärfluoreszenz
zu erforschen. Atome einer Art, die auf einem bestimmten Elektronenzustand angeregt
sind,, können bei Zusammenstößen mit Atomen einer zweiten Art ihre Anregungsenergie
übertragen. Es wurde experimentell und theoretisch nachgewiesen, daß der übertragungsvorgang
am wahrscheinlichsten ist, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind:
a)
Je kleiner die Energiedifferenz zwischen den Zuständen der beiden Atomarten ist,
die von Interesse sind, desto größer ist der Wirkungsquerschnitt für einen Austausch
bei Zusammenstößen.
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b) Das totale elektrische Drehmoment der beiden Atome bleibt dasselbe
vor und nach dem Zusammenstoß (Teilauswahlregel von W i g n e r).
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In Verbindung mit der Regel a) muß die Energiedifferenz in oder aus
kinetischer Energie der Atome umgewandelt werden. Wenn die Energiedifferenz kleiner
als die thermische Energie (G K .@ 0,3 eV) und wenn die Regel b) erfüllt ist, kann
der Querschnitt mehr als das Hundertfache des Querschnitts gemäß der kinetischen
Theorie betragen. Insbesondere wurden Zusammenstöße der zweiten Art zwischen metastabilen
Hg (63Po)-Atomen und Natriumatomen in einem gemischten Gas beobachtet. Aus dem Diagramm
in F i g. 1 geht hervor, daß das Hg (63Po)-Niveau zwischen dem Na (7 S)- und dem
Na (6 P)-Niveau liegt und sich von beiden um G 0,045 eV unterscheidet. Es wurde
beobachtet, daß die sichtbare Na (7 S -@ 3 P)-4751-A-Linie unter gewissen Bedingungen
so intensiv wie die Na(3P 3 S)-5893-A-Linie wurde, was zeigt, daß die Hauptmenge
der Energie auf das Na (7 S)-Niveau übertragen wurde. Die Intensitätsverbesserung
beträgt etwa das Zwanzigfache. Es kann angenommen werden, daß übergänge von dem
6P1/2 -Niveau in gleicher Weise begünstigt werden.
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Aus der vorangegangenen Erläuterung ist ersichtlich, daß bei Verwendung
von Zusammenstößen der zweiten Art mit einer anderen Atomart der Wirkungsgrad des
Vorgangs, durch den eine stärkere Besetzung eines höheren Energieniveaus durch optisches
Anregen erzeugt wird, beträchtlich erhöht werden kann und zu einem Anwachsen des
Wirkungsgrades der Arbeitsweise der lichtverstärkenden Einrichtung führt.
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Gemäß F i g. 2 ist ein Hohlraum 31 mit einer öffnung 32 zum
Durchtritt des austretenden Lichts in den Außenraum des Hohlraums vorgesehen. Ein
Stab 34 aus transparentem Material oder ein Fenster kann verwandt werden, um das
Licht aus der Einrichtung weiterzuleiten.
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Der Innenraum 36 des Hohlraums ist vorzugsweise mit einem gasförmigen
Medium ausgefüllt, z. B. mit einer Mischung aus Quecksilber- und Natriumdampf, wie
bereits oben erwähnt wurde. Die Wand 37 des Gefäßes 31 ist mit einer reflektierenden
Oberfläche 40 versehen, die z. B. aus Magnesiumoxyd besteht. Ein Vorratsbehälter
38 ist über eine Leitung 39 mit dem Hohlraum 36 des Gefäßes 31 verbunden, um eine
gasförmige Atmosphäre der gewünschten Zusammensetzung und des gewünschten Drucks
in dem Hohlraum 36 zu ergeben. Für den Vorratsbehälter 38 ist eine Heizeinrichtung
41 vorgesehen, die von einem Temperaturregler 42 gesteuert wird, wodurch
ein Steuern des Dampfdrucks in dem Hohlraum ermöglicht wird. übermäßige Druckschwankungen
in dem Hohlraum 31 und eine Kondensation in dem Hohlraum 36 wird verhindert, indem
der Hohlraum 36 auf einer durch den Ofen 43 gesteuerten Temperatur gehalten wird.
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Um die Atome in dem Hohlraum 36 anzuregen, wird Energie über eine
Spule 44 zugeführt, die den Hohlraum umgibt und mit hochfrequenter Anregungsenergie
gespeist wird, z. B. mit einer Frequenz von etwa 100 Megahertz.
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Wenn die Entladung innerhalb des Hohlraums erfolgt, um die Atome anzuregen,
wird praktisch alle in den Hohlraum eingeführte Energie in dem Arbeitsmedium absorbiert
und ein großer Teil in nutzbare Arbeitsleistung umgewandelt. Wenn eine innere Entladung
zur Anregung der Atome verwendet wird, kann eine große Anregungsenergie in den Hohlraum
eingekoppelt werden. Resonanzlichtverstärker Beim Resonanzlichtverstärker ist im
Gegensatz zu dem oben beschriebenen Lichtverstärker gemäß F i g. 2 die Resonanzfrequenz
der Einrichtung stark von den Abmessungen des Hohlraums abhängig.
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F i g. 3 zeigt ein längliches Gefäß 51, das an den Enden durch Endteile
52 und 53 abgeschlossen ist. Wie bei der nicht resonierenden Einrichtung ist ein
Vorratsbehälter 54 vorgesehen, um dem Innenraum des Hohlraums eine gasförmige Atmosphäre
(in diesem Beispiel Natrium) zuzuführen. Eine Heizeinrichtung 55, die als Heizspule
dargestellt ist, wird von einem Temperaturregler 56 geregelt, um eine Regelung des
Drucks in dem Hohlraum 51 zu gewährleisten.
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Wie im Falle des Lichtverstärkers gemäß F i g. 2 kann ein Ofen 57
vorgesehen werden, der einen Teil der Einrichtung einschließt und diesen auf einer
Temperatur hält, die höher als die des Vorratsbehälters 54 ist, wodurch eine Kondensation
in dem Hohlraum 58 vermieden und eine bessere Regelung des Drucks einer Gasatmosphäre
ermöglicht wird.
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Die Anregung des Mediums in dem Hohlraum 58
erfolgt mit Hilfe
einer hohlzylindrischen Gasentladungslampe 59, die das Gefäß 51 umgibt. Die Gasentladungslampe
59 ist vorzugsweise eine Natriumdampflampe, die mit einem geeigneten Gas oder einer
Kombination von Gasen, wie Natrium oder Argon, gefüllt ist.
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Die Außenwand 61 der Lampe 59 kann mit einer reflektierenden Oberfläche,
z. B. aus Magnesiumoxyd, versehen sein, um Licht zurückzuhalten, während die Innenwand
62 der Lampe 59 und die Wand des Hohlraums 58 vorzugsweise für die gewünschten Spektralkomponenten
des von der Lampe erzeugten Lichts gut durchlässig ist.
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Die Wand 62 kann aus einem Material bestehen, das erwünschtenfalls
als optisches Filter dient, wodurch gewisse unerwünschte Komponenten des Lichts
der Lampe 59 ausgeschieden werden können. Die Lampe 59 kann ebenfalls mit einem
Vorratsbehälter 63, einer Heizeinrichtung 64 und einem Temperaturregler 65 in ähnlicher
Weise wie das Gefäß 51 versehen sein, so daß der Druck in der Entladungslampe unabhängig
mit Hilfe des Temperaturreglers 65 geregelt werden kann. Es ist zu erkennen, daß
der Ofen 57 auch den Innenraum der Entladungslampe 59 auf einer höheren Temperatur
hält, als der Temperatur des Vorratsbehälters 63 entspricht.
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Die Lampe 59 ist mit Elektroden 66 versehen, die von einer Energiequelle
67 über Leitungen 68 gespeist werden. Die Art der elektrischen Anregung der Lampe
59 kann so gewählt werden, daß die besten Ergebnisse bei einer speziellen Verwendung
erzielt werden. Zum Beispiel kann eine Anregung durch
Gleichstrom,
Wechselstrom oder Hochfrequenz erfolgen.
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Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß es wünschenswert ist, eine
Einrichtung vorzusehen, um die Lichtenergie in dem Hohlraum zu begrenzen und zurückzuhalten,
damit eine Anzahl von Emissionen von Lichtenergie angeregt werden und die Intensität
des Lichts erhöht, wodurch sich eine Verstärkung in etwa analoger Weise wie bei
einer Elektronenvervielfacherröhre auf Grund des Lawineneffekts ergibt.
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Die Einrichtung gemäß F i g. 3 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen
nicht resonierenden Lichtverstärker in F i g. 2 darin, daß die Reflektoren spiegelnd
und nicht diffus reflektieren wie im Falle des nicht resonierenden Hohlraums.
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Die Reflektoren in dem Gefäß 51 enthalten Prismen 69 und 71. In dem
Hohlraum 58 können Spiegel als Reflektoren verwendet werden, aber in vielen Fällen
sind Prismen den Spiegeln infolge der hohen Anforderungen, die an ihre gute ebene
und parallele Ausbildung gestellt werden müssen, vorzuziehen.
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Deshalb ist die Verwendung von Prismen ein Merkmal der Erfindung von
großer praktischer Bedeutung. Die Querschnitte der Prismen 69 und 71 sind gemäß
der Figur rechtwinklige Dreiecke. Die Flächen 73 des Prismas 71 verlaufen wie die
Flächen 72 des Prismas 69 (eine der Flächen 72 ist wegen der Lage des Prismas
69 nicht sichtbar) rechtwinklig zueinander. Derartige 90°-Prismen können
mit sehr großer Genauigkeit geschliffen werden. Wenn die Prismen derartig geschliffen
sind, werden Lichtstrahlen, die in die Flächen 75 oder 74 des Prismas 71 bzw. 69
eintreten, bekanntlich fast genau in der Richtung zurückgeworfen, aus der sie herkamen.
Die Reflexion erfolgt innerhalb eines beträchtlichen Bereichs der Einfallswinkel
der Diagonalfläche (z. B. 75 des Prismas 71). Darüber hinaus ist die effektive Weglänge
der Strahlen, die durch die Diagonalfläche , 75 hindurchtreten, praktisch dieselbe
entlang der Oberfläche der Diagonalfläche, obwohl der Winkel, unter dem Strahlen
auf die Diagonalfläche 75 auftreffen, nicht genau 90° beträgt. Die Prismen
69
und 71 sind vorzugsweise so angeordnet, daß ihre , parallelen Kanten gegeneinander
einen Winkel von 90° bilden. Dies bedeutet, daß in F i g. 3 die Kanten des Prismas
69 vertikal verlaufen, während die Kanten des Prismas 71 horizontal verlaufen.
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Wenn deshalb die Diagonalfläche 75 nahezu senkrecht zu der Richtung
der einfallenden Lichtstrahlen verläuft, kann das Prisma 71 um mehrere Grad um eine
horizontale Achse gedreht werden, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt,
ohne daß eine bemerkenswerte Änderung der Richtung der Reflexion erfolgt. Entsprechend
kann das Prisma 69 um mehrere Grad um eine vertikale Achse gedreht werden, ohne
daß eine bemerkenswerte Änderung der Richtung der reflektierten Strahlen erfolgt.
Folglich ist die Lage der beiden Prismen 69 und 71 nicht kritisch im Hinblick auf
eine Rotation um jede der zueinander orthogonalen Achsen, die parallel zu den brechenden
Kanten der Prismen verlaufen. Deshalb können die Prismen 69 und 71, wenn sie innerhalb
der erforderlichen Toleranzgrenzen für die ebene Ausbildung und die Winkellage der
verschiedenen Oberflächen geschliffen sind, in dem Hohlraum 58
ohne besonders
kritische Anforderungen hinsichtlich der Parallelität der Stirnflächen
74 und 75 eingesetzt werden.
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Es gibt verschiedene alternative Möglichkeiten, um den kritischen
Charakter der Winkellage der Reflektoren zu vermindern. Zum Beispiel kann das Prisma
71 durch einen Winkelreflektor mit drei zueinander senkrechten ebenen Oberflächen
(der ebenfalls ein Prisma sein kann) und das Prisma 69 durch einen Planspiegel ersetzt
werden. Der Spiegel kann ein mehrschichtiger Reflektor mit geringem Verlust sein,
der nur Licht der gewünschten Wellenlänge selektiv reflektiert.
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Es ist wahrscheinlich, daß eine Grenze des Wirkungsgrades des Systems
die Toleranzen sind, mit denen ebene optische Oberflächen hergestellt werden können.
Es mag aus praktischen Gründen unmöglich sein, eine Oberfläche mit engeren Toleranzgrenzen
hinsichtlich der ebenen Ausbildung als mit etwa einem Fünfzigstel einer Wellenlänge
herzustellen. Dies begrenzt natürlich den Wirkungsgrad von Resonanzlichtverstärkern
mit Prismen und ebenso von Resonanzlichtverstärkern mit ebenen Spiegeln. Im Falle
der Spiegel wäre es jedoch außerdem notwendig, die Spiegel in betreffenden Enden
des Hohlraums, beispielsweise in einer Ausführungsform, die 30 cm voneinander getrennt
sind, parallel anzuordnen und zu halten, und zwar mit einer Toleranz von etwa einer
fünfzigstel Wellenlänge. Dies kann wahrscheinlich erreicht werden, obwohl dazu selbstverständlich
eine > ganz außerordentliche Präzision und eine kostspielige Arbeitsweise erforderlich
wären. Darüber hinaus wäre die fertige Einrichtung sehr empfindlich gegen Störungen
und Vibrationen aller Arten, einschließlich physikalischer Beschleunigungen, Temperaturänderungen
usw.
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Die Prismen 69 und 71 sind vorzugsweise mit lichtreflektierenden überzögen
auf ihren Stirnflächen 74 und 75 versehen, da an diesen Flächen reflektiertes Licht
normalerweise verlorengeht, da es außer Phase oder etwas falsch gerichtet ist und
sich nicht zu der hauptsächlichen stehenden Welle in dem Hohlraum kohärent addiert.
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Die Flächen 73 des Prismas 71 reflektieren normalerweise praktisch
hundertprozentig. Ein Ausgang aus dem Hohlraum (oder im Falle der Arbeitsweise als
Verstärker auch ein Eingang) kann durch eine oder beide der Flächen 72 des Prismas
69 vorgesehen sein. Die Fläche 72 kann teilweise durchlässig gemacht werden, indem
auf oder nahe der Fläche ein Material aufgebracht wird, das einen Brechungsindex
aufweist, der sich nicht von dem Brechungsindex des Prismas ausreichend unterscheidet,
um eine Totalreflexion auf der Innenseite zu ergeben. Damit kann ein gewünschter
Teil des auf eine oder beide Flächen 72 auftreffenden Lichts zu der Außenseite des
Hohlraums hindurchgelassen werden. Wenn die Einrichtung dagegen als Verstärker verwendet
werden soll, wodurch ein Eingang erforderlich wird, kann derselbe Weg oder ein ähnlicher
Weg als Eingang für den Lichtverstärker verwendet werden.
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Verstärker mit Polarisationswinkelprismen Eine andere Ausführungsform
eines Resonanzlichtverstärkers ist in F i g. 4 dargestellt. Er besitzt ein Hohlraumgefäß
81, das mit einem Arbeitsmedium 82 der bereits beschriebenen Art gefüllt
ist. In dem Gefäß 81 ist ein Prisma 83 vorgesehen. Dieses Prisma besteht aus zwei
Teilen 83 a und 83 b.
Der Teil 83 a des Prismas 83
ist ein dreieckförmiges 90°-Prisma, dessen Dreiecksflächen in F i g. 4 nicht sichtbar
sind. Eine reflektierende Fläche 84 des Prismas 83 ist in F i g. 4 dargestellt.
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Die andere reflektierende Fläche liegt auf der hinteren Seite des
Prismas und ist nicht sichtbar. Die eine Kante der Stirnfläche 85 a des Prismas
83 ist ebenfalls in F i g. 4 dargestellt.
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In der Praxis kann es wünschenswert sein, das Prisma 83 aus einem
massiven Stück aus transparentem Material herzustellen, in welchem Falle keine Fläche
85a, die in der Figur dargestellt ist, vorhanden wäre. Die Gesamtwirkung
wäre jedoch dieselbe.
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Ein zweiter Teil 83 b des Prismas 83 ist ebenfalls als dreieckförmiges
Prisma ausgebildet. In diesem Fall ist eine Dreieckfläche in F i g. 4 sichtbar.
Obwohl der Teil 83 b des Prismas 83 als rechtwinkliges dreieckiges Prisma in F i
g. 4 dargestellt ist, ist es nicht erforderlich, daß die rechtwinklige Ecke des
Prismas genau ausgebildet ist, da dieser Winkel tatsächlich kein rechter Winkel
sein muß.
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Die Stirnfläche 85 b des Prismas 83 ist in einem Winkel zu
der Längsachse des Hohlraums 82 angeordnet, welcher Winkel angenähert gleich dem
Polarisationswinkel (nach dem Gesetz von B r e w s t e r) des Prismas 83 ist. Der
Polarisationswinkel ist derjenige Winkel, bei dem eine parallel zur Einfallsebene
polarisierte Welle vollständig durchgelassen wird (ohne Reflexion) und eine rechtwinklig
zu der Einfallsebene polarisierte Welle praktisch total reflektiert wird.
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Das Prisma 83 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß auf die Fläche
85 b unter dem Polarisationswinkel (angedeutet durch den Winkel O,, in F
i g. 4) auf die Fläche 85 b einfallende Strahlen so gebrochen werden, daß
sie etwa senkrecht zu der Fläche 85 des Prismas 83a verlaufen (oder falls die Teile
83a und 83 b aus einem einheitlichen Stück transparenten Materials bestehen, zu
der Ebene, die diese Teile trennt).
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Ein zweites Prisma 86 befindet sich am anderen Ende des Hohlraums
82. Das Prisma 86 ist ein rechtwinkliges dreieckförmiges Prisma, das so angeordnet
ist, daß eine dreieckige Fläche in F i g. 4 sichtbar ist. Die Kanten der drei Prismenflächen
86 sind in F i g. 4 sichtbar. Es sind diejenigen der reflektierenden Flächen
87a und 87b und der Stirnfläche 88.
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Die Stirnfläche 88 ist ebenfalls unter einem Winkel zu der Längsachse
des Hohlraums 82 angeordnet, der gleich dem Polarisationswinkel für das Material
ist, aus dem das Prisma 86 hergestellt ist. Dieser Winkel ist durch Q, angedeutet.
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Das Prisma 86 ist vorzugsweise so geschnitten, daß auf die Fläche
88 mit dem Polarisationswinkel auffallende Lichtstrahlen so gebrochen werden, daß
sie auf die reflektierenden Flächen 87a und 87b mit einem Winkel von etwa
45° auftreffen.
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Auf Grund des Einfallswinkels der Strahlen auf die Flächen 85 b und
88 des Prismas 83 bzw. 86 in F i g. 4 dient das optische System in F i g. 4 nicht
nur dazu, einen geschlossenen Weg für Lichtstrahlen zu ergeben, sondern auch um
das Licht zurückzuwerfen, das eine andere als eine bestimmte Polarisation aufweist.
Gleichzeitig wird das Problem einer Teilreflexion des Lichts von der Stirnfläche
des Prismas praktisch durch die Orientierung dieser Flächen ausgeschaltet. Ein Fenster
89 ist in dem Hohlraumgefäß 81 vorgesehen, um Licht durchzulassen, das von der Stirnfläche
88 des Prismas 86 reflektiert wird. Aus der obigen Erklärung geht hervor, daß normalerweise
keine Reflexion von im Hohlraum erzeugtem Licht von der Fläche 88 erfolgt, da sich
ein geschlossener Weg (und Verstärkung) nur für Licht bestimmter Polarisation ergibt
und dieses Licht vollständig durch die Fläche 88 hindurchgelassen wird. Um jedoch
einen Ausgang aus dem Hohlraum 82 vorzusehen, kann die Fläche 88 beispielsweise
durch den Zusatz eines überzugs teilweise reflektierend gemacht werden. Ein Ausgang
kann auch dadurch vorgesehen werden, daß das Prisma 86 mit einem Winkel eingesetzt
wird, der sich etwas von dem Polarisationswinkel unterscheidet und dadurch eine
geringe Reflexion des polarisierten Lichts verursacht, das im Hohlraum 82 erzeugt
wird. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, das Reflexionsvermögen der Fläche
88 zu steuern, wodurch neben anderen Effekten das Ausgangssignal des Hohlraums 82
gesteuert würde. Dies kann durch eine drehbare Befestigung des Prismas 86 erreicht
werden, so daß der Einfallwinkel der Strahlen mit der Stirnfläche 88 dlrrh Drehen
des Prismas 86 um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene gesteuert werden kann.
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Aus der vorangegangenen Erläuterung geht hervor, daß F i g. 4 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines optischen Systems darstellt, das in der lichtverstärkenden
Einrichtung gemäß F i g. 3 oder anderen Resonanzlichtverstärkern verwendet werden
kann und das den Vorteil einer praktischen Ausschaltung ungewünschter Reflexion
von der Stirnfläche des Prismas ergibt und gleichzeitig ein polarisiertes Ausgangssignal
liefert, das durch eine Filterwirkung innerhalb des Hohlraums 82 erhalten wird.
Eine derartige Filterwirkung innerhalb des geschlossenen Wegs innerhalb des Hohlraums
wird einer Filterung des Ausgangssignals des Lichtverstärkers auf Grund der Tatsache
vorgezogen, daß der etwa 50°/oige Leistungsverlust, der sich durch eine Polarisation
außerhalb ergibt, praktisch vermieden wird. Das optische System gemäß F i g. 4 ermöglicht
ferner, das Reflexionsvermögen der Fläche 88 ständig zu steuern und damit das Ausgangssignal
des Lichtverstärkers.
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Neben der vorteilhaften Verwendbarkeit in Resonanzlichtverstärkern
kann das optische System gemäß F i g. 4 vorteilhaft für andere Anwendungszwecke
verwendet werden, wenn ein Lichtresonator wie z. B. bei einem Fabry-Perot-Interferorneter
benutzt wird. Resonanzlichtverstärker mit innerer Entladung Das Verfahren zur Anregung
der Atome innerhalb des Hohlraums kann auf Resonanzlichtverstärker angewandt werden,
wie in F i ,g. 5 dargestellt ist. Ein längliches Hohlraumgefäß 121 ist vorgesehen,
das verschlossene Enden 122 und 123 aufweist. Zweckmäßigerweise ist zumindest eines
der Enden, wie beispielsweise 1.23, lichtdurchlässig für Licht der Frequenz, für
die der Verstärker entworfen ist. Im Falle des Hohlraums 124 müssen die Seitenwände
nicht durchsichtig sein wie bei den oben beschriebenen Hohlräumen, weil hier nicht
die Notwendigkeit besteht, Lichtenergie durch die Wände durchzuführen, da andere
Einrichtungen zur Anregung verwendet werden.
Der Innenraum 124 des
Hohlraumgefäßes 121 ist mit einer gasförmigen Atmosphäre gefüllt, die von einem
Vorratsbehälter 125 zugeführt werden kann, der über eine von einem Temperaturregler
127 geregelten Heizspule geheizt wird. Wie bereits im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen
der Einrichtung beschrieben wurde, gewährleistet das Zusammenwirken aller Teile
125,127 zusammen mit dem Ofen 130 mit regelbarer Temperatur, der den Hohlraum 121
umgibt, daß der Druck des Mediums in dem Hohlraum auf einem geeigneten Wert gehalten
wird.
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Vorzugsweise ist der Innenraum 124 mit einer gasförmigen Atmosphäre
gefüllt, die eine Mischung aus Natrium und Quecksilber enthält, oder mit einer anderen
Mischung von Elementen, mit deren Hilfe der Wirkungsgrad der Anregung der beeinflußten
Atome auf ein gewünschtes Energieniveau mit Hilfe von Zusammenstößen der zweiten
Art begünstigt wird. Die allgemeine Theorie, nach der eine vorteilhafte Besetzungsverteilung
der Energieniveaus eines Elements durch Zusammenstöße der zweiten Art mit einem
anderen Element erzeugt werden kann, wurde bereits erwähnt und soll hier nicht wiederholt
werden. Das optische System der Einrichtung in F i g. 5 ist ähnlich dem bereits
beschriebenen, indem es zwei Prismen 131 und 134 mit rechtwinklig zueinander verlaufenden
Kathetenflächen 132 bzw. 135 sowie parallele Stirnflächen 133 und 136 besitzt, wobei
die brechenden Kanten zueinander stehen. Wie bereits erwähnt wurde, sind die Stirnflächen
133 und 136 vorzugsweise mit einem Überzug zur Verminderung der Reflexion überzogen,
so daß praktisch die gesamte Reflexion durch innere Reflexion von den Flächen 132
und 135 erfolgt.
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Mindestens eine der Flächen 135 kann mit einem Überzug eines Mediums
versehen sein, das einen Brechungsindex zwischen dem des Prismas 134 und der Atmosphäre
besitzt, in der es angeordnet ist, wodurch eine Totalreflexion an der Fläche 135
vermieden und ein Durchtritt des im Hohlraum 121 erzeugten Lichts durch das Prisma
134 ermöglicht wird. Es ist nun zu erkennen, daß durch das Prisma 134 hindurchtretendes
Licht in verschiedene Bündel durch Reflexion und Brechung aufgeteilt werden kann.
In einigen Fällen kann dies wünschenswert sein. Falls es jedoch erwünscht ist, praktisch
das gesamte Ausgangsbündel in eine Richtung zu führen, können zusätzliche Prismen
vorgesehen werden, um die verschiedenen Ausgangsbündel durch Reflexion oder Brechung
zu vereinigen und praktisch in die gleiche Richtung zu führen.
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Ein optisches Filter 137 kann in den Lichtweg zwischen den Prismen
131 und 134 gebracht werden, um Licht einer anderen Frequenz als der für die Arbeitsweise
des Lichtverstärkers ausgewählten auszuscheiden. Insbesondere, wenn ein derartiger
Verstärker als Oszillator betrieben wird, kann ein atomarer Übergang höherer Wahrscheinlichkeit
als derjenige vorliegen, der die gewünschte Lichtfrequenz erzeugt. Ein derartiger
Übergang würde eine Schwingung bei niedrigerer Eingangsleistung als der für die
gewünschte Schwingung erforderlichen erzeugen. Derartige parasitische Schwingungen
müssen unterdrückt werden. Im allgemeinen treten, mit Ausnahme von Übergängen, Schwingungen
in verschiedenen Schwingungsformen gleichzeitig nicht auf und wären in jedem Fall
unerwünscht. Folglich kann es wünsehenswert sein, ein optisches Filter, wie beispielsweise
137, in dem Hohlraum 124 anzubringen, wodurch mit Ausnahme der gewünschten Frequenz
des Lichts die Verstärkung für alle Frequenzen unter den Punkt vermindert wird,
der für die Aufrechterhaltung einer Schwingung erforderlich ist.
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Eine andere und verschiedenartige V. ng für ein Filter (wie das Filter
137 im Gefäß 121, das in F i g. 5 dargestellt ist) erfolgt zum Zwecke der Herstellung
polarisierten Lichts am Ausgang des Lichtverstärkers. Offensichtlich ist die Einführung
eines Polarisationsfilters in den geschlossenen Weg in der lichtverstärkenden Einrichtung
mit dem Auftreten von Verlusten für Licht mit Ausnahme derjenigen Polarität verbunden,
für die das Filter durchlässig ist. Diese Verluste verhindern weitgehend die Verstärkung
anderen Lichts als des der gewünschten Polarität, und in einem Oszillator wird die
Erzeugung sich selbst aufrechterhaltender Schwingungen mit Ausnahme von Licht der
gewünschten Polarität verhindert.
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Es ist zu erkennen, daß in der Einrichtung in F i g. 5 keine getrennte
Gasentladungslampe vorgesehen ist, um eine Lichtanregung des Mediums in dem Hohlraum
zu verursachen. Statt dessen wird eine Entladung direkt in dem Gefäß 121 mit Hilfe
von Elektroden 127 erzeugt, die mit einer Energiequelle 128 über Leitungen 129 verbunden
sind.
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Elektroden 127 in F i g. 5 sind innerhalb des Gefäßes 121 angeordnet
und können gespeist werden, um entweder eine Gleichstrom- oder Niederfrequenzentladung
zu ergeben. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die Elektroden in dem Hohlraum angeordnet
sind, um eine Entladung in dem Hohlraum zu erzeugen. Zum Beispiel können Elektroden
außerhalb des Hohlraums verwendet werden, die durch Aluminiumfolien od. dgl. gebildet
sind, um eine hochfrequente elektrische Entladung in dem Hohlraum 121 zu bewirken.
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Die hier beschriebenen optischen Sender oder Verstärker können für
Übertragungssysteme, für die Frequenz- oder Zeitmessung sowie für Interferometer
verwendet werden. Andere Anwendungsmöglichkeiten, von denen es eine Vielzahl gibt,
sind beispielsweise im Zusammenhang mit Fernsehprojektionen, Präzisionsmessungen
von Längen und Geschwindigkeiten, Bestrahlungen, Steuersystemen, Photographie mit
hoher Geschwindigkeit, Heizeinrichtungen usw. Optischer Sender oder Verstärker zur
Erzeugung kurzer, kräftiger Impulse Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
eines optischen Senders oder Verstärkers sollen kurze Lichtimpulse erzeugt werden.
Derartige Impulse besitzen im allgemeinen die Eigenschaften der Ausgangssignale
der zuvor beschriebenen Resonanzlichtverstärker, nämlich schmale Frequenzbandbreite;
nahezu in einer Ebene liegende Wellenformen usw. Zusätzlich wird die Energie der
kurzen Impulse in einer sehr kurzen Zeit konzentriert. Diese Zeitspanne kann kürzer
als 10-8 Sekunden sein. Die Länge des Impulses kann natürlich länger sein und kann
gesteuert werden, genau wie die Gestalt des Impulses bis zu einem gewissen Ausmaß,
was im folgenden noch näher erläutert werden soll. Die Intensität des Impulses ist
beträchtlich höher als die Lichtintensität, die mit vergleichbaren Einrichtungen
bei
stetiger Arbeitsweise erreichbar ist. Es können entweder Lichtverstärker verwendet
werden, die resonieren oder nicht resonieren, bei denen ein Impulsbetrieb einfach
dadurch erfolgt, daß die Quelle der Anregungsenergie gepulst wird, wie z. B. die
Anregrm - durch Licht oder eine elektrische Entladung.
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des Impulsbetriebs wird jedoch nicht der ganze Vorteil des Impulsbetriebs
erreicht. Es wird vorgezogen, daß das Arbeitsmedium des Lichtverstärkers ständig
aktiviert wird, so daß unter geeigneten Bedingungen eine sich aufrechterhaltende
Schwingung erzeugt wird. Unter sich aufrechterhaltenden Schwingungen ist zu verstehen,
daß eine erneute Erzeugung stattfinden kann, durch die eine sich selbst aufrechterhaltende
Schwingung erzeugt werden könnte, wenn auch nur für eine sehr kurze Zeitspanne.
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Das in einem derartigen Zustand befindliche Arbeitsmedium enthält
einen wesentlichen Energiebetrag auf Grund der Anwesenheit von Atomen, Ionen oder
Molekülen in höhere . Energiezuständen, die in einen niedrigeren Energiezustand
unter Aussendung einer elektromagnetischen Strahlung entsprechender Frequenz übergehen
können. Dies° gespeicherte Energie kann in einer kruzen Zeitspanne freigegeben werden
und ist viel größer als der verhältnismäßig kleine Energiebetrag, der dem Arbeitsmedium
durch die anregende Energiequelle während einer gleich kurzen Zeitspanne zugeführt
werden könnte (wie bei der normalen kontinuierlichen Arbeitsweise).
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Verschiedene Mechanismen können verwendet werden, um einen Resonanzlichtverstärker
zur Erzielung eines derartigen Impulsbetriebs zu steuern.
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Ein derartiger Weg zur Erzielung eines Impulsbetriebs besteht darin,
die wirksame Anzahl von überschüssig angeregten Atomen mit Hilfe des Zeeman- oder
Stark-Effekts zu ändern. Dies kann durch Erzeugung einer plötzlichen Änderung des
magnetischen bzw. elektrischen Feldes bewirkt werden.
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Ein Impulsbetrieb kann ebenso durch plötzliche Änderung der Resonanzfrequenz
des Arbeitsmediums durch den Zeeman- oder Stark-Effekt erreicht werden (beispielsweise
durch Änderung des magnetischen oder elektrischen Feldes in dem Hohlraum).
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Ein Impulsbetrieb kann auch durch die Verwendung eines Verschlußmechanismus
erreicht werden, vorzugsweise durch eine elektronische Anordnung, wie eine Keazelle,
um das Licht in dem geschlossenen Weg des Resonanzlichtverstärkers wirkungsvoll
zu dämpfen, so daß die Verluste groß genug sind, um eine sich selbst aufrechterhaltende
Schwingung für gewisse Zustände des Verschlusses zu verhindern.
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Es ist bemerkenswert, daß dieselben oben aufgeführten Effekte zur
Herbeiführung eines Impulsbetriebs verwendet werden können, um schnell die Verstärkung
eines Lichtverstärkers zu ändern, der als Verstärker verwendet wird. In dem nichtlinearen
Bereich des Betriebs würden Harmonische der Modulationsfrequenz erzeugt.
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Geeignete Einrichtungen zum Pulsen eines Lichtverstärkers, um kurze
Impulse mit Hilfe des Zeeman-Effekts herzustellen, können vorgesehen werden, indem
ein Resonanzlichtverstärker zwischen zwei Helmholz-Spulen gebracht wird. Ein magnetisches
Feld kann dann durch den Resonanzlichtverstärker erzeugt werden, der so gesteuert
werden kann, daß er in einer Zeit von etwa 10-$ Sekunden auf Null reduziert werden
kann. Natürlich können auch magnetische Felder mit sich schnell ändernder Feldstärke
durch andere Einrichtungen, wie Mikrowellenleiter oder Hohlraumresonatoren, erzeugt
werden.
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Der Zeeman- oder Stark-Effekt kann benutzt werden, um kurze Impulse
in anderer Weise zu erzeugen, indem das Umkippen der Resonanzfrequenz des Arbeitsmediums
ausgenutzt wird, was durch Änderung des magnetischen oder des elektrischen Feldes
verursacht werden kann.
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Eine andere und besonders einfache und wirkungsvolle Einrichtung zum
Erzeugen kurzer Impulse in einem Resonanzlichtverstärker ist in der F i g. 6 dargestellt.
F i g. 6 zeigt einen Resonanzlichtverstärker, der ein Hüllgefäß 401 aufweist, dessen
Innenraum 402 mit einem geeigneten der obenerwähnten Arbeitsmedien gefüllt ist.
In F i g. 6 sind zur Vereinfachung der Darstellung die Anregungseinrichtung und
der Vorratsbehälter weggelassen. In der Hülle 401 ist ein Prisma
403 vorgesehen, das ähnlich zu dem in F i g. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel
ausgebildet und dort beschrieben ist. Ein Fenster 404
befindet sich am gegenüberliegenden
Ende der Hülle 401. Ein anderes ähnliches reflektierendes Prisma 405 ist vorge@2hen
und in der Einrichtung in F i g. 6 außerhalb des Hüllgefäßes 401 dargestellt. Die
reflektierenden Prismen 403 und 405 können wahlweise entweder beide in dem Hüllgefäß
oder beide außerhalb des Hüllgefäßes vorgesehen sein.
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Wie im Zusammenhang mit F i g. 4 eingehend erläutert wurde, sind die
Prismen 465 und 403 so angeordnet, daß durch die Pfeile 408 gekennzeichnete auffallende
Lichtstrahlen auf betreffende der Flächen 406 und 407 unter oder nahe dem Polarisationswinkel
des Prismas und seiner Umgebung auffallen. Bei dieser Anordnung wird Licht einer
bestimmten Polarität durchgelassen und innen im Prisma reflektiert, während Licht
einer anderen Polarität teilweise außen an der betreffenden der Flächen 406 und
407 reflektiert wird. Damit ergibt sich nur für das Licht einer besonderen Polarität
ein geschlossener Weg mit niedrigen Verlusten.
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Die Einrichtung gemäß F i g. 6 unterscheidet sich in ihrer Wirkungsweise
von der Einrichtung gemäß F i g. 4 darin, daß eine Kerrzelle 411 in dem geschlossenen
Lichtweg angeordnet ist, so daß alles Licht, das entlang dem geschlossenen Weg verläuft,
durch die Kerrzelle 411 hindurchtritt.
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Die Kerrzelle wird von einem Impulsgenerator und einem Zeitgeber 412
elektrisch gespeist. Die Kerrzelle steuert also die Impulse des austretenden Lichts,
und folglich sind der Impulsgenerator und Zeitgeber so ausgebildet, daß Impulse
geeigneter Dauer erzeugt werden und zu der gewünschten Zeit auftreten, so daß sich
Lichtimpulse entsprechend der bei einem speziellen Verwendungszweck gewünschten
Eigenschaft ergeben.
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Die Konstruktion einer Kerrzelle ist gut bekannt und soll deshalb
nicht im einzelnen erläutert werden. Es sei lediglich erwähnt, daß eine Ausführungsform
einer Kerrzelle aus einer Anzahl leitender Platten (vorzugsweise um 45° gegen die
Zeichenebene in F i g. 6 geneigt) besteht, die über Leiter 413 mit einer elektrischen
Spannungsquelle, wie dem Impulsgenerator und Zeitgeber 412, verbunden sind. Die
Abstände
zwischen den leitenden Platten 414 sind durch ein dielektrisches
(gewöhnlich flüssiges) Material ausgefüllt, so daß eine Aufladung der Platten 414,
um ein elektrisches Feld in dem Dielektrikum zu erzeugen, auf Grund des bekannten
Kerr-Effekts eine Änderung der Polarisation einer eben polarisierten Welle verursacht,
die durch die Kerrzelle hindurchtritt.
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Prismen 415 sind an den Enden der Kerrzelle 411 vorgesehen, so daß
die durch die Pfeile 408 gekennzeichneten Lichtstrahlen in die Keazelle unter einem
Winkel eintreten, der praktisch gleich dem Polarisationswinkel der Außen- und Innenflächen
des Prismas 415 ist. Dadurch wird eine Reflexion von den Flächen des Prismas
415 herabgesetzt und so der Lichtverlust auf Grund der Einführung der Kerrzelle
in das System vermindert.
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Da ein nahezu urigedämpfter geschlossener Weg für Licht einer besonderen
Polarität gemäß F i g. 6 gegeben ist und da Licht einer anderen Polarität teilweise
aus dem geschlossenen Weg reflektiert wird, verursacht die Erregung der Kerrzelle,
um eine Änderung der Polarisation des hindurchtretenden Lichts zu bewirken, einen
beträchtlichen Verlust von Lichtenergie entlang dem geschlossenen Weg auf Grund
von Reflexion von den Oberflächen 406 und 407 der Prismen 403 und 405. Die Polarisation
kann von der Kerrzelle in verschiedener Weise geändert werden. Es kann eine Änderung
zu einer zirkularen Polarisation oder eine Änderung zu einem neuen Polarisationswinkel
erfolgen, der um 90° gegenüber dem ursprünglichen gedreht ist, oder eine sonstige
Änderung erfolgen. Jede Änderung der Polarisation ergibt eine Dämpfung der Lichtstrahlen.
Die maximale Dämpfung ergibt sich bei einer Änderung des ebenen Polarisationswinkels
um 90°.
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Wenn die Kerrzelle 411 erregt wird, verhindern deshalb Energieverluste
des Resonanzlichtverstärkers den Aufbau einer Schwingung, obwohl eine überschüssige
Besetzung in einem höheren Energiezustand besteht, von dem eine sich selbst aufrechterhaltende
angeregte Emission auf Grund von Übergängen von einem niedrigeren Energiezustand
auftreten würde, wenn die Bedingungen der Energieerhaltung in dem System nahe einem
Maximum lägen. Wenn also die Kerrzelle unter diesen Bedingungen plötzlich abgeschaltet
wird, um die Verlustrate der Energie zu vermindern, wird die durch die höhere Besetzung
des oberen Energiezustands gegebene Energie schnell durch regenerative angeregte
Emission verbraucht, wodurch ein Lichtimpuls in dem Resonanzlichtverstärker erzeugt
wird.
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Wie im Falle der Einrichtung gemäß F i g. 4 kann ein Ausgangssignal
von dem Lichtverstärker gemäß F i g. 6 erhalten werden, indem die Oberfläche 407
; des Prismas 405 teilweise reflektierend gemacht wird. Dies kann durch Aufbringen
eines teilweise reflektierenden Überzugs oder wahlweise durch Drehen des Prismas
405 um eine Achse senkrecht zu der Zeichenebene erreicht werden, so daß die durch
die Pfeile 408 gekennzeichneten Strahlen nicht genau unter dem Polarisationswinkel
auffallen, sondern um einen etwas davon verschiedenen Winkel, was zu einer teilweisen
Reflexion von der Oberfläche 407 des Prismas 405 und zur Erzeugung von durch Pfeile
409 gekennzeichneten Strahlen am Ausgang führt.
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Die in F i g. 6 gezeigte und oben beschriebene Einrichturig ist besonders
deshalb vorteilhaft, weil die Kerrzelle in so kurzen Zeitspannen wie 10-s Sekunden
betrieben werden kann.
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Es ist übrigens zu beachten, daß die Einrichtung gemäß F i g. 6 durch
Ersetzen des Impulsgenerators 412 durch eine geeignete Modulationsschaltung
zur Verwendung als sehr guter Modulator für einen Resonanzlichtverstärker geeignet
ist, der entweder als Oszillator oder als Verstärker verwendet werden kann. Deshalb
kann die Einrichtung gemäß F i g. 6 in etwas abgewandelter Form als Oszillator in
einem Sender eines Übertragungssystems verwendet werden. Nicht reflektierender und
nicht resonierender Lichtverstärker In den obigen Ausführungen wurden gepulste Lichtverstärker
beschrieben, bei denen ein geschlossener Lichtweg durch Reflektoren gegeben war
und der Verstärker in grundsätzlich derselben Weise betrieben wurde, mit der Ausnahme,
daß ein kurzzeitiger Impulsbetrieb z. B. mit der Kerrzelle gemäß F i g. 6 verursacht
wurde.
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Bei der vorher beschriebenen Arbeitsweise von lichtverstärkenden Einrichtungen
addierte sich die angeregte Emission kohärent zu der induzierenden Strahlung. Mit
Ausnahme der Brechungseffekte wird ein durch einen aktivierenden Lichtverstärker
laufender Wellenzug linear verstärkt, solange die Dichte der angeregten Atome (oder
Ionen oder Moleküle) praktisch urigeändert bleibt, und vorausgesetzt, daß der Übergang
nicht »leistungsverbreitert« ist. Bei einem Betrieb außerhalb der obigen Grenzen
treten verschiedene Effekte auf (z. B. nichtlineare Verstärkung). Eine diese Effekte
ausnutzende Einrichtung ergibt Möglichkeiten, die über diejenigen der bereits beschriebenen
lichtverstärkenden Einrichtungen hinausgehen.
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Eine Einrichtung zum Erzeugen von Lichtimpulsen durch Ausnutzung der
Lichtverstärkung in einem Lichtverstärker mit nicht reflektierenden Wänden ist in
F i g. 7 gezeigt. Ein gepulster Resonanzlichtverstärker ist schematisch durch den
Block 421 angedeutet. Dieser Verstärker kann gemäß oben beschriebenen Grundsätzen
ausgeführt sein, z. B. entsprechend F i g. 6 und gemäß der im Zusammenhang damit
gegebenen Beschreibung.
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Der gepulste Resonanzlichtverstärker 421 wird durch einen Impulsgenerator
und eine Zeitgeberschaltung 422 gesteuert, wie im Zusammenhang mit F i g. 6 bereits
erläutert wurde.
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Das Ausgangssignal des gepulsten Resonanzlichtverstärkers 421 besteht
aus Lichtimpulsen, die durch Pfeile 423 angedeutet sind. Diese Lichtimpulse werden
in einer gewünschten Richtung weitergeleitet, z. B. durch die Linse 424.
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Um den Verstärkungseffekt eines nicht refektierenden, nicht resonierenden
Lichtverstärkers nach der Erfindung weitgehend auszunutzen, kann es erwünscht sein,
für den nicht reflektierenden Verstärker Lichtimpulse mit einer Anstiegszeit vorzusehen,
die so kurz wie möglich ist. Sonst würde ein Teil der in dem nicht reflektierenden
Verstärker gespeicherten Energie für eine Verstärkung der Vorderflanke des Eingangsimpulses
mit niedriger Intensität aufgewandt werden.
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Deshalb ist in F i g. 7 eine Verschlußanordnung mit sehr hoher Verschlußgeschwindigkeit
dargestellt, um einen Ausgangsimpuls mit sehr kurzer Anstiegszeit
zu
erhalten. Während die Anstiegszeit des gepulsten Resonanzlichtverstärkers
421 etwa 10-s Sekunden betragen kann, kann der. Verschluß 425 so ausgebildet
sein, daß sich für das Ausgangssignal eine Anstiegszeit von größenordnungsmäßig
10-11 Sekunden ergibt.
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Der Verschluß 425 enthält einen Spiegel 426, der sehr
schnell um eine Achse 427 gedreht wird. Ein undurchsichtiges Glied
428 ist vorgesehen, das einen schmalen Spalt 430 aufweist. Bei der
in F i g. 13 gezeigten Lage des Spiegels 426 werden die Strahlen
423 des gepulsten Resonanzlichtverstärkers 421 auf den Spalt
430 fokussiert und treten deshalb durch das undurchsichtige Glied
423 hindurch: Wenn der Spiegel 426 rotiert, werden die Strahlen von dem Verstärker
421 über das -undurchsichtige Glied 428
geführt und treten periodisch
während sehr kurzer Zeitspannen durch den Spalt 430 hindurch.
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Die Breite des Spalts 430 wird vorzugsweise gleich der Breite
der Fraunhoferschen Linienverteilung des Lichtbündels an dem -betreffenden Punkt
gewählt. Die Breite der Fraunhoferschen Linienverteilung wird größer, wenn der Abstand
des undurchsichtigen Glieds 428 von dem Spiegel 426 erhöht wird. Dieser
Abstand kann in irgendeiner zweckmäßigen Größe gewählt werden, und erwünschtenfalls
kann der Weg der Lichtstrahlen 423 durch Verwendung von Spiegeln od. dgl.
umgelenkt werden, um eine handliche Größe der Verschlußeinrichtung zu ermöglichen.
Wenn z. B. das undurchsichtige Glied in einem Abstand von 10 Metern vorgesehen wird,
beträgt die Breite der Fraunhoferschen Linienverteilung etwa 1ho Millimeter. Die
Herstellung eines Spalts dieser Breite in dem undurchsichtigen Material
428 bereitet keine Schwierigkeiten.
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Der Spiegel 426 wird vorzugsweise mit sehr hohen Umdrehungszahlen,
gedreht, damit sich hinter dem Verschluß 425 ein Impuls mit einer sehr kurzen
Anstiegszeit ergibt. Wenn die Geschwindigkeit auf 101; Radiant pro Stunde erhöht
werden kann, kann ein Impuls von etwa 10-11 Sekunden erhalten werden. Bekannte Verfahren
zur Erzielung hoher Rotationsgeschwindigkeiten können für die Konstruktion des schnell
rotierenden Spiegels 426 ausgenutzt werden. Zum Beispiel kann der Spiegel
ein kleiner metallischer Zylinder mit ebenen Schliffen sein und in einer evakuierten
Hülle vorgesehen und mit einer praktisch reibungslosen Lagerung versehen sein. Erwünschtenfalls
kann eine magnetische Lagerung verwendet werden. Der Spiegel kann durch ein rotierendes
Magnetfeld in eine hohe Rotationsgeschwindigkeit versetzt werden.
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Es ist ersichtlich, daß die unter Bezug auf F i g. 7 beschriebene
spezielle Verschlußeinrichtung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt, mit
der eine sehr kurze Anstiegszeit für die Ausgangsimpulse des Verschlusses erreicht
werden kann. Die Arbeitsweise des nicht resonierenden, nicht reflektierenden Lichtverstärkers
gemäß F i g. 7 ist nicht auf die Verwendung mit Verschlüssen mit derartig hohen
Verschlußgeschwindigkeiten beschränkt. In vielen Fällen kann ein langsamerer und
verhältnismäßig einfacherer Verschluß wie eine Kerrzelle verwendet werden, um einen
Lichtimpuls für den nicht reflektierenden Verstärker zu liefern. Obwahl ein Resonanzlichtverstärker
eine zweckmäßige Lichtquelle zum Pulsen des nichtlinearen Lichtverstärkerrohres
darstellt, kann ferner irgendeine andere Lichtquelle mit geeigneter Frequenz verwendet
werden, wenn eine Steuerung zur Abgabe von Lichtimpulsen geeignet kurzer Dauer erfolgt.
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Das Licht vom Verschluß 425 wird beispielsweise durch eine
Linse 429 auf ein nicht reflektierendes Verstärkerrohr 431 gerichtet.
Das Verstärkerrohr 431 besitzt ein Hüllgefäß 432 mit einem Eingangsfenster
433 und einem Ausgangsfenster 434. Der Innenraum 435 des nicht
reflektierenden Lichtverstärkerrohres ist mit einem geeigneten Arbeitsmedium gefüllt.
Bei Verwendung in Verbindung mit einem gepulsten Resonanzlichtverstärker
421 ist das Arbeitsmedium des nicht reflektierenden Lichtverstärkers
431 normalerweise dasselbe wie bei dem gepulsten Resonanzlichtverstärker
421. In jedem Fall wird für das Verstärkerrohr 431 ein Arbeitsmedium
verwendet, das von dem durch das Eingangsfenster 433 zugeführten anregenden
Licht angeregt wird.
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Das Ausgangssignal des nicht reflektierenden Lichtverstärkerrohres
431 tritt durch das Ausgangsfenster 434 aus.
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Der nicht resonierende, nicht reflektierende Lichtverstärker gemäß
F i g. 7 arbeitet in folgender Weise: Die Arbeitsweise des gepulsten Resonanzlichtverstärkers
421 und des Verschlusses 415 wurde bereits erläutert. Es ist zu beachten,
daß der Verschluß 425 mit dem Impuls des gepulsten Resonanzlichtverstärkers
421 synchronisiert sein sollte, so daß der offene Zustand des Verschlusses
425 so nahe wie möglich der maximalen Intensität des Lichtimpulses von dem
gepulsten Resonanzlichtverstärker 421 auftritt. Dies wird durch den Impulsgenerator
und Zeitgeber 422 bewirkt.
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Lichtimpulse von dem Verschluß 425 treten durch die Linse
429 hindurch, wo sie gesammelt werden. Die fokussierten Lichtimpulse treten
in den nicht reflektierenden Lichtverstärker 431 durch das Eingangsfenster
433 ein. In F i g. 7 ist die Anregungseinrichtung für den nicht reflektierenden
Lichtverstärker 431 der Einfachheit halber weggelassen. Es ist zu beachten,
daß das Arbeitsmedium in dem Innenraum 435 des Verstärkerrohres
431 so angeregt wird, daß sich eine überschüssige Besetzung von Atomen, Ionen
oder Molekülen in einem oberen von zwei Energiezuständen ergibt, die um die Frequenz
des anregenden Lichts von dem gepulsten Resonanzlichtverstärker 421 auseinander
liegen. Die Aktivierungsenergie des Arbeitsmediums des Lichtverstärkerrollres
431 kann von durch die Wand 432
zugeführter Lichtenergie durch eine
innere Entladung oder durch irgendeine andere oben beschriebene Einrichtung erfolgen.
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Es ist zu beachten, daß reflektierende Einrichtungen nicht in dem
Lichtverstärkerrohr 431 vorhanden sind, wie dies bei bisher beschriebenen
Lichtverstärkern der Fall war. Folglich werden in dem Lichtverstärkerrohr 431 emittierte
Photoneu normalerweise nicht reflektiert, um den Innenraum 435 des Lichtverstärkerrohres
431 erneut zu durchsetzen. Deshalb durchsetzt ein emittiertes Photon gewöhnlich
weniger als die Länge der Lichtverst*irkerröl:!-e, bevor es in den Außenraum gelangt
oder absorbiert wird.
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Es besteht also eine geringe Chance für eine regenerative Wirkung
in dem Lichtversti-irkerrohr, und eine beträchtliche überschüssige Besetzung des
oberen der beiden Energiezustände der Atome (oder Ionen oder Moleküle) kann erreicht
und ohne spontaue
regenerative Oszillation in dem Lichtverstärkerrohr
aufrechterhalten werden.
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Wenn dieser Zustand in dem Lichtverstärkerrohr 431 vorliegt, ist es
als Verstärker geeignet. Ein derartiger nicht reflektierender, nicht resonierender
Lichtverstärker kann Licht mit einer Frequenzbandbreite verstärken, die kleiner
als die entsprechende Übergangsbreite der Atome, Ionen oder Moleküle des Arbeitsmediums,
aber größer als die Resonanzbreite eines Resonanzlichtverstärkers ist. Auch Wellenzüge
mit nicht planaren Wellenfronten können kohärent verstärkt werden. Zum Beispiel
kann eine divergierende Kugelwelle ohne Änderung ihrer Gestalt verstärkt werden.
Eine derartige Welle könnte nicht von einem Resonanzlichtverstärker mit ebenen spiegelnden
Reflektoren aufgenommen werden. Natürlich kann ein Resonanzlichtverstärker mit Reflektoren
versehen werden, die eine andere als eine ebene Gestalt zum Verstärken nicht planarer
Wellen besitzen. Jedoch wird der vielseitigere nicht reflektierende, nicht resonierende
Verstärker zu diesem Zweck vorgezogen.
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Obwohl das Lichtverstärkerrohr 431 im wesentlichen als Linearverstärker
für Eingangssignale von Licht niedriger Intensität arbeiten würde, ist es von größerem
Interesse, die Arbeitsweise der Einrichtung für Eingangsimpulse relativ großer Intensität
zu betrachten. Unter verhältnismäßig großer Intensität ist zu verstehen, daß die
Impulsintensität ausreicht, um praktisch den höheren Energiezustand an einem gegebenen
Punkt zu beseitigen, bevor der gesamte Impulswellenzug diesen Punkt in dem Lichtverstärkerrohr
passiert. Unter diesen Bedingungen ist ersichtlich, daß der erste Teil des eintretenden
Wellenzuges des Lichts in beträchtlichem Ausmaß verstärkt wird, während der Endteil
des Wellenzugs nicht oder nur geringfügig verstärkt wird.
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Wenn die Impulse durch den Lichtverstärker 431 hindurchtreten, ist
dieser Effekt sehr kumulativ. Wenn nämlich die Intensität des führenden Teils des
Wellenzugs aufgebaut wird, tendiert dieser dazu, den oberen Energiezustand in dem
Volumen, durch das dieser hindurchtritt, vollständiger und schneller zu entleeren,
so daß sich ein exponentielles Anwachsen der Intensität des führenden Teils des
Impulses zusammen mit einer im allgemeinen entsprechenden Verkürzung des Impulses
auf Grund des Mangels von Verstärkung des hinteren Teils des Impulswellenzugs ergibt.
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Die Einrichtung gemäß F i g. 7 könnte für sich auf ; dem Gebiet der
Photographie mit hoher Geschwindigkeit vorteilhaft verwertet werden. Die mit einer
in F i g. 7 gezeigten Einrichtung erreichbare Impulslänge kann so kurz wie etwa
10-12 Sekunden sein. Die Fähigkeit eines Impulses dieser Kürze, »Stopp«-Wirkungen
auszuüben, ist daraus ersichtlich, daß. ein sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegendes
°Objekt durch einen derartigen kurzen Lichtimpuls innerhalb eines Millimeters angehalten
werden könnte.
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Obwohl der Gesamtbetrag der Lichtenergie etwas kleiner als bei üblichen
Lichtquellen für die Photographie sein kann, wäre dies keine schwerwiegende Beschränkung,
insbesondere auf dem Gebiet der Mikrophotographie, wo nur ein kleiner Bereich beleuchtet
werden muß. Die Tatsache, daß am Ausgang des nichtlinearen 1_ichtverstärkers nahezu
ebene Wellen vorliegen, ermöglicht, daß das Ausgangssignal auf eine so kleine Fläche
fokussiert werden kann, wie dies für mikrophotographische Zwecke erwünscht ist.