DE1208815B - Optischer Sender oder Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

•D'E-ÜT'SCHE'S' -

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

208815

2H - ifa>

,23. Ui

'-/Jv,

Int. CL:

Nummer:
⁵ Aktenzeichen:

Anmeldetag: "
■ Auslegetag: .

HOIs

Deutsche EL: : 2If-90

1208 815 , '
J 27843 VIH c/21 f
6. April 1965 '
13. Januar 1966

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker mit einem selektiv fluoreszenten Medium, das durch zwei gegenüberliegende, mindestens teilweise reflektierende Endflächen begrenzt wird, so daß ein optischer Resonator gebildet ist.

Im allgemeinen sind die Ausgangsimpulse eines zur stimulierten Strahlung angeregten Festkörpermediums unregelmäßig im zeitlichen Ablauf. Wird diese Anregungsstrahlung näher untersucht, dann zeigt sich, daß ein Ausgangsimpul's normalerweise aus vielen Einzelimpulsen zusammengesetzt ist. Diese Einzelimpulse haben einen zeitlichen Abstand, der im Mittel 1 bis 3 Mikrosekunden beträgt. Die Zeitdauer des gesamten Ausgangsimpulses beträgt etwa 500 Mikrosekunden. Das Bestreben geht daher dahin, optische Sender oder Verstärker zu entwickeln, deren gesamte kohärente Ausgangsstrahlung jeweils in einem einzigen Impuls kurzer Dauer und dafür hoher Amplitude konzentriert ist. Hierzu ist es erforderlich, daß das stimulierbare Medium in hohem Grade angeregt wird, so daß nahezu alle vorhandenen Ladungsträger in den Zustand der Besetzungsumkehr gebracht werden können, um anschließend zu erreichen, daß sie augenblicklich und nahezu gleichzeitig wieder in den Grundzustand zurückfallen. In diesem Falle entsteht dann ein Ausgangsimpuls sehr kurzer Dauer und sehr großer Amplitude.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Ziel unter möglichst geringem Aufwand zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß durch entsprechende Dotierung des stimulierbaren Mediums zwei unterschiedliche Ionengruppen darin enthalten sind, die beim Einwirken von Anregungsenergie eine Besetzungsumkehr erfahren, derart, daß eine erste stimulierte Strahlung der ersten Ionengruppe eine Subharmonische einer zweiten stimulierten Strahlung der zweiten Ionengruppe bildet und daß die erste stimulierte Strahlung eine stimulierte Ausgangsstrahlung durch stimulierte Vielfachquanten-Emission der zweiten Ionengruppe herbeiführt, indem mindestens eine der reflektierenden Endflächen des optischen Resonators stark reflektierend für die Strahlung mit der Frequenz der Subharmonischen, aber stark durchlässig für die Strahlung ihrer Harmonischen ausgebildet ist, so daß der optische Resonator nur auf die Frequenz der Subharmonischen abgestimmt ist.

Es wird demnach gemäß der Erfindung die Aufgabe unter Anwendung des Effektes der stimulierten Vielfachquantenemission gelöst. In der Literatur ist bisher nur der umgekehrte Effekt, nämlich die stimulierte Doppelquantenabsorption untersucht worden, s. hierzu Optischer Sender oder Verstärker

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y. (V. St. A.) ". ■

Vertreter: . ,

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt, . ·

Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 49 :

Als Erfinder benannt:

Peter Pitirimovich Sorokin, Ossining, N. Y.

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 10. April 1964 (358733)

as W. Kaiser et al., »Two-Photon Excitation In CaF₂: Eu²⁺«, in Physical Review Letters, Bd. 7, Nr. 6 vom September 1961, S. 229 bis 231).

Allgemein ist es für die übliche Betriebsweise von optischen Sendern oder Verstärkern bekannt, daß ein Photon ausgestrahlt wird, wenn ein entsprechend angeregter Ladungsträger einen Übergang zwischen zwei Energieniveaus durchführt, z. B. von einem metastabilen Zustand E_m zu einem Grundzustand Et, wobei die Frequenz der Ausgangsstrahlung proportional der Energieniveaudifferenz beider Zustände ist. E_m — Et = h v₀. In Strahlungsübergängen bei Doppelquantenemission strahlt ein angeregter Ladungsträger zwei Photonen je mit der Frequenz v₀ beim Übergang vom Zustand E_m zum Zustand Et ab, so daß sich ergibt: E_m—E_t = 2hv₀.

Solch ein Photonenprozeß kann sich aber nur abspielen, wenn die Konzentration von Photonen mit der Frequenz v₀ in einem optischen Resonator eines optischen Senders oder Verstärkers hoch genug ist.

Es ist also zur Auslösung eines solchen Vorganges erforderlich, daß eine selektiv fluoreszente Strahlung der Frequenz v₀ und hohen Lichtstroms zur Verfügung steht.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung werden hierzu zwei stimulierbare Festkörpermedien verwendet. Ein mit Neodym dotiertes Glasmedium und ein Rubinmedium sind in einem

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Strahlengang angeordnet. Zur Bildung des beiden an Hand eines Ausführungsbeispieles mit Hilfe der

stimulierbaren Medien gemeinsamen: optischen' Reso- nachstehend aufgeführten Zeichnungen die Erfindung

nators besitzt das unter 45° an einem Ende zu einem näher erläutert, und aus den Patentansprüchen.

Prisma angeschrägte Glasmedium eine nahezu total Es zeigt

reflektierende (99 %) Fläche und das Rubinmedium 5 F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen

die für die Strahlung-der ersten Frequenz stark Senders oder Verstärkers gemäß der Erfindung,

reflektierende Und für die Strahlung der Harmonischen F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des opti-

stark durchlässige spiegelnde Fläche. . sehen Senders oder Verstärkers gemäß der Erfindung,

Eine schraubenförmig gewendelt© Blitzlichtlampe F ig» 3a und 3b Termschemen zur Erläuterung der

umgibt beide stimulierbaren Medien. Wird die Blitz- io Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung,

lichtlampe eingeschaltet, dann wird in beiden stimulier- F i g. 4 eine graphische Darstellung, bei der die

baren Medien, nämlich im neodymdotierten Glas und Fluoreszenz in Abhängigkeit von der Frequenz

im Rubin, eine Besetzungsumkehr herbeigeführt. Auf gezeigt ist»

Grund der Tatsache, daß das Reflexionsvermögen Fig. 5 eine Kurvenschar, in der die Anzahl der

mindestens einer reflektierenden Endfläche relativ hoch 15 Photonen S in Abhängigkeit "von der Zeit und für

für die stimulierte Strahlung des neodymdotierten Glas- verschiedene Ausgangszahlen von Photonen als Para-

mediums (erste Frequenz) ist, beginnt dieses Medium meter dargestellt ist, und

zu schwingen, indem es, wie bekannt, Lichtimpulse der Fi g. 6 ein gegenüber der Anordnung nach F i g_t 2 stimulierten Strahlung der ersten Frequenz aussendet. verbesserter optischer Sender und Verstärker gemäß Es wird sporadisch jeweils eine große Anzahl von ao der Erfindung. : Photonen in bestimmten Wellentypen erzeugt, deren · Das kristalline stimulierbare Medium im optischen doppelte Frequenz der Frequenz der angeregten Ionen Sender und Verstärker nach F i g. 1 besteht aus einem im stiinuiierbaren Rubinmedium entspricht. Wirts-Kristall C, der die beiden Ionengruppen A und B Es kann aber jedoch keine stimulierte Strahlungs- enthält. Die beiden zueinander parallelliegenden Endemission infolge der Besetzungsumkehr der Ionen im 25 flächen des Wirts-Kristalls C sind poliert und sind Rubinmedium bei der hierfür charakteristischen entweder eben oder kugelförmig gestaltet und in an Frequenz entstehen, weil mindestens eine der wirk- sich bekannter Weise reflektierend ausgebildet. Diese samen Endflächen des optischen Resonators für eine Spiegelflächen M₁ und M_z können z, B. jeweils aus entsprechende Strahlung nahezu durchlässig ist. Im mehreren dielektrischen Schichten bestehen. Der Ausführungsbeispiel ist es die dem Rubin benachbarte 30 Wirts-Kristall C ist von einer schraubenförmig geFläche. Wird nun die Photoaendichte, hervorgerufen wendelten Blitzlichtlampe F als Energiequelle umdurch die Ionen des neodymdotierten Glasmediüms, geben.

hoch genug, dann steigt auch der Wirkungsquerschnitt Die Ionen der Ionengruppen A und B, die sich im für einen Doppelquanten-Übergang im Rubinmedium Wirts-Kristall C bewegen, stehen in folgender Bezieso stark an, daß jeweils zwei Photonen gleichzeitig 35 hung zueinander: Die Frequenz der stimulierten Strahder auslösenden stimulierten Strahlung des neodym- lung, die durch die ^t-Ionen hervorgerufen wird, muß dotierten Glasmediums zugeführt Werden, wobei mit der ersten Subharmonsichen der Emissionslinie gleichzeitig ein Chromion des Rubinmediums in den des stimulierbaren Strahlungsübergangs eines .B-Ions Grundzustand übergeführt wird. Da aber nun der zusammenfallen bzw. in deren Linienbreite liegen, und Wirkungsquerschnitt bei anwachsender Zufuhr solcher 40 zwar einer, bei der durch die Wirkung der gleichen Photonen immer weiter steigt, entsteht eine Lawine Blitzlichtenergiequelle F₁ ,die die ^-Ionen aktiviert, für Photonen der ersten Frequenz, so daß ein ent- eine Besetzungsumkehr erzielt werden kann. Die sprechender Hochleistungsimpuls in der Ausgangs- Spiegelfläche M_z ist so gewählt, daß sie mindestens strahlung die Folge ist. Die Impulsdauer ist festgelegt nahezu total reflektierend für die Frequenz va, aber durch das Zeitintervall, in dem die Besetzungsumkehr 45 mindestens nahezu total durchlässig bei der Frequenz im Rubinmedium abgebaut ist. 2 · ν α ist. ν α ist die Frequenz der stimulierten Strahlung

Da durch den Lawineneffekt im Ergebnis der Abbau eines ^4-Ions.

der Besetzungsumkehr fast gleichzeitig vonstatten Die Wirkungsweise des optischen Senders und

geht, ergibt sich ein einziger Kurzzeitimpuls sehr Verstärkers nach Fig. 1 ist wie folgt; Durch die

großer Amplitude, dessen Anstiegsflanke wesentlich 50 Energie der Blitzlichtlampe F werden die A- und

steiler ist, als es mit bisher verwendeten optischen 5-Ionen im. Wirts-Kristall C angeregt, so daß eine

Sendern oder Verstärkern erreicht worden ist,- In Besetzungsumkehr für beide Ionengruppen hervor-

vorfeilhafter Weise wird dabei die Anzahl der aus- gerufen wird. Da nun aber die spiegelnde Oberfläche

lösenden Photonen mit der ersten Frequenz geringer M_z für die Frequenz ν α stark reflektierend ist, baut

gehalten als die Anzahl der in Besetzungsumkehr 55 sich im Wirts-Kristall C eine Schwingung dieser

befindlichen Ionen der zweiten Ionengruppe; sie muß Frequenz auf, so daß stimulierte Lichtimpulse ent-

allerdings so hoch sein, daß diese Ionen zur Doppel- stehen. Auf diese Weise entstehen, bedingt durch

quantenemission stimuliert werden. bestimmte Wellentypen mit den Frequenzen v_c, v_c',

In einem weiteren Aüsführungsbeispiel wird gemäß v₆" usw., die nahe der HaupÜinie ν α der selektiven

einem weiteren Erfindungsgedanken zur Auslösung 60 Fluoreszenz des 4-Ions, wie in F i g. 4 gezeigt, liegen,

der Doppelquantenemission zwischen dem ersten und große Photonenanhäüfungen. Hierbei ist aber zu

zweiten stimulierbaren Medium ein Lichtunterbreeher, beachten, daß keine stimulierte Strahlungsemission

z. B, eine Kerrzelle, auf Lichtdurchgang geschaltet, auf Grund, einer Besetzungsumkehr der .B-Ionen

nachdem eine zur Auslösung der Doppelquanten- auftreten kann, weil die spiegelnde Oberfläche M_% für emission ausreichende Anzahl von Photonen der 65 die Frequenz 2 - va nur seht schwach reflektierend ist.

ersten Frequenz zur Verfugung steht. Wenn jedoch die Photonendichte in einer der Wellen-Weitere Vorteile der Erfindung und Töilaufgaben typen, die kohärent durch die J-Ionen stimuliert ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die werden, .z. B. bei der Frequenz v_c, groß .genug wird,

dann steigt der Wirkungsquerschnitt für einen doppeltes. Quantenübergang beträchtlich an, indem nämlich dann ein zurückfallendes B-lon zwei Photonen im Vc-Wellentyp erzeugt. Da aber so der Wirkungsquerschnitt fortwährend anwächst, wenn immer mehr Photonen inn»«,-Wellentyp entstehen, wird durch diesen Vc-Photonen-Lawineneffekt schließlich ein Hochleistungsimpuls bei der Frequenz v_c ausgelöst. Dieser Hochleistungsimpuls dauert an, bis der .B-Ionenüberschuß weitgehend abgebaut ist.

In F i g. 2 besteht das stimulierbare Medium 2 aus Glas, das mit Neodym dotiert ist. Das linke Ende dieses Glasstabes ist als rechtwinkliges Prisma ausgebildet und mit einem spiegelnden Belag überzogen, so daß die spiegelnden Oberflächen 4 und 6 einen auftreffenden Lichtstrahl wieder in den Glasstab zurücklenken. Das rechte Ende des Glasstabes 8 ist abgeflacht und ohne Belag. Dieser mit Neodym dotierte Glasstab ist wie im vorherigen Beispiel von einer schraubenförmig gewendelten Blitzlichtlampe umgeben. Rechts vom stimulierbaren Medium 2 ist im Strahlengang der hiervon abgegebenen stimulierten Strahlung ein Rubinkristall 12 angeordnet. Der Rubinkristall besteht aus Aluminiumoxyd, das mit Chromionen dotiert ist. Der Rubinstab 12 als weiteres stimulierbares kristallines Medium ist von einer weiteren schraubenförmig gewendelten Blitzlichtlampe 14 umgeben. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwar zwei getrennte Blitzlichtlampen gezeigt, die Anordnung kann aber ohne weiteres auch durch eine einzige Blitzlichtlampe betrieben werden, die gleichzeitig beide stimulierbare Medien 2 und 12 speist. An der rechten Seite des Rubinkristalls 12 befindet sich ein Spiegel 16. Dieser Spiegel 16 besitzt einen Überzug, der aus mehreren dielektrischen Schichten 18 und 20 bestellt, wobei diese Überzüge so gewählt sind, daß dieser Spiegel 16 z. B. 99% reflektierend und 1% durchlässig ist, und zwar für Licht der Frequenz, die £ür neadymdotiertes Glas 2 charakteristisch ist, aber stark durchlässig ist, dessen Frequenz für einen stimulierbaren Rubinkristall charakteristisch ist. Dank der selektiven Wirkung dieses Spiegels 16 strahlt der aus neodymdotiertem Glas bestehende optische Sender oder Verstärker Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1,38 μπι ab, während der stimulierbare Rubinkristall bei einer Wellenlänge von 0,69 μπα arbeitet. Es ist also festzuhalten, daß die stimulierbaren Medien 2 und 12 so gewählt sind, daß die zweifache Frequenz des optischen Verstärkers gleich der Frequenz des optischen Senders ist, wobei der optische Verstärker aus dem stimulierbaren Rubinkristall und der optische Sender aus dem neodymdotierten Glasmedium besteht.

Die graphischen Darstellungen nach den F i g. 3 und 4 dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise des optischen Senders und Verstärkers nach F i g. 2. Wie bereits erwähnt, dient die Blitzlichtlampe 10 in F i g. 2 zur Anregung des stimulierbaren Mediums 2, so daß die Neodymionen von ihrem Grundzustand in ihren angeregten Zustand angehoben werden. Dieser Anregungsvorgang ist notwendig, um die erforderliche Besetzungsumkehr für die stimulierte Strahlungsemission zu erhalten. Die so angeregten Neodymionen fallen von ihrem angeregten Zustand auf den metastabilen Zustand zurück, ohne daß während dieses Übergangs eine Lichtabstrahlung entsteht. Wenn aber diese Ionen vom metastabilen Zustand in den Endzustand fallen, wird eine stimulierte Strahlung bei der Frequenz ν α abgestrahlt. Fallen diese Ionen weiterhin vom Endzustand in den Grundzustand zurück, dann wird ebenfalls keine Strahlung abgegeben. Da, wie bereits erwähnt, der Spiegel 16 stark reflektierend für die Strahlung der Frequenz ν α ist, baut sich im neodymdotierten Glasmedium 2 eine Schwingung mit dieser Frequenz auf, so daß eine hierfür charakteristische stimulierte Strahlung entstehen kann. Der stimulierbare Rubinkristall 12 hingegen schwingt nicht, weil der Spiegel 16 für eine Wellenlänge von 0,69 μπι

ίο nicht reflektierend ist, die für. die Frequenz der stimulierten Strahlung eines Rubmmediums charakteristisch ist. Sowie nun die Schwingung im neodymdotierten Glasmedium beibehalten wird, unterliegen die Chromionen im Rubinmedium einer ständig wachsenden Neigung zu Übergängen bei doppelter Quantenemission. Wenn nun die primäre Strahlung, d. h. die Nd³⁺ dotierte Glasmediumstrahlung, hoch genug ist, dann entstehen mehr 1,38-μηι-Ρ1ιοΐοηεη auf Grund der Übergänge bei doppelter Quantenemission der Cr³⁺-Ionen im Rubinmedium, als die Verluste dieser Photonen ausmachen, die durch Durchlässigkeit der Endfläche, Beugung, Streuung usw. bedingt sind, so daß ein Lawineneffekt eingeleitet wird* der plötzlich eine äußerst hohe Anhäufung von l,38^m-Photonen in der für den durch das Medium gebildeten Resonanzhohlraum charakteristischen Wellentype zur Folge hat. Tatsächlich hat sich im Rubinmedium anfänglich eine Besetzungsumkehr für die Chromionen gebildet» aber hierfür ist, wie bereits gesagt, nur ein geringes Reflexionsvermögen an der Endfläche wirksam, so daß der hierfür normalerweise erforderliche Schwellenwert zur Entstehung einer stimulierten Strahlung nicht erreicht werden kann. Auf Grund der sich im neodymdotierten Glasmedium 2 ausbildenden Schwingung werden fortwährend immer mehr Photonen dem Rubinmedium zugeführt. Ergibt sich schließlich eine hohe Besetzungsumkehr hohen Grades für die Chromionen im Rubinmedium, dann entsteht plötzlich eine stimulierte Strahlung bei doppelter Quantenemission, wobei in dem damit verbundenen Vereinigungsvorgang jeweils zwei Photonen gleichzeitig den Photonen des Wellentyps im neodymdotierten Glasmedium zugefügt werden. Hiermit ergibt sich ein gleichzeitig einsetzender, rasch abfallender Energieübergang der Ladungsträger im optischen Sender und Verstärker nach Fig. 2, so daß ein einziger Hochleistungsimpuls gebildet wird.

In der Anordnung nach F i g. 6 ist zusätzlich in den Strahlengang eine Kerrzelle K angeordnet, die

als optischer Schalter zur Änderung der Güte, des ß-Wertes, für den anfänglich wirksamen optischen Resonator dient. Die Kerrzelle dient insofern als Schalter, als je nach ihrer Ansteuerung, und zwar je nachdem, ob eine elektrische Spannung an ihre Elektroden El und El angelegt wird oder nicht, der Durchgang polarisierten Lichtes gesperrt oder freigegeben wird. Wird nun den stimulierbaren Medien 2 und 12 über die jeweiligen Blitzlichtlampen 10 und 14 Anregungsenergie zugeführt, dann entsteht, wie oben beschrieben, eine Besetzungsumkehr in beiden stimulierbaren Medien,, aber die Kerrzelle K ist so geschaltet, daß ein Strählenübergang verhindert wird. Wild nun eine Spannung an die Kerrzelle Jt angelegt, so daß der Drachgang des Lichtes mit der Frequenz ν α freigegeben wird, dann entsteht ein Hochleistungsimpuls, wie er oben beschrieben worden ist. Die Kerrzelle K oder ein in gleicher Weise wirkender Schalter zur Änderung des ß-Wertes verstärkt in

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wirksamer Weise den durch das stimulierbare Medium2 -Dies gilt^: allerdings nur unter der Voraussetzung; abgegebenen Auslöseimpuls. daß die Resonatorenergie über einen gleichen Energie-Nachstehend soll versucht werden, theoretisch eine verlust (1 — R) über die Endflächen¹ des" optischen· Erklärung für die oben beschriebene Erscheinung _{Resonators abklingt}/ _Der Ausdruck f-Ä ' stellt abzugeben, wobei es dahingestellt sein mag, inwieweit 5 ■ ° ■ ■ \ dt Jdq
die Theorie im einzelnen tatsächlich zutreffend ist.· die Zuwachsgeschwindigkeit der mittleren Gesamt-Zunächst muß dabei untersucht werden, inwiefern energiedichte innerhalb des optischen Resonators als eine stimulierte Strahlung auf Grund der Wirkung Ergebnis des Doppelquantenvorganges dar.. Für den der ^t-Ionen hinreichend Photonen bei zunächst Fall einer sich fortpflanzenden, ebenen Welle gilt:
wirksamem · optischem Resonator vom Wellentyp v_a ι ο _ ■
bereitstellen kann, um die Doppelquantenlawine, die ' ρ ₌ ^{ÄUT c} /gv
durch die 5-Ionen entfacht und aufrechterhalten wird, ' n_r -auszulösen. Aus der oben angegebenen Literaturstelle ■■■■■; ergibt sich als Beziehung für den Koeffizienten, der Damit ergibt sich aus Gleichung (3): ■ ein Maß für Zwei-Photonen-Absorptionsprozesse ist: 15

^r° ^J (1) \ dt )_DQ-[ Vj hvA-nr² · ^W

Hierin ist n_r der Berechnungsindex des Mediums, Da aber das elektrische Feld in dem Zwei-Photonen-

r₀ der klassische Elektronenradius und Δ ν die Breite 20 Vorgang wirksam ist, läßt sich Gleichung (7) wie folgt

des tatsächlichen angeregten Zustandes bei 2h va· umschreiben:

Bei der Herleitung der Gleichung (1) wird angenom- (άΰτ\ 1 f N⁶

men, daß eine Absorption auf Grund eines einzigen \~dT~/ ⁼ ~2 \~V~
intermediären virtuellen Energiezustandes eintritt, der

sowohl mit dem Ausgangszustand als auch mit dem 25 Diese Beziehung soll als allgemein gültig ange-

Endzustand durch die Oszillatorstärke gekoppelt ist. nornmen werden. Innerhalb des optischen Resonators

Die nur als näherungsweise gültig betrachtete Glei- gilt:

chung (1) ist für die Anwendung von CaF₂: Eu²⁺ _ _ 1 _.

in der oben zitierten Veröffentlichung von W. K a i s e r me = — A cos /α:, (9)
und C. G. B. G a r r e 11 in »Physical Review Letters« 30

angegeben worden. Der in Gleichung (1) auftretende _ _ 2 . ₂

Koeffizient G₁ muß mit dem einfallenden Lichtstrom F «h-jäsih kx; (IU)
multipliziert werden, um den -Wirkungsquerschnitt

für die doppelte Quantenemission zu erhalten. worin K eine Proportionalitätskonstante darstellt.

_σ _ _σ ρ (2) 35 Unter Anwendung der Gleichungen (4), (5), (8), (9)

¹ und (10) ergeben sich bei von einer Endfläche des

Damit ergibt sich für den Leistungsabfall einer sich kristallinen Mediums abgestahlten Impulsleistung für

fortpflanzenden ebenen Welle, die Doppel-Quanten- die zur Auslösung einer Doppelquantenlawine er-

Absorptionsübergänge stimuliert: forderliche geringste Impulsamplitude eines primären

'■*ri D₂ 40 Impulses folgende Beziehungen:
^Λ (3)

dx \V) hvAA- p_h^_ A$ÜTdx Q-WhVAA* ₍₁₁₎

Hierin ist A der Strahlquerschnitt und (-ψ) die 2 t_c G₁N ( cos )

Ionendichte. Die Gleichungen (1), (2) und (3) lassen 45 ^{und da:}
sich auch für den Fall einer stimulierten Strahlung . ₄. _ 3

anwenden, wenn das negative Vorzeichen in Gleichung \ ^cos / ⁼ "3"'
(3) durch ein positives Vorzeichen ersetzt wird.

Für den Vorgang der stimulierten Doppelquanten- _ 3 (1 — R)² h ν α Α²

emission in bezug auf die Übernahme der Photonen, 50 ^lmv jj$ N⁰G₁ "

die zur Bildung eines Hochleistungsimpulses führt,

muß die durch diesen Vorgang im optischen Resonator Aus Gleichung (1) mit / «s 1, n_r = 1,5, ν α = 1,5 ·

erzeugte Energie die Verlustenergie, .übersteigen, die 10¹⁴Hz, und Av = 1,2 cm-¹, ausgedrückt in Wellendurch den Durchgang durch die^Endflächen bedingt zahl, ergibt sich für G₁ *** 3,84 · 10~⁴⁴ cm⁴ Sekunden.

ist. Wird nun mit üt die mittlere Gesamtenergiedichte 55 Durch Einsetzen dieses Wertes für G₁ in Gleichung (12)

(d. h. sowohl die elektrische als auch die magnetische) ... ,_T, . N^b «_ηια, , , „

im optischen Resonator bezeichnet, dann läßt sich die ^{zusammei1 mt} den Werten-^ « 10»/cm», / = 4 cm,

Auslösebedingung wie folgt anschreiben: A = 0,5 cm², (l—R) = 0,05 wird ein minimal er-

_{x=l x=l} forderlicher Ausgangsimpuls mit einer Impulsleistung

ff dÜT \ 1 f - ^5o Ptmp ^ 2,18 kW erhalten. Diese Impulsspitzenleistung

I I 1 dx= —- J utdx. (4) ist im allgemeinen mit optischen Sendern oder Ver-

_x^₀ ^C x=o stärkern zu erhalten, die bei vier Energieniveaus

betrieben werden. Die Anzahl der Photonen S₀ im

Hierin stellt t_e die Abklingzeit im optischen Resona- optischen Resonator, die für diese Leistung vor-

tor dar, die durch folgende Beziehung festgelegt ist: 65 handen sind, wird aus folgender Gleichung erhalten:

te = —γ_Λ sr · (5) —V; — Pimp ■ (13)

c (1 — R) 2 te .

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So ergibt sich unter den vorausgesetzten Be- Für η > 1 bleibt dieser Ausdruck endlich bis zu

dingungen bei t_c «rf 4 · 10~⁹ see die Anzahl S₀ zu einem Zeitpunkt:
ungefähr 1,74 · 10¹⁴ Photonen.

Die Erfordernisse für eine Möglichkeit zur Aus- η

lösung sind demnach auch theoretisch im Bereich des 5 te- —■ U In _ ^ , (19)

Möglichen, obgleich zwar die Notwendigkeit der
Zufuhr hoher Anregungsenergie offensichtlich ist.

Die Zufuhr hoher Anregungsenergie läßt sich aber wenn diese Funktion schnell divergiert. Somit kann erreichen, wenn das stimulierbare kristalline Medium angenommen werden, daß sich die Photonenanzahl im innerhalb der Windungen einer handelsüblichen, io optischen Resonator nahezu bis zu diesem Zeitpunkt schraubenförmig gewendelten Blitzlichtlampe liegt. ta aus Gleichung (18) ergibt. Zu diesem Zeitpunkt

Für die oben in Betracht gezogenen Parameter läßt ist die Anzahl der Photonen groß genug, um die sich also zeigen, daß sich tatsächlich ein Hochleistungs- Besetzungsumkehr der .B-Ionen beeinflussen zu können, impuls erreichen läßt, wenn die im primären Resonator Die Anzahl der in Besetzungsumkehr befindlichen entstandene Photonenanzahl die Anzahl S₀ überschrei- 15 j?-Ionen wird plötzlich auf Null gebracht, wobei die tet. Unter Vernachlässigung der spontanen Emission der Anzahl der Photonen bis zu einem Wert von nahezu 5-Ionen und der stimulierten Emission der ,4-Ionen 2JVj⁶ anwächst. Anschließend sinkt die Anzahl der lassen sich die in Betracht kommenden Vorgänge Photonen entsprechend der Zeitkonstante des opdurch folgende Gleichungen beschreiben: tischen Resonators t_e ab.

20 Wie in F i g. 5 gezeigt, sinkt die Anzahl der Photonen ^ g g für einen Wert η <1 stetig auf Null ab. Für η > 1

—j— = 2 B₁S² JV⁶ , (14) wächst die Photonenanzahl zu einem Zeitpunkt nahe

° dem Zeitpunkt ie schnell auf ein Maximum an, das

beim Wert 2JV«⁰ liegt, und klingt dann mit der Zeit-

dJV^& 25 konstante des optischen Resonators t_c ab. Für die

dt ~ ~&i ^² ^⁶ · ' ' hier gewählten Parameter steigt der Impuls in einem

Zeitraum der Größenordnung einer Nanosekunde oder schneller an und fällt mit einer Halbwertzeit von

Hierin ist S die Anzahl der Photonen, die zu jedem 4 Nanosekunden ab. Diese äußerst kurze Anstiegszeit Zeitpunkt zum v_c-Wellentyp beitragen, und JV⁶ die 30 ist bemerkenswert und charakteristisch für die AnGesamtzahl der zu jedem Zeitpunkt in Besetzungs- Ordnung gemäß der Erfindung,
umkehr vorhandenen 5-Ionen. Der in den Gleichungen Neben der Anwendungsmöglichkeit des erfindungs-

(14) und (15) auftretende Koeffizient B₁ steht zum gemäßen optischen Senders und Verstärkers zur Koeffizienten O₁ [Gleichung (I)] in folgender Be- Erzeugung eines Hochleistungsimpulses einer stimuziehung: 35 herten Strahlung kann auch die Erzeugung kohärenten

₂ Lichtes in einem Medium stattfinden, das eine ver-

__ 3 c a_x .j» hältnismäßig lange Lebensdauer für einen meta-

32 V² n_r ^a stabilen Zustand besitzt. Normalerweise kann in einem

solchen Medium kohärentes Licht nicht durch einen

Mit Si soll hierin die Anfangszahl der Photonen 40 Vorgang erster Ordnung hervorgerufen werden, wie es bezeichnet werden, die als Ergebnis der stimulierten in der erfindungsgemäßen Anordnung nach F i g. 1 Strahlungsemission von den ^4-Ionen zur Zeit t = 0 mit Hilfe der ^4-Ionen oder mit der Anordnung nach im entsprechenden Wellentyp vorhanden sind. In den F i g. 2 mit Hilfe von Neodymionen geschieht. Die Gleichungen (14) und (15) bedeuten die Schwellenwert- Lehre der Erfindung kann jedoch angewendet werden, anzahl der Photonen S₀ die Anzahl, bei der S_{t = 0} = 0 45 um Energie aus einem Medium mit einem solchen wird. Dies ergibt sich aus der Gleichung (14), für die metastabilen Zustand mit Hilfe eines Vorganges dann zweiter Ordnung zu entnehmen, wie es z. B-. für die

Anordnung nach F i g. 2 durch einen Vorgang zweiter

S = Π 7) Ordnung geschieht, der Energie aus dem stimulier-

2 B₁ Ni^b te 50 baren Rubinmedium unter Wirkung der stimulierten

Strahlung des neodymdotierten Glasmediums entzieht.

gilt, worin JVj⁶ die Anfangsanzahl der JMonen in Allgemein ausgedrückt, läßt sich sagen, daß die Besetzungsumkehr ist. Anzahl JV der in Besetzungsumkehr befindlichen

Durch entsprechende Wahl der Parameter, die der Ionen sich durch die Beziehung
Ungleichung JVi⁶ g> Si genügen, läßt sich zu Recht 55

erwarten, daß die Anzahl der .B-Ionen in Besetzungs- JV₂ — N₁ > K · τ

umkehr, Ni", im wesentlichen konstant bleibt, bis die

Anzahl der Photonen S den Schwellenwert um darstellen läßt, worin K eine Konstante bedeutet, JV₂ mindestens eine Größenordnung überschritten hat. die Anzahl der Ionen im angeregten Zustand- JV₁ die Demnach kann zu Anfang die Gleichung (14) direkt 60 Anzahl der Ionen im Grundzustand und τ die Lebensintegriert werden, wobei JV⁶ konstant gehalten und dauer der Ionen im Zustand der Besetzungsumkehr gleich JVi⁰ gesetzt wird. Wird die Anfangsanzahl der sind. Wenn τ sehr lang ist, dann wird die Anzahl JV Photonen durch die einen Bruchteil der Schwellen- sehr groß und erreicht einen Wert, der viel größer ist wertanzahl S₀ bedeutende Bezeichnung η ausgedrückt, als die Anzahl der 5-Ionen, die im Medium mit dann ergibt sich: . 65 entsprechendem metastabilem Zustand enthalten sind.

., _χ Bei Anwendung der Lehre gemäß der Erfindung jedoch

S = S₀Il ~ [1 —) exp (—) (18) l°^sen solche JS-Ionen infolge eines Vorganges zweiter

L \ VI \tej\ Ordnung eine stimulierte Strahlung aus. Das bedeutet,

daß sich nach Gleichung (11) ein Impulsausgang ergibt, der sich wie folgt darstellen läßt:

P^ S₀ItVA (1-RfhvAA

2 te O₁NB(COS*) '

Hierin ist S₀ die Anzahl der auslösenden Photonen im primär vorhandenen Wellentyp v_c und N^B die Anzahl der 5-Ionen in Besetzungsumkehr. Kann nun S₀ viel kleiner gehalten werden als N^B, dann ist es möglich, die Besetzungsumkehr der U-Ionen so zu gestalten, daß ein Anstieg der Anzahl S₀ einen Auslösungsvorgang einleiten kann, der die 5-Ionen zur Strahlung anregt. Auf diese Weise sind die 5-Ionen durch einen stimulierten Strahlungsvorgang erster Ordnung zur stimulierten Strahlung beeinflußt worden, wobei die Frequenz des kohärenten Lichtes des Auslösungslichtstromes gleich der Frequenz des kohärenten Lichtes ist, das durch einen Vorgang zweiter Ordnung abgegeben wird.

Es sei noch hervorgehoben, daß die der Erfindung zugrunde liegenden Maßnahmen sowohl bei stimulierbaren Festkörpermedien als auch bei gasförmigen Medien Anwendung finden können. Die Art des stimulierbaren Mediums ist so lange unbeachtlich, wie der Wirkungsquerschnitt a_x für eine stimulierte Vielfachquantenemission von iWonen groß genug ist, so daß die durch die klonen bewirkte stimulierte Strahlung in ihrer Intensität groß genug ist, um einen sich selbst unterhaltenden Lawineneffekt für Photonen bei der Frequenz

VA

vB

35

auszulösen, deren Energie durch die 5-Iönen bereitgestellt wird. Wenn diese Bedingungen eingehalten werden, ergibt sich ein Ausgangsimpuls (s. F i g. 5) mit einer äußerst steilen Anstiegskante. Die sich damit ergebenden geringen Anstiegszeiten sind dann besonders wichtig, wenn ein Impuls nicht linear verstärkt werden soll und lediglich die Anstiegsflanke des Impulses in ihrer Steilheit vergrößert werden soll.

Claims (9)

Patentansprüche: 45

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem selektiv fluoreszenten Medium, das durch zwei gegenüberliegende, mindestens überwiegend reflektierende Endflächen eines optischen Resonators begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Dotierung des stimulierbaren Mediums (C, 2, 12) zwei unterschiedliche Ionengruppen (A, B) darin enthalten sind, die beim Einwirken von Anregungsenergie eine Besetzungsumkehr erfahren, derart, daß eine erste stimulierte Strahlung der ersten Ionengruppe (A) eine Subharmonische einer zweiten stimulierten Strahlung der zweiten Ionengruppe (B) bildet, und daß die erste stimulierte Strahlung eine stimulierte Ausgangsstrahlung durch stimulierte Vielfachquantenemission der zweiten Ionengruppe herbeiführt, indem mindestens eine der reflektierenden Endflächen des optischen Resonators stark reflektierend für die Strahlung mit der Frequenz der Subharnionischen, aber stark durchlässig für die Strahlung ihrer Harmonischen ausgebildet ist, so daß der optische Resonator nur auf die Frequenz der Subharmonischen abgestimmt ist.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die erste stimulierte Strahlung im optischen Resonator gebildeten Photonen in ihrer Anzahl wesentlich geringer sind als die Anzahl der in Besetzungsumkehr gebrachten Ionen der zweiten Gruppe, aber ausreichend ist, um die Ionen der zweiten Gruppe zur Vielfachquantenemission auszulösen.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung einer Doppelquantenemission der Ionen der zweiten Gruppe die Frequenz der zweiten stimulierten Strahlung doppelt so hoch ist wie die Frequenz der ersten stimulierten Strahlung.

4. Optischer Sender oder Verstärker mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei stimulierbare kristalline Medien in einem Strahlengang angeordnet sind, wovon der erste

; eine total reflektierende Endfläche besitzt und dem zweiten eine stark reflektierend für die stimulierte Strahlung der ersten Frequenz, aber stark durchlässig für stimulierte Strahlung der Frequenz der Harmonischen .ausgebildete Fläche zugeordnet ist, und daß das erste Medium aus mit dreiwertigen Neodymionen dotiertem Glas und das zweite Medium aus mit Chromionen dotiertem Rubin besteht.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die total reflektierenden Endflächen des Glasmediums als rechtwinkliges Prisma (4,6) ausgebildet sind.

6. Optischer Sender oder Verstärker mindestens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je eine besondere Anregungsenergiequelle (10, 14) zur Anregung jeweils der ersten und zweiten Ionengruppe (2,12) vorgesehen ist.

7. Optischer Sender oder Verstärker mindestens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem ersten und zweiten stinmlierbaren Medium (2,12) eine Vorrichtung (K) zur Unterbrechung des Lichtdurchgangs angeordnet ist.

8. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Lichtdurchganges eine Kerrzelle (K) vorgesehen ist.

9. Optischer Sender oder Verstärker mindestens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

' gekennzeichnet, daß die bei der ersten Frequenz stark reflektierende und bei ihren Harmonischen stark durchlässige Fläche aus mehreren entsprechend gewählten und zusammengesetzten dielektrischen Schichten gebildet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Physical ReviewLetters, Bd. 7, Nr. 6, vom 15.9.1961, S. 229 bis 231;

Radio Mentor, 1962, Nr. 12, S. 1018;

Electronics, Bd. 36, Nr. 38 vom 20. 9.1963, S. 50 und 52;

Applied Optics, Supplement, 1962, S. 127 bis 132;

Proceedings of the JEEE, Bd. 51, Nr. 8, August 1963, S. 1152, 1153.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen .

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