DE1764849B1 - Optischer sender fuer pulsfoermiges kohaerentes licht - Google Patents

Description

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Stellen herrscht, an denen diese Linie weiter links Lichtstrahlen. Dies geschieht während alternierender

liegt. Der Mittelteil des Laserstrahls durchsetzt den Halbzyklen der akustischen Welle, gleichgültig ob

Bereich des größten Druckes. Der Teil der akustischen es sich um eine stehende Welle oder um eine sich

Welle, welcher vom Laserstrahl durchsetzt ist, ändert fortpflanzende Welle handelt.

seine Dichte sinusförmig und erzeugt demzufolge eine 5 Wenn der konvexe Reflektor 14 in bezug auf die

Vergrößerung oder Verkleinerung der Dichte des Zelle 16 so angeordnet ist, daß die Strahlung jedes

Mediums der Zelle, welche der Laserstrahl durch- Teils des stimulierbaren Mediums zur gleichen Zeit

setzen muß. während des akustischen Wellenzyklusses in den

Es ist allgemein bekannt, daß ein Lichtstrahl ge- Krümmungsmittelpunkt des konvexen Spiegels fokus-

brochen oder gebeugt wird, wenn er ein Medium mit io siert wird, so besteht während dieser Zeit für diesen

unterschiedlicher Dichte durchsetzt. Wenn ein Strahl Teil des Laserstrahls eine positive Rückkopplung,

der optischen Strahlung vom stimulierbaren Medium Das Auftreten einer positiven Rückkopplung führt

10, wie er beispielsweise durch eine der gestrichelten zu einer stimulierten Emission in diesem Bereich des

Linien 22 eingezeichnet ist, die Ultraschallzelle durch- stimulierbaren Mediums.

setzt, so wird er in Richtung auf die Gebiete höherer 15 Eine positive Rückkopplung tritt dann auf, wenn

Dichte gebrochen. Jeder Strahl 22 verläuft demzufolge ein Lichtstrahl durch das akustische Medium in der

längs eines gekrümmten Weges durch die Zelle und Zelle 16 derart gebrochen wird, daß der Strahl durch

verläßt die Zelle unter einem Winkel, der von dem den Mittelpunkt des konvexen Spiegels 14 gehen

Winkel verschieden ist, unter dem er in die Zelle ein- würde. Unter dieser Bedingung trifft der Lichtstrahl

getreten ist. Kurz ausgedrückt verläßt ein Lichtstrahl, 20 den Spiegel 14 genau unter einem Winkel von 90° zu

welcher sich senkrecht zu einem akustischen Feld der dessen Oberfläche und wird demzufolge längs seines

Länge L und der Wellenlänge Λ ausbreitet, die Zelle Weges zurück reflektiert durch die Zelle 16 und das

unter einem Winkel Θ, welcher gegeben ist durch stimulierbare Medium 10 bis zum ebenen Spiegel 12,

wo er abermals reflektiert wird. Der Teil des stimulier-

2 π Δ η L ²⁵ baren Mediums 10, der vom Lichtstrahl dabei durch-

sin <9 5» —, quert wird, beginnt stimuliert auszustrahlen. Alle

Λ anderen Strahlen, welche nicht genau senkrecht zur

Oberfläche des konvexen Spiegels 14 auf treffen, d. h.

wobei Δ η die maximale Änderung des Brechungs- jene Strahlen, welche nicht durch den Krümmungsindex des akustischen Mediums ist, wie er durch die 30 mittelpunkt des Spiegels 14 verlaufen würden, werden akustische Druckwelle erzeugt wird, welche einen nicht längs ihres ursprünglichen Weges zurückreflek-Spitzendruck der Größe P aufweist. In einer Flüssig- tiert und können daher keine kohärente Ausstrahlung keit ist die Beziehung zwischen Δ η und P₀ gegeben im stimulierbaren Medium hervorrufen,
durch Zum Beispiel beträgt die Zeit T, welche nötig ist,

35 um den Brechungsindex sinusförmig von einem Spitzen-

^ (V² — 1) O?² + ²) ρ wert Δ η ρ auf einen Wert Δ η zu ändern
br\

(Δ η ρ — Δ η) Λ

Für eine detaillierte Beschreibung der Brechung T = ~. >

von Lichtwellen sei verwiesen auf den Aufsatz »Internal 40 J. η ο ν
Laser Modulation by Acoustic Lens-Like Effects«

in IEEE Journal of Quantum Electronics QU-2, 157 wobei ν die Geschwindigkeit der akustischen Welle bis 164 (1966), sowie den in Journal of Applied Physics, ist, welche die Änderung des Brechungsindexes her-Bd. 34, S. 453 bis 456, 1963, veröffentlichten Aufsatz vorruft. Für Δ η ρ = ΙΟ"⁴, Δ η = 5 · ΙΟ"⁵, Δ = 1 cm »Ultrasonic-Refractive Shutters for Optical Masers 45 und ν = 10~⁵ cm/Sek., ist diese Zeit 2,5 · 10~⁶ Sekun-Oscillators«. den. Wenn die Länge L der Zelle 10 cm beträgt und Wenn die akustische Zelle 16 eine Länge L besitzt, das akustische Medium einen Stab mit einem Durchweiche kleiner ist als die optische Brennweite des messer von ²/₃ Λ darstellt, so sollte der Mittelpunkt akustischen Mediums in der Zelle und wenn die des konvexen Spiegels 14 in einer Entfernung von Breite W des Laserstrahls zur akustischen Wellen- 50 etwa 80 cm von der Zelle 16 entfernt angeordnet sein, länge Λ durch die Beziehung 0 < W[A ^l steht In dem Augenblick, in welchem Δη — 10~⁴ ist, be- und wenn der Mittelteil des Laserstrahls auf einen steht für die äußersten Bereiche des Mediumstabes Wellenbauch der akustischen Welle gerichtet ist, positive Rückkopplung. Mit fortschreitender Zeit werden die kohärenten Lichtstrahlen um verschiedene nimmt Δ η ab, und der Teil des Mediumstabs, welcher Beträge symmetrisch um den Punkt maximalen Druckes 55 positive Rückkopplung aufweist, verschiebt sich nach gebrochen und Paare von Lichtstrahlen einander in innen gegen das Zentrum des Stabes symmetrisch verschiedenen Entfernungen längs der Achse der von beiden Seiten des stimulierbaren Mediums her. Strahlfortpflanzung (T-Achse) schneiden, wie in Schließlich sendet nur noch das Zentrum des Stabes F i g. 1 zu erkennen ist. kohärente Strahlung aus, woraufhin sich dieser BeWenn die Amplitude der akustischen Welle im 60 reich wieder nach außen bewegt,
zeitlichen Verlauf zu- oder abnimmt, so werden die Wenn ein konvexer Spiegel 14 verwendet wird, Brennpunkte der verschiedenen Strahlen des Laser- so sind die jeweils kohärente Strahlung aussendenden Strahls sich auf die akustische Zelle zu- oder von ihr Bereiche des stimulierbaren Mediumstabes linienwegbewegen. förmig und bewegen sich von der Spitze zum unteren Während desjenigen Teils des akustischen Zyklusses, 65 Ende des Stabes durch das Zentrum hindurch und in welchem der Laserstrahl denjenigen Teil der akusti- wieder zurück. Wenn dagegen der konvexe Spiegel 14 sehen Welle kreuzt, dessen Druck am kleinsten ist, sphärisch ausgebildet ist, so sind die kohärente Strahdivergieren die die akustische Zelle verlassenden lung aussendenden Bereiche ringförmig um den Mittel-

punkt des stimulierbaren Mediumstabes und bewegen sich wiederum in Richtung auf das Zentrum zu und zurück.

Es ist klar, daß durch Verwendung von stimulierbaren Medien mit verschiedenen Querschnittsformen im Zusammenwirken mit entweder sinusförmigen oder fokussierten akustischen Wellen verschiedene Impulsformen der kohärenten Strahlung erhalten werden können. So zeigt z. B. Fi g. 2A den Querschnitt eines kreisförmigen Mediumstabes 30 sowie die Form des Ausgangsimpulses, der durch eine sinusförmige akustische Welle erhalten wird. Ursprünglich strahlen nur die äußeren Bereiche 32 des Mediumstabes und ergeben entsprechend ihrer kleinen Fläche auch nur eine geringe Ausgangsenergie. Während sich der Bereich positiver Rückkopplung und damit der Bereich, in welchem stimulierte Emission stattfindet, weiter zum Mittelpunkt des Stabes bewegt, werden diese Bereiche immer größer, so daß demzufolge auch die Ausgangsenergie ansteigt. Bei der erneuten Verschiebung des stimulierten Bereichs vom Mittelpunkt nach außen nimmt die Ausgangsenergie wiederum ab.

Fig. 2 B zeigt einen stimulierbaren Mediumstab mit quadratischem Querschnitt, wodurch die Intensität während der gesamten Zeit, in welcher eine stimulierte Emission stattfindet, konstant bleibt und einen Ausgangsimpuls quadratischer Form erzeugt. Die Fig. 2 C und 2 D zeigen die Wirkung eines Mediumstabs mit rechteckförmigem Querschnitt auf die Impulsform, wobei die quadratische Impulsform nach F i g. 2 B in rechteckige Impulse verschiedener Länge und Amplitude abgeändert wird.

Die F i g. 2 E zeigt einen dreieckförmigen Impuls, der durch einen Mediumstab mit rautenförmigem Querschnitt erzeugt wird, wobei die Ausgangsleistung an den äußeren Stellen des Stabes, welche einen schmalen Querschnitt haben, nur gering ist, während die Energie bei der Verschiebung des stimulierten Bereichs nach innen zunimmt, da bei diesem Verschieben jeweils unter der Voraussetzung gleicher Höhe die Bereiche breiter werden.

F i g. 2 F schließlich zeigt den Ausgangsimpuls eines unregelmäßig geformten Mediumstabes.
Es ist einleuchtend, daß auch stabförmige Medien mit anderen Querschnittsformen verwendet werden können, so daß andere und häufig sehr unregelmäßig geformte Ausgangsimpulse erzeugt werden können. Der Hauptzweck und Vorteil dieser Erfindung liegt in der Möglichkeit, Stäbe aus stimulierbarem Material auf ihre Eignung für Laserzwecke zu untersuchen, da jegliche Unregelmäßigkeit und jeglicher Fehler im Stab sich in einer Veränderung der Form des Ausgangsimpulses abzeichnet. Beispielsweise würde bei Verwendung eines Mediumstabes mit quadratischem

as oder rechteckigem Querschnitt entsprechend den Fig. 2 B, 2 C und 2D jede Unregelmäßigkeit oder jeder Materialfehler im stimulierbaren Medium sich dadurch abzeichnen, daß der Impuls nicht mehr waagrecht verläuft, sondern irgendwelche Einbuchtungen oder Spitzen zeigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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auszubilden, daß die Form des abgestrahlten Licht-Patentansprüche: impulses in einfacher Weise beeinflußbar ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem

1. Optischer Sender für pulsförmiges kohärentes optischen Sender der eingangs genannten Art dadurch Licht mit einem stabförmigen stimulierbaren 5 gelöst, daß die elektroakustische Zelle zwischen dem Medium sowie einer elektroakustischen Zelle zur stimulierbaren Medium und einem teildurchlässigen Brechung des kohärenten Lichtes innerhalb eines Konvexspiegel angeordnet ist und ihre Länge in von zwei Spiegeln begrenzten optischen Resona- Richtung der optischen Achse kleiner ist als ihre tors, dadurch gekennzeichnet, daß optische Brennweite, derart daß der Brennpunkt der die elektroakustische Zelle (16) zwischen dem io kohärenten Strahlung in Abhängigkeit von der die stimulierbaren Medium (10) und einem teildurch- elektroakustische Zelle elastisch verformenden Schalllässigen Konvexspiegel (14) angeordnet ist und welle in Richtung der optischen Achse verschiebbar ist. ihre Länge in Richtung der optischen Achse kleiner Bei dem optischen Sender gemäß der Erfindung ist als ihre optische Brennweite, derart daß der können die abgestrahlten Lichtimpulse in einfacher Brennpunkt der kohärenten Strahlung in Abhängig- 15 Weise längs der optischen Achse des Resonators verkeit von der die elektroakustische Zelle (16) elastisch ändert werden. Der Sender kann insbesondere dazu verformenden Schallwelle in Richtung der opti- dienen, die Qualität des stimulierbaren Mediums zu sehen Achse verschiebbar ist. untersuchen, indem einzelne Bereiche des Mediums

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- zur Erzeugung von kohärentem Licht herangezogen kennzeichnet, daß die Wellenlänge der Schallwelle 20 werden; weist ein zur Lichterzeugung herangezogener etwa gleich der oder kleiner als die Breite W des Bereich einen Defekt auf, so macht sich dieser im stabförmigen stimulierbaren Mediums (10) ist. Ausgangsimpuls als eine Verformung bemerkbar.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Die Erfindung wird im folgenden an Hand der kennzeichnet, daß die elektroakustische Zelle (16) Zeichnungen näher erläutert, in denen Ausführungsderart angeordnet ist, daß die optische Achse 25 beispiele dargestellt sind. Es zeigt

einen Wellenbauch der Schallwelle durchsetzt. F i g. 1 eine schematische Darstellung einer er-

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden findungsgemäßen Einrichtung von der Seite und
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die F i g. 2 die Schnittbilder verschieden geformter Schallwelle eine stehende Welle ist. stimulierbarer Medien mit den zugehörigen, in der

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden 3° Anordnung nach F i g. 1 erzeugten Impulsformen. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugnehmend auf F i g. 1 ist ein stimulierbares Konvexspiegel (14) sphärisch gekrümmt ist. Medium 10, beispielsweise ein Rubinkristall in einem

6. Einrichtung nach einem der vorangehenden optischen Resonator des Fabry-Perot-Typs eingesetzt, Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stab- welcher von einem ebenen Spiegel 12 und einem konförmige stimulierbare Medium (10) einen unregel- 35 vexen Spiegel 14 begrenzt ist. Die zur Erzeugung einer mäßig geformten Querschnitt aufweist. Inversion im stimulierbaren Medium notwendige Anregungsstrahlung wird von einer Lichtquelle, wie z. B. einer Entladungsblitzlampe geliefert und dem stimulier-

baren Medium 10 beispielsweise in Richtung der Pfeile

40 zugeführt.

Innerhalb des optischen Resonators wird eine

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Ultraschallwelle erzeugt, um die Rückkopplung der Sender für pulsförmiges kohärentes Licht mit einem Strahlung zu beeinflussen. Vorzugsweise wird die stabförmigen stimulierbaren Medium sowie einer akustische Welle mit Hilfe einer Ultraschallzelle 16 elektroakustischen Zelle zur Brechung des kohärenten 45 erzeugt, welche eine Flüssigkeits- oder Festkörper-Lichtes innerhalb eines von zwei Spiegeln begrenzten zelle sein kann, obgleich es prinzipiell auch möglich optischen Resonators. ist, die akustische Welle unmittelbar im stimulier-

Ein derartiger optischer Sender ist bekannt (USA.- baren Medium selbst zu erzeugen. Am einen Ende Patentschrift 3 297 876). Hierbei wird die kohärente der Zelle 16 ist ein piezoelektrischer Wandler 18 bestrahlung durch Brechung derart beeinflußt, daß 50 festigt, der mit einer Wechselspannungsquelle, wie Teile von ihr, die jeweils verschiedenen Bereichen sie durch den Oszillator 20 dargestellt ist, verbunden des stimulierbaren Mediums zugeordnet sind, wahl- ist, so daß der piezoelektrische Wandler eine akustische weise fokussiert werden. Bei dieser Fokussierung Welle einer mit der Oszillatorfrequenz gleichen Freerfolgt eine Verschiebung der Brennpunkte in Ab- quenz erzeugt. Das dem piezoelektrischen Wandler hängigkeit von der Schallwelle quer zur Richtung 55 abgelegene Ende der Zelle 16 kann entweder in bekannder optischen Achse des Resonators. ter Weise durch ein absorbierendes Medium abge-

Es ist auch ein optischer Sender für kohärentes schlossen sein, um Reflexionen der akustischen Welle

Licht mit einem von zwei Spiegeln begrenzten opti- zu verhindern und somit innerhalb der Zelle sich fort-

schen Resonator bekannt (schweizerische Patentschrift flanzende Wellen zu erhalten, oder aber die Zelle

505), wobei einer der Spiegel gegenüber dem 60 kann an dieser Seite offen bleiben, um Reflexionen

stimulierbaren Medium konvex und mit Abstand der Welle zu ermöglichen, so daß sich stehende Wellen

davon angeordnet ist. Zwischen das stimulierbare ausbilden.

Medium und den kohärenten Spiegel ist hierbei eine Unter der Annahme einer stehenden Welle innerSammellinse eingeschaltet. Diese Anordnung dient halb der Zelle 16 ist in F i g. 1 mit der Linie 21 der dazu, nicht achsenparallele Strahlen des optischen 65 Druckgradient in der Zelle unter der Wirkung der Resonators zu unterdrücken. stehenden Welle eingezeichnet. Je höher der Druck

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ist, desto weiter nach rechts ist die Linie 21 ausge-

optischen Sender der eingangs genannten Art derart baucht, während ein kleinerer Druck an denjenigen