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Optischer Sender für phasenkohärente Strahlung. Die Erfindung
betrifft einen optischen Sender für phasenkohärente Strahlung mit einem durch optische
Strahlung Überbesetzt anregbaren und im wesentlichen parallel zu einer Achse stimuliert
emittierenden, insbesondere festen Medium, das in einem von zwei Reflektoranordnungen
begrenzten optischen Resonator angeordnet ist.
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Unter der Bezeichnung "Laserm sind optische Sender der oben angegebenen
Art bekannt, die als stimulierbares Medium einen Stab aus synthetischem Rubin, Neodymglas
oder dergleichen enthalten. Das stabförmige, stimulierbare Medium ist in einer Brennlinie
eines Spiegels, der die Form eines elliptischen Zylinders hat, angeordnet, in dessen
anderer Brennlinie sich eine längliche Xenonlampe befindet.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung tritt die anregende Strahlung
in der Hauptsache radial in das stimulierbare Medium ein, so daß'sich eine unsymmetrische
Strahlungsdichte im stimulierbaren Medium ergibt, und zwar ist die Dichte der anregenden
Strahlung in den achenahen Bereichen größer als in den umfangenahen Bereichen den
Querschnittes den stimulierbaren Mediums. Da die Dichte der überbesetzten Zustände
der Dichte der anregenden Strahlung etwa
proportional ist, ist auch
die Dichte der überbesetzten Zustände in den achsnahen Bereichen größer als in den
umfangsnahen Bereichen.
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Die ungleichmäßige Verteilung der überbesetzten Zustände auf den Querschnitt
des stimulierbaren Mediums hat in der Praxis einige sehr unerwUnschte Folgen: Erstens
wird der Schwellwert für die stimulierte Emission in den achsnahen Bereichen eher
erreicht als in den umfangsnahen Bereichen und das stimulierbare Medium wird dadurch
nicht optimal ausgenutzt. Bei optischen Sendern, die mit sehr hohen Impulsleistungen
betrieben werden (sog. "Riesenimpuls-Lasern"), besteht außerdem die Gefahr einer
Überbelastung und Zerstörung des stimulierbaren Mediums In den bevorzugt angeregten
Querschnittsbereichen.
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Die obigen Nachteile sind besonders gravierend bei optischen Sendern,
die einen passiven Gütegehalter enthalten. Ein passiver Güteschalter besteht gewöhnlich
aus einem Medium, dessen Absorptionskoeffizient für die stimuliert emittierte Strahlung
eine inverse Funktion der Strahlungsdichte ist. Bei relativ schwacher Strahlung
verhindert der Güteschalter eine stimulierte Emission und einen nennenswerten Abbau
der überbesetzt angeregten Zustände und erst wenn die Dichte dieser Zustände einen
relativ hohen Wert erreicht hat, verliert'der Güteschalter seine Absorptionsfähigkeit,
wobei dann ein rascher Abbau der überbesetzten Zustände eintritt und ein Strahlungsimpuls
sehr hoher Leistung emittiert wird. Bei ungleichmäßiger Überbesetzung wird aber
der Schwellwert des Güteschalters an bestimmten Stellen eher Überschritten als an
anderen, so daß der Strahlungsimpuls schon bei einem unerwünscht niedrigen Absolutwert
der Anzahl der im ganzen stimulierbaren Medium überbesetzt angeregten Zustände emittiert
wird und dann einen entsprechend geringen Energieinhalt hat.
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Bei ungleichmäßiger Anregung und Emission des stimulierbaren Mediums
ist außerdem die Winkeldivergenz der emittierten Strahlung größer als
bei gleichmäßigerer Anregung
und Emission, was ebenfalls
fUr viele Anwendungszwecke nachteilig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.
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Dies wird bei einem optischen Sender für phasenkohärente Strahlung
mit einem durch optische Strahlung überbesetzt anregbaren und im wesentlichen parallel
zu einer Achse stimuliert emittierenden, insbesondere festen Medium, das in einem
von zwei Reflektoranordnungen begrenzten optischen Resonator angeordnet ist, gemäß
der Erfindung dadurch erreicht, daß mindestens die eine Reflektoranordnung so ausgebildet
ist, daß die achsenparallel einfallende Strahlung in einer zur Achse senkrechten
Richtung versetzt reflektiert wird.
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Ein optischer Sender für phasenkohärente Strahlung enthält gewöhnlich
eine vollständig und eine teilweise reflektierende Reflektoranordnung. Vorzugsweise
wird die vollständig reflektierende Reflektoranordnung in der oben angegebenen Weise
ausgebildet.
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Die Reflektoranordnung oder -anordnungen können Winkelspiegel oder
Tripelspiegel enthalten.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert, es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teiles eines
optischeh Sendern mit einer Reflektoranordnung gemäß der Erfindung und Fig. 2,
3 und 4 eine Reflektoranordnung gemäß anderen Ausführungsformen dt. Erfindung,
die bei einem optischen Sender der In Fig. 1 dargestellten Art verwendet
werden können.
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Der in Fig. 1 nur teilweise und vereinfacht dargestellte optische
Sender enthält als stimulierbares Medium einen Stab 1 aus Rubin, Neodymglas
oder dergleichen, der durch eine nicht dargestellte Strahlungequelle, z.B. eine
.Xenonlampe, optisch anregbar ist. Die anregende Strahlung ist durch Pfeile 2 angedeutet,
sie fällt von allen Seiten
etwa radial in den Stab 1 ein.
Das stimulierbare Medium und die Strahlungsquelle können hierbei in bekannter Weise
in den Brennlinien eines Spiegels, der die Form eines elliptischen Zylinders hat,
angeordnet sein.
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Das stimulierbare Medium Ist in einem optischen Resonator angeordnet,
der aus einem teildurchlässigen Spiegel 3 und einer vollständig reflektierenden
Reflektoranordnung 4 besteht, auf die noch näher eingegangen wird. Zwischen dem
einen Ende des Stabes 1 und der Reflektoranordnung 4 befindet sich ein passiver
Güteschalter 5, der in bekannter Weise ausgebildet sein kann.
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Im Betrieb wird das stimulierbare Medium 1 durch die von allen
Seiten radial einfallende Strahlung 2 überbesetzt angeregt. Da die anregende Strahlung
radial in den Stab 1 eintritt und die Absorptionskonstante verhältnismäßig
klein ist, ist die Strahlungsdichte in dem der Achse 6 benachbarten, in Fig.
1 kreuzschraffiert dargestellten Bereich 7 des stimulierbaren Mediums
stärker als in dem hohlzylinderförmigen Umfangsbereg. ; 8. Wenn die Reflektoranordnung
4 wie bei den bekannten optischen Sendern als ebener Spiegel ausgebildet wäre, würden
der Schwellwert der stimulierten Emission im Stab 1 und der Schwellwert des
passiven Güteschalters 5
im achsnahen Bereich eher erreicht werden als im
Umfangsbereich und es wÜrde ein Strahlungsimpuls erzeugt und durch den teildurchlässigen
Spiegel 3 emittiert, der nicht den maximal möglichen Energieinhalt hat. Um
diesen Mangel zu vermeiden, besteht die vollständig reflektierende Reflektoranordnung
4 nicht wie bisher aus einem ebenen Spiegel, sondern aus einer Art Umlenkprisma
9, das zur Achse 6 rotationssymmetrisch ist. Das Prisma
9
hat eine im wesentlichen ebene Vorderseite 10, durch die die stimulierte
Strahlung ein- und austritt, sowie eine reflektierende Rückseite 11 mit einer
kreisbogenförmigen Kante 12, an der sich eine kegelstumpfförmige Außenfläche
13 und eine kegelförmige Innenfläche 14, deren Scheitel auf der Achse
6 liegt, unter einem Winkel von 900 treffen, Die Flächen
13,
14 können erforderlichenfalls mit einem spiegelnden Belag versehen sein.
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Wie leicht einzusehen ist, bewirkt die Reflektoranordnung 4, daß die
aus dem mittleren Bereich 7 des Stabes 1 austretende Strahlung (vgl.
Strahl 15) in den Umfangsbereich 8 des Stabes reflektiert 4rd, während
die aus dem Umfangsbereich 8 austretende Strahlung (vgl. Strahl
16) in den achsnahen Bereich 7 reflektiert wird. Auf diese Weise werden
die Dichte der emittierten Strahlung sowie die Schwellwerte in den verschiedenen
Querschnittsbereichen des stimulierbaren Mediums und des Güteschalters
5 vergleichmäßigt und es wird praktisch der ganze Querschnitt des Stabes
1
gleichmäßig zur Emission herangezogen. Dies gestattet nicht nur größere
Impulsenergien zu erreichen, sondern bringt auch eine erhebliche Lebensdauererhöhung
des stimulierbaren Mediums und eine Verringerung der Strahldivergenz mit sich. Geometrische
Überlegungen zeigen, daß die Resonanzbedingung im optischen Resonator
3, 4 auch mit einem Umlenkprisma 9
der dargestellten Art erfUllt werden
kann.
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Fig. 2 zeigt eine Reflektoranordnung 4t, die anstelle der Reflektoranordnung
4 in einem optischen Sender der in Fig. 1 dargestellten Art verwendet werden
kann. Die Reflektoranordnung 41 ist ebenfalls zur Achse 6 rotationssymnetrisch,
ihre Rückseite weist jedoch zwei ringförmige Kanten 12'. 12u auf, an denen sich
jeweils Kegelmantelflächen unter einem Winkel von 90 0 treffen. Mit einer
solchen Reflektoranordnung lassen sich speziellere Korrekturen der Intensitätsverteilung
ausführen.
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Zur Kompensation etwaiger Abweichungen der Form der reflektierenden
Flächen der Reflektoranordnungen 4, 4t von der theoretisch zu fordernden Form kann
eine Korrekturplatte 17 vorgesehen sein, die mittels eines bekannten Verfahrens
hergestellt werden kann, das in der britischen Patentschrift 1 021
839 beschrieben ist. Anstatt eine getrennte Konekturplatte 17 zu verwenden,
kann die erwähnte Korrektur auch an der Fläche 10 durchgeführt werden.
Fig.
3 zeigt eine Stirnansicht einer weiteren Reflektoranordnung 41t, die die
Form eines bekannten Tripel-Spiegels "Katzenauge") hat. Da ein solcher Tripel-Spiegel
jedoch die einfallenden Strahlen nicht radial nach außen versetzt, sondern etwa
im gleichen radialen Abstand von der Achse 6 wieder austreten läßt, wird
ein solcher Tripel-Spiegel jedoch vorzugsweise nur in Fällen verwendet, wo kleinere
Inhomogenitäten oder dgl. kompensiert werden sollen.
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Die Reflektor'anordnung braucht auch nicht einstückig zu sein. So
kann beispielsweise, wie in Fig. 4 dargestellt ist, vor einer konkaven Spiegelanordnung
gi, die den Umlenkprisma 9 in Fig. 1 entspricht, ein weiteres Umlenkprisma
20 angeordnet sein, das zur Erfüllung der Resonanzbedingung getrennt einjustierbar
ist. Selbstverständlich können auch mehrere solcher zusätzlicher Prismen verwendet
werden. An die Stelle der reflektierenden Prismen können selbstverständlich auch
entsprechende an der Oberfläche reflektierende konkave Spiegelanordnungen treten
und umgekehrt.
1. Optischer Sender für phasenkohärente Strahlung
mit einem durch optische Strahlung überbesetzt anregbaren und im wesentlichen parallel
zu einer Achse stimuliert emittierenden, insbesondere festen Medium, das in einem
von zwei Reflektoranordnungen begrenzten optischen Resonator angeordnet ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t
, daß mindestens die eine Reflektoranordnung (4, V, 4") so ausgebildet ist,
daß parallel zur Achse (6) einfallende Strahlung in einer zur Achse senkrechten
Richtung versetzt reflektiert wird.
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2.) Optischer Sender nach Anspruch 1, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t , daß die Reflektoranordnung (4)
mindestens ein Umlenkprisma (9) enthält, das zur Achse (6)
rotationssymmetrisch
ist und auf der hinteren, reflektierenden Fläche (11) mindestens eine dachartige,
kreisringförmige Kante (12) aufweist, an der sich zwei Kegelflächen (13, 14) unter
einem Winkel von 900 treffen.
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_3.) Optischer Sender nach Anspruch 2, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kegelflächen
(13, 14) in einem Winkel von 450 zur Achse (6) verlaufen.
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4.) Optischer Sender nach Anspruch 1, d a d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t daß die Reflektoranordnung ein Umlenkprisma
(V) enthält, das mindestens ein Tripel reflektierender Flächen enthält, die sich
in einem Punkt unter rechten Winkeln schneiden (Fig. 3).
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5.) Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i a h n e t
,
daß die reflektierenden Flächen (13, 14) mit einem spiegelnden Belag
versehen sind.
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6.) Optischer Sender nach Anspruch 1, d a
d u r c h g e k e n n z e i eh n e t , daß die Reflektoranordnung
mindestens einen zur Achse (6) rotationssymmetrischen Oberflächenspiegel
(91) enthält, der mindestens zwei sich unter