EP0224234A2 - Offener, quasi-optischer Resonator für elektromagnetische Millimeter- und Submilllimeterwellen - Google Patents

Offener, quasi-optischer Resonator für elektromagnetische Millimeter- und Submilllimeterwellen Download PDF

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EP0224234A2
EP0224234A2 EP86116277A EP86116277A EP0224234A2 EP 0224234 A2 EP0224234 A2 EP 0224234A2 EP 86116277 A EP86116277 A EP 86116277A EP 86116277 A EP86116277 A EP 86116277A EP 0224234 A2 EP0224234 A2 EP 0224234A2
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EP
European Patent Office
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mirror
quasi
open
optical resonator
radius
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Bernhard Isaak
André Perrenoud
Minh Quang Dr. Tran
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/025—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators with an electron stream following a helical path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
    • H01J23/18—Resonators
    • H01J23/20—Cavity resonators; Adjustment or tuning thereof

Definitions

  • the invention relates to an open, quasi-optical resonator for electromagnetic millimeter and submillimeter waves according to the preamble of claim 1.
  • Such a resonator is preferably used in a microwave source, which is known under the term quasi-optical gyrotron and is described, for example, in an article by T.A. Hargeaves et al., Int. J. Electronics 57, 977 (1984) or also in an article A. Perrenoud et al., Int. J. Electronics 57, 985 (1984).
  • a high-energy electron beam generated by an electron gun passes through the above-mentioned resonator in the middle between the two concave mirrors. Due to a strong magnetic field oriented parallel to the electron beam axis, the electrons move in a spiral Orbits with an orbital frequency corresponding to the cyclotron frequency. This is directly proportional to the strength of the magnetic field. With a suitable choice of the magnetic field strength, the spiraling electrons in the resonator excite the desired electromagnetic waves in the millimeter or submillimeter range. These are decoupled from the resonator and fed to the output of the gyrotron. An important area of application will be nuclear fusion, where the energy of the waves is used to heat the fusion plasma.
  • TEM mnp modes arise in the resonator.
  • the indices m and n denote transverse modes, while p stands for longitudinal modes (see also H. Kogelnik, 1966, Modes in Optical Resonators; Lasers, Vol. 1, edited by AK Levine, New York: Marcel Dekker, p. 295).
  • TEM oop modes are selected in a gyrotron because they have the lowest diffraction losses. For the sake of simplicity, only such modes will be considered below. Nevertheless, all of the following statements also apply to the more general TEM mnp modes.
  • Modes are standing waves in the resonator.
  • the surfaces of the concave mirrors are surfaces of the same phase.
  • the tangential component of the electric field vector disappears on them.
  • the surfaces of the concave mirrors are therefore node surfaces for the modes.
  • the concave mirrors have a plurality of mirror surfaces offset in a step-like manner.
  • Such modes are preferably formed in such a resonator structure, for which the step-like offset of the individual mirror surfaces relative to one another approximately corresponds to a whole multiple of their half wavelength and for which all mirror surfaces are therefore node surfaces.
  • the individual mirror surfaces are offset by one or more whole multiples of half the wavelength ⁇ p / 2 of the desired TEM oop mode, this condition applies precisely to the desired mode.
  • it does not apply to the TEM ooq modes adjacent to the desired mode.
  • These suffer higher diffraction in the resonator according to the invention loss than in a resonator without a step structure.
  • the desired mode TEM oop is preferably excited in the resonator according to the invention.
  • the excitation of the desired mode TEM oop in the resonator according to the invention is considerably more efficient than in a resonator without a step structure.
  • the total step-like offset of the individual mirror surfaces should be between 6 and 10 half wavelengths ⁇ p / 2 of the desired TEM oop mode.
  • the areas of the individual mirror areas are advantageously dimensioned relative to one another such that they have approximately the same energy flow. Slots can be provided for coupling out the electromagnetic waves.
  • the open, quasi-optical resonator shown in FIG. 1 consists of two identical, opposed, round concave mirrors 1 and 2. These each have two mirror surfaces 1.1 and 1.2 or 2.1 and 2.2, which are staggered with respect to one another.
  • the mirror surfaces 1.1, 1.2, 2.1 and 2.2 are spherically curved with approximately the same radii of curvature R and are adapted to the node surfaces of the standing waves that form in the resonator.
  • the mirror surfaces 1.1 and 1.2 on the one hand and the mirror surfaces 2.1 and 2.2 on the other hand are arranged concentrically to one another.
  • the inner mirror surfaces 1.1 and 2.1 are designed as continuous, central mirror surfaces. They are surrounded by the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2 in a ring.
  • the inner mirror surfaces 1.1 and 2.1 limiting radius r 1.1 and r 2.1 corresponds to the inner radius of the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2.
  • Annular slots 1.3 and 2.3 are provided in the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2. These are used to decouple the electromagnetic waves from the resonator.
  • the slots 1.3 and 2.3 need not be closed. They can be interrupted by webs, as is evident from the view of one of the concave mirrors 1 or 2 shown in FIG. 2. A mechanical connection between the mirror region lying inside and outside the slots advantageously results via the webs.
  • the reference symbols in FIG. 2 correspond to the corresponding reference symbols in FIG. 1.
  • the step-like offset h of the mirror surfaces 1.1 and 1.2 on the one hand and the mirror surfaces 2.1 and 2.2 on the other hand, as already explained, amount to at least approximately one or more whole multiples of half the wavelength ⁇ p / 2 of the desired mode. It is preferably between 6 ⁇ p / 2 and 10 ⁇ p / 2.
  • the radius a of the concave mirrors 1 and 2 and their mutual distance d should give a Fresnel number N (defined as a2 / ( ⁇ p d) between 0.5 and 10. Furthermore, the mutual distance d of the concave mirrors 1 and 2 should be greater than 50 ⁇ p It is taken with respect to the base areas of the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2.
  • the surfaces of the mirror surfaces 1.1 and 1.2 or 2.1 and 2.2 are dimensioned relative to one another in such a way that they each have approximately the same energy flow.
  • the energy distribution on the mirrors is given by a Gaussian distribution, so that the energy flow in the center of the concave mirror 1, 2 is greater than at the edge. Therefore, the outer mirror surfaces 1.2 and 2.2 are larger in area than the central mirror surfaces 1.1 and 2.1.
  • the resonator geometry can be selected for each desired resonance frequency in such a way that an optimum is achieved with regard to diffraction losses and the coupling of the energy through the slots.
  • the resonance frequency of 120 GHz with the corresponding wavelength of 2.5 mm.
  • this corresponds to a TEM oop with p 287.
  • the mutual offset h of the mirror surfaces 1.1 and 1.2 or 2.1 and 2.2 is approximately 8 ⁇ p / 2 and the mutual distance d of the concave mirrors 1 and 2 from each other is 144 ⁇ p .
  • the numbers for all radii are the polar angles ⁇ 1, ⁇ 2.1 , ⁇ 2.2 and ⁇ 3, below which the edges of the spherically curved mirror surfaces 1.1 and 2.1 or 2.1 and 2.2 and the edges of the slots 1.3 and 2.3 of their order h mutually offset centers of curvature appear.
  • the concave mirror 1 these polar angles and the centers of curvature are shown in FIG. 1.
  • the latter are designated M 1.1 and M 1.2 .
  • FIG. 3 shows in 6 diagrams a) to f) the results of a numerical simulation of the competition of modes 285 to 298 in their chronological order within a period of approximately 20 usec.
  • the modes TEM oo285 to TEM oo289 are plotted along the discrete abscissa in the individual diagrams. The ordinate corresponds to the efficiency E in% of the energy transfer from the electron beam to the individual modes.
  • Diagrams a) to f) show the situation in the resonator at successive times. After an initial competition of all modes (mainly in diagrams a) to c), the desired mode TEM oo287 finally prevails and remains practically the only one with an electronic efficiency of 34%.
  • a simulation carried out for comparison purposes for a resonator without a step structure showed the dominance of two modes under otherwise identical conditions, namely the modes TEM oo285 and TEM oo286 and this only with an electronic efficiency of 25%.
  • Desired modes can thus be generated practically pure and with high efficiency by the invention.
  • the concave mirrors need not only have two mirror surfaces offset from one another. You can also be provided with three or even more staggered mirror surfaces.
  • the outer or the outer mirror surfaces need not be set back from the central mirror surface or from one another, as in the example in FIG. 1. Reverse dislocation is also possible since it is essentially physically equivalent.
  • slots in the concave mirrors for decoupling the electromagnetic waves are not the only possibility, but the electromagnetic power, since the resonator is open, could be collected in a suitable manner by diffraction at the mirror edges.
  • a concave mirror is shown in section with three mutually offset mirror surfaces without slots.
  • the mirror surfaces are offset from one another in the opposite manner to that of the concave mirrors 1 and 2 according to FIG. 1.

Landscapes

  • Lasers (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Microwave Tubes (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Dieser Resonator weist zwei einander gegenüberliegende Hohlspiegel (1, 2) mit annähernd sphärischer Krümmung auf. Zur Begünstigung der Ausbildung einer einzelnen, gewünschten TEMoop-Mode gegenüber TEMooq-Moden mit q = p ±1, p ±2, ..., im Resonator, sind die Hohlspiegel (1, 2) jeweils mit mindestens zwei um ein oder mehrere ganze Vielfache der halben Wellenlänge λp/2 der gewünsch­ten TEMoop-Mode stufenförmig gegeneinander versetzten Spiegelflächen (1.1, 1.2 bzw. 2.1, 2.2) versehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen offenen, quasi-optischen Resonator für elektromagnetische Millimeter- und Sub­millimeterwellen gemäss dem Oberbegriff des Patentan­spruchs 1.
  • Ein solcher Resonator findet vorzugsweise Verwendung in einer Mikrowellenquelle, welche unter dem Begriff quasi-optisches Gyrotron bekannt und beispielsweise in einem Artikel von T.A. Hargeaves et al., Int. J. Electronics 57, 977 (1984) oder auch in einem Artikel A. Perrenoud et al., Int. J. Electronics 57, 985 (1984) beschrieben ist.
  • In dem in den Artikeln beschriebenen Gyrotron durchsetzt ein von einer Elektronenkanone erzeugter Hochenergie­elektronenstrahl den genannten Resonator in der Mitte zwischen den beiden Hohlspiegeln. Aufgrund eines parallel zur Elektronenstrahlachse orientierten starken Magnet­feldes bewegen sich die Elektronen auf spiralförmigen Bahnen mit einer der Zyklotronfrequenz entsprechenden Umlauffrequenz. Diese ist direkt proportional zur Stärke des Magnetfeldes. Bei geeigneter Wahl der Magnetfeldstärke regen die spiralenden Elektronen im Resonator die gewünsch­ten elektromagnetischen Wellen im Millimeter- oder Sub­millimeterbereich an. Diese werden aus dem Resonator ausgekoppelt und dem Ausgang des Gyrotrons zugeführt. Ein wichtiges Anwendungsgebiet wird die Kernfusion sein, wo die Energie der Wellen zur Heizung des Fusionsplasmas dienen soll.
  • Im allgemeinen entstehen im Resonator TEMmnp-Moden. Die Indizes m und n bezeichnen Transversalmoden, während p für Longitudinalmoden steht (vgl. auch H. Kogelnik, 1966, Modes in Optical Resonators; Lasers, Vol. 1, heraus­gegeben von A.K. Levine, New York: Marcel Dekker, S. 295). Normalerweise werden in einem Gyrotron nur die TEMoop-Moden selektiert, weil sie die geringsten Diffraktionsverluste aufweisen. Im folgenden sollen der Einfachheit halber auch nur solche Moden betrachtet werden. Gleichwohl gelten alle nachstehenden Aussagen auch für die allge­meineren TEMmnp-Moden. Damit die thermische Belastung der Hohlspiegel in einem Hochenergie-Gyrotron nicht zu gross wird (die Feldleistung im Resonator kann einige Megawatt betragen), müssen deren Abmessungen wesentlich grösser als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung sein. Ein praktischer Wert für p liegt im Bereich zwischen 40 und 400. Das hat allerdings zur Folge, dass der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Moden TEMoop und TEMoo(p+1) wesentlich kleiner ist als das Instabilitäts-Frequenzband des Gyrotrons. Das wirft das Problem einer Moden-Konkurrenz auf (vgl. z.B. Bondeson et al., Int. J. Infrared Millimeter Waves 9, 309 (1984)).
  • Nun ist für die meisten Anwendungen die Reinheit der Moden des Gyrotrons von ausschlaggebender Bedeutung.
  • Numerische Berechnungen zeigen, dass unter geeigneten Bedingungen der quasi-optische Resonator auf einer longi­tudinalen Mode betrieben werden kann. Bei der Wahl eines günstigeren inhomogenen Magnetfeldprofils ist dies nicht mehr der Fall. Die Effizienz des Energieübertrags aus dem Elektronenstrahl auf das elektromagnetische Feld wird dann wegen der nichtlinearen Modenkonkurrenz herab­gesetzt.
  • Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeich­net ist, löst die Aufgabe, eine Resonatorstruktur der eingangs genannten Art anzugeben, in welcher eine einzelne, gewünschte Longitudinalmode TEMoop gegenüber ihren benach­barten Moden TEMooq (q = p ±1, p ±2, ...) bevorzugt und effizient angeregt wird.
  • Moden sind stehende Wellen im Resonator. Für sie sind die Oberflächen der Hohlspiegel Flächen gleicher Phase. Zudem verschwindet auf ihnen die tangentiale Komponente des elektrischen Feldvektors. Die Oberflächen der Hohl­spiegel sind daher Knotenflächen für die Moden. Beim erfindungsgemässen Resonator weisen die Hohlspiegel mehrere stufenförmig gegeneinander versetzte Spiegelflä­chen auf. In einer solchen Resonatorstruktur bilden sich bevorzugt solche Moden aus, für die der stufenförmige Versatz der einzelnen Spiegelflächen gegeneinander an­nähernd einem ganzen Vielfachen ihrer halben Wellenlänge entspricht und für die deshalb sämtliche Spiegelflächen Knotenflächen sind. In dem nach der Erfindung die einzel­nen Spiegelflächen um ein oder mehrere ganze Vielfache der halben Wellenlänge λp/2 der gewünschten TEMoop-­Mode versetzt sind, gilt diese Bedingung gerade für die gewünschte Mode. Sie gilt dagegen nicht für die zur gewünschten Mode benachbarten Moden TEMooq. Diese erleiden im erfindungsgemässen Resonator höhere Diffrak­ tionsverluste als in einem Resonator ohne Stufenstruktur. Durch die höheren Diffraktionsverluste ihrer benachbarten Moden TEMooq wird die gewünschte Mode TEMoop im Resonator nach der Erfindung bevorzugt angeregt. Zudem ist die Anregung der gewünschten Mode TEMoop im erfindungsge­mässen Resonator wesentlich effizienter als in einem Resonator ohne Stufenstruktur.
  • Optimale Ergebnisse können durch Verwendung der in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichneten Bemessungs­vorschriften erzielt werden. Um genügend grosse Diffrak­tionsverluste der benachbarten Moden zu erreichen, sollte der totale stufenförmige Versatz der einzelnen Spiegel­flächen zwischen 6 und 10 halben Wellenlängen λp/2 der gewünschten TEMoop-Mode betragen. Die Flächen der einzel­nen Spiegelflächen sind relativ zueinander mit Vorteil so bemessen, dass auf sie annähernd der gleiche Energie­fluss entfällt. Für die Auskopplung der elektromagnetischen Wellen können Schlitze vorgesehen werden.
  • Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise erläutert.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Resonators nach der Erfindung in nicht massstabsgetreuer, geschnittener Darstellung mit zwei Hohlspiegeln mit lediglich jeweils zwei gegeneinander versetz­ten Spiegelflächen,
    • Fig. 2 die Aufsicht auf einen der Hohlspiegel nach Fig. 1,
    • Fig. 3 in 6 Diagrammen a) bis f) die zeitliche Ent­wicklung der Modenkonkurrenz in einem Resonator nach der Art von Fig. 1 und
    • Fig. 4 in geschnittener Darstellung einen Hohlspiegel für einen Resonator nach der Erfindung mit drei gegeneinander versetzten Spiegelflächen.
  • Der in Fig. 1 dargestellte, offene, quasi-optische Resona­tor besteht aus zwei identischen, einander gegenüberlie­genden, runden Hohlspiegeln 1 und 2. Diese weisen jeweils zwei stufenförmig gegeneinander versetzte Spiegelflächen 1.1 und 1.2 bzw. 2.1 und 2.2 auf. Die Spiegelflächen 1.1, 1.2, 2.1 und 2.2 sind sphärisch gekrümmt mit annähernd gleichen Krümmungsradien R und sind Knotenflächen der sich im Resonator ausbildenden, stehenden Wellen angepasst. Die Spiegelflächen 1.1 und 1.2 einerseits und die Spiegel­flächen 2.1 und 2.2 andererseits sind konzentrisch zueinan­der angeordnet. Die inneren Spiegelflächen 1.1 und 2.1 sind als durchgehende, zentrale Spiegelflächen ausge­bildet. Sie sind von den äusseren Spiegelflächen 1.2 und 2.2 ringförmig umgeben. Der die inneren Spiegel­flächen 1.1 und 2.1 begrenzende Radius r1.1 bzw. r2.1 entspricht dem inneren Radius der äusseren Spiegelflächen 1.2 bzw. 2.2. In den äusseren Spiegelflächen 1.2 und 2.2 sind ringförmige Schlitze 1.3 und 2.3 vorgesehen. Diese dienen zur Auskopplung der elektromagnetischen Wellen aus dem Resonator. Die Schlitze 1.3 und 2.3 brau­chen nicht in sich geschlossen zu sein. Sie können von Stegen unterbrochen sein, wie dies aus der in Fig. 2 dargestellten Aufsicht auf einen der Hohlspiegel 1 oder 2 deutlich wird. Ueber die Stege ergibt sich in vorteil­hafter Weise eine mechanische Verbindung zwischen dem innerhalb und ausserhalb der Schlitze liegenden Spiegel­bereich. Die Bezugszeichen in Fig. 2 stimmen mit dem entsprechenden Bezugszeichen von Fig. 1 überein.
  • Damit sich im Resonator zwischen den Hohlspiegeln 1 und 2 die gewünschte Mode TEMoop gegenüber ihren benach­barten Moden TEMooq bevorzugt ausbilden kann, muss der stufenförmige Versatz h der Spiegelflächen 1.1 und 1.2 einerseits bzw. der Spiegelflächen 2.1 und 2.2 anderer­seits gegeneinander, wie bereits erläutert, wenigstens annähernd einem oder mehreren ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge λp/2 der gewünschten Mode betragen. Vorzugsweise beträgt er zwischen 6 λp/2 und 10 λp/2.
  • Der Radius a der Hohlspiegel 1 und 2 sowie ihr gegen­seitiger Abstand d sollte eine Fresnelzahl N (definiert als a²/(λpd) zwischen 0.5 und 10 ergeben. Weiter sollte der gegenseitige Abstand d der Hohlspiegel 1 und 2 grösser als 50 λp sein. Er wird bezüglich der Grundflächen der äusseren Spiegelflächen 1.2 bzw. 2.2 genommen.
  • Die Flächen der Spiegelflächen 1.1 und 1.2 bzw. 2.1 und 2.2 sind relativ zueinander so bemessen, dass auf sie jeweils annähernd der gleiche Energiefluss entfällt. Dabei sind auch die Schlitze 1.3 bzw. 2.3 sowie ihre durch die Radien r1.3.1 und r1.3.2 bzw. r2.3.1 und r2.3.2 bestimmte Breite und Lage in den äusseren Spiegelflächen 1.2 bzw. 2.2 zu berücksichtigen. Die Energieverteilung auf den Spiegeln ist durch eine gauss'sche Verteilung gegeben, so dass der Energiefluss im Zentrum der Hohl­spiegel 1, 2 grösser ist als am Rand. Deshalb sind die äusseren Spiegelflächen 1.2 bzw. 2.2 flächenmässig grösser als die zentralen Spiegelflächen 1.1 bzw. 2.1.
  • Grundsätzlich kann für jede gewünschte Resonanzfrequenz die Resonatorgeometrie so gewählt werden, dass man ein Optimum bezüglich Diffraktionsverluste und Auskopplung der Energie durch die Schlitze erreicht. Als Beispiel sei die Resonanzfrequenz von 120 GHz mit der entsprechenden Wellenlänge von 2,5 mm betrachtet. Dies entspricht für den Resonator mit den nachfolgend optimierten Grössen einer TEMoop mit p = 287. Für die die Resonatorgeometrie festlegenden Grössen ergeben sich in diesem Fall die folgenden bevorzugten Werte:
    Figure imgb0001
  • Im gewählten Beispiel beträgt der gegenseitige Versatz h der Spiegelflächen 1.1 und 1.2 bzw. 2.1 und 2.2 etwa 8 λp/2 und der gegenseitige Abstand d der Hohlspiegel 1 und 2 voneinander 144 λp. Die Zahl N aus der Beziehung N = a²/λpd beträgt hier 5,44. Vorstehend sind hinter den Zahlenangaben für sämtliche Radien noch die Polar­winkel ϑ₁, ϑ2.1, ϑ2.2 und ϑ₃ angegeben, unter denen die Ränder der sphärisch gekrümmten Spiegelflächen 1.1 und 2.1 bzw. 2.1 und 2.2 sowie die Ränder der Schlitze 1.3 bzw. 2.3 von ihren um h gegeneinander versetzten Krümmungsmittelpunkten aus erscheinen. Für den Hohlspiegel 1 sind diese Polarwinkel sowie die Krümmungsmittelpunkte in Fig. 1 eingezeichnet. Letztere sind mit M1.1 und M1.2 bezeichnet.
  • Im beispielsweise betrachteten, speziellen Fall ergeben sich folgende Werte für die Diffraktionsverluste der bevorzugten Mode TEMoo287 sowie ihrer benachbarten Moden TEMoo287±1,...,5:
    Figure imgb0002
  • Fig. 3 zeigt in 6 Diagrammen a) bis f) die Ergebnisse einer numerischen Simulation der Konkurrenz der Moden 285 bis 298 in ihrer zeitlichen Abfolge innerhalb einer Zeitspanne von etwa 20 usec. In den einzelnen Diagrammen sind entlang der diskreten Abszisse die Moden TEMoo285 bis TEMoo289 aufgetragen. Die Ordinate entspricht jeweils der Effizienz E in % des Energieübertrags vom Elektro­nenstrahl auf die einzelnen Moden. Die Diagramme a) bis f) geben die Situation im Resonator zu aufeinan­derfolgenden Zeitpunkten wieder. Nach einer anfänglichen Konkurrenz sämtlicher Moden (vornehmlich in den Diagrammen a) bis c) setzt sich die gewünschte Mode TEMoo287 schliess­lich durch und bleibt praktisch als einzige übrig mit einer elektronischen Effizienz von 34 %. Eine zu Ver­gleichszwecken vorgenommene Simulation für einen Resonator ohne Stufenstruktur ergab unter sonst gleichen Bedingungen die Dominanz zweier Moden, nämlich der Moden TEMoo285 und TEMoo286 und dies auch nur mit einer elektronischen Effizienz von 25 %.
  • Durch die Erfindung können also gewünschte Moden praktisch rein und mit hoher Effizienz erzeugt werden.
  • Die Hohlspiegel brauchen nach der Erfindung nicht lediglich zwei gegeneinander versetzte Spiegelflächen aufzuweisen. Sie können auch mit drei oder noch mehr gegeneinander versetzten Spiegelflächen versehen sein. Zudem muss die äussere bzw. müssen die äusseren Spiegelflächen gegenüber der zentralen Spiegelfläche sowie gegeneinander nicht, wie im Beispiel von Fig. 1, zurückversetzt sein. Auch eine umgekehrte Versetzung ist möglich, da sie physikalisch im wesentlichen äquivalent ist. Schliesslich sind Schlitze in den Hohlspiegeln zur Auskopplung der elektromagnetischen Wellen nicht die einzige Möglichkeit, sondern die elektromagnetische Leistung könnte, da der Resonator offen ist, durch Diffraktion an den Spiegelrän­dern in einer geeigneten Weise gesammelt werden.
  • In Fig. 4 ist ein Hohlspiegel in geschnittener Darstellung mit drei gegeneinander versetzten Spiegelflächen ohne Schlitze dargestellt. Die Spiegelflächen sind in umge­kehrter Weise gegeneinander versetzt wie bei den Ho­lspiegeln 1 und 2 nach Fig. 1.

Claims (10)

1. Offener, quasi-optischer Resonator für elektromagneti­sche Millimeter- und Submillimeterwellen mit zwei einander gegenüberliegenden Hohlspiegeln (1, 2) mit annähernd sphärischer Krümmung, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlspiegel (1, 2) zur Begünstigung der Ausbildung einer einzelnen, gewünschten TEMoop-Mode gegenüber TEMooq-Moden mit q = p ±1, P ±2, ..., jeweils mindestens zwei um ein oder mehrere ganze Vielfache der halben Wellenlänge λp/2 der gewünschten TEMoop-Mode stufenförmig gegeneinander versetzte Spiegelflächen (1.1, 1.2 bzw. 2.1, 2.2) aufweisen (Fig. 1).
2. Offener, quasi-optischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegeneinander stufen­förmig versetzten Spiegelflächen (1.1, 1.2 bzw. 2.1, 2.2) der Hohlspiegel (1, 2) konzentrisch zueinander angeordnet sind und die innerste Spiegelfläche (1.1 bzw. 2.1) jeweils als durchgehende Zentralfläche ausgebildet ist (Fig. 1).
3. Offener, quasi-optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei beiden Hohlspiegeln (1, 2) in einer der Spiegel­flächen, vorzugsweise in einer äusseren (1.2 bzw. 2.2), mindestens ein vorzugsweise ringförmiger Schlitz (1.3 bzw. 2.3) zur Auskopplung der elektromagnetischen Wellen vorgesehen ist (Fig. 1).
4. Offener, quasi-optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius aller Spiegelflächen (1.1, 1.2 bzw. 2.1, 2.2) annähernd gleich ist (Fig. 1).
5. Offener, quasi-optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenseitige Abstand d der Hohlspiegel (1, 2) sowie ihr Radius a der Beziehung
N = a² /λpd
genügen, wobei N eine Zahl zwischen 0,5 und 10 ist (Fig. 1).
6. Offener, quasi-optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenseitige Abstand d der Hohlspiegel (1, 2) grösser als 50 λp ist (Fig. 1).
7. Offener, quasi-optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der einzelnen Spiegelflächen (1.1, 1.2 bzw. 2.1, 2.2) relativ zueinander so bemessen sind, dass auf sie etwa der gleiche Energiefluss entfällt (Fig. 1).
8. Offener, quasi-optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlspiegel (1, 2) jeweils zwei stufenförmig, vorzugs­weise um etwa 6 λp/2 bis 10 λp/2 gegeneinander versetzte Spiegelflächen (1.1, 1.2 bzw. 2.1, 2.2) aufweisen (Fig. 1).
9. Offener, quasi-optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für λp = 2,5 mm der Abstand d der Hohlspiegel 360 mm, der Krümmungsradius (R) der Hohlspiegel (1, 2) 288 mm und die stufenförmige Versetzung (h) der Spiegelflächen (1.1, 1.2 bzw. 2.1, 2.2) jeweils 10,033 mm beträgt, dass die zentrale Spiegelfläche (1.1 bzw. 2 1) jeweils einen Radius (r1.1 bzw r2.1) von 12 mm und die äussere Spiegelfläche (1.2 bzw. 2.2) jeweils den gleichen Radius (r1.1 bzw. r2.1) als inneren und den Radius a jeweils als äusseren Radius aufweist und dass der Schlitz (1.3 bzw. 2.3) jeweils in der äusseren Spie­gelfläche (1.2 bzw. 2.2) zwischen einem Radius (r1.3.1 bzw. r2.3.1) von 26 mm und einem Radius (r1.3.2 bzw. r2.3.2) von 43,5 mm vorgesehen ist (Fig. 1).
10. Offener, quasi-optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Spiegelflächen (1.2 bzw. 2.2) gegenüber den zentralen Spiegelflächen (1.1 bzw. 2.1) jeweils zurückversetzt sind (Fig. 1).
EP19860116277 1985-11-29 1986-11-24 Offener, quasi-optischer Resonator für elektromagnetische Millimeter- und Submilllimeterwellen Expired - Lifetime EP0224234B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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CH509685A CH668865A5 (de) 1985-11-29 1985-11-29 Offener, quasi-optischer resonator fuer elektromagnetische millimeter- und submillimeterwellen.
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