DE1175361B

DE1175361B - Optischer Sender oder Verstaerker

Info

Publication number: DE1175361B
Application number: DEV24460A
Authority: DE
Inventors: Marcel W Muller; Arden Sher
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1962-08-22
Filing date: 1963-08-21
Publication date: 1964-08-06
Also published as: GB1016576A; US3564449A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H Ol r;

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H05b.

Deutsche Kl.: 2If-90

V 24460 VIII c / 21 f
21. August 1963
6. August 1964

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker, der dazu dient, mittels selektiver Fluoreszenz aus einem quantenhaft absorbierenden Medium eine kohärente Strahlung zu erzeugen.

Wie optische Sender oder Verstärker aufgebaut werden können, ist bekannt. Dazu sei auf die USA.-Patentschriften 2 929 922 und 2 965 795 verwiesen. Die naturgesetzlichen Grundlagen dieser Geräte sind beispielsweise in dem nach dem Prioritätsdatum dieses Patentes veröffentlichten Aufsatz »Optical Pumping« dargestellt, der in der Zeitschrift »Science«, Bd. 141, Nr. 3581, vom 16. August 1963 erschienen ist. Ein weiterer Überblick über den Stand der Technik läßt sich aus dem Aufsatz »Optical Masers« von A. L. Schalow gewinnen, der in der Zeitschrift »Scientific American«, 204, S. 52 bis 61 (Juni 1961), veröffentlicht wurde.

Die bisher verfügbaren optischen Sender oder Verstärker haben Elektronenübergänge zwischen den Energiestufen einzelner Atome ausgenutzt. Solche elektronischen Übergänge werden aber bei Wellenlängen, die im Infraroten liegen und einige Mikrometer übersteigen, verhältnismäßig selten. Dadurch wird die Zahl der für dieses Wellenlängengebiet verfügbaren optischen Sender oder Verstärker ernstlich eingeschränkt, obwohl gerade dieses Wellenlängengebiet für optische Verbindungssysteme unter anderem außerordentlich wichtig ist. Es ist bekannt, daß Schwingungsübergänge in Molekülen in einem breiten Frequenzgebiet Anlaß zu starken Spektrallinien geben, die sich bis ins ferne Ultrarot hinein erstrecken. Es ist aber bisher noch kein zweckdienliches Verfahren vorgeschlagen worden, wie sich diese Übergänge in einem optischen Sender oder Verstärker ausnutzen lassen.

Demzufolge ist eine Art der Anregung Ziel der Erfindung, durch die selektive Fluoreszenz mittels Schwingungsübergängen in Molekülen möglich ist.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein selektiv fluoreszenter Aktivator als Molekül vorliegt, dessen atomare Eigenschwingungen mit den Anregungszuständen der Hüllenelektronen in Wechselwirkung treten, derart, daß bei der Anregung der Elektronen zwischen zwei elektronischen Energiezuständen eines Moleküls elektronische Übergänge hervorgerufen werden, bei denen sich eine andere geometrische Gleichgewichtslage der Atome oder eine andere geometrische Form der Anordnung der Atome des Moleküls einstellt, so daß erne Umkehr in der Besetzungsdichte zwischen Schwingungsenergiestufen dieser Moleküle eintritt, die ausreicht, eine erzwungene Fluoreszenzstrahlung auf Grund von Über-Optischer SendeF-oder Verstärker

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Marcel W. Muller, Palo Alto, Calif.,

Arden Sher, Sunnyvale, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 22. August 1962

(218 578)

gangen zwischen diesen Schwingungsenergjesfafen hervorzurufen. =

Als Aktivatormoleküle sind zweiatomige Moleküle wie beispielsweise HD, NO, AuCl, BeH oder ¹⁸O bis ¹⁸O geeignet. Man kann aber auch genausogut dreiatomige Moleküle wie beispielsweise NO₂, H₂O oder mehratomige Moleküle wie beispielsweise CH₃CI verwenden.

Ein weiterer Grund, warum nur so wenige optische Sender oder Verstärker für das ultrarote Frequenzgebiet zur Verfügung stehen, liegt darin, daß bei Festkörperverstärkern, die durch Einbau des Aktivators in ein Kristallgitter hergestellt werden, die Relaxation auf Grund der Wechselwirkung mit dem Phononenfeld des Kristallgitters bei ultraroten Frequenzen die effektive Lebensdauer der angeregten Zustände des selektiv fluoreszierenden Materials derart verkürzt, daß eine selektive Fluoreszenz nicht mehr möglich ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist daher ein Festkörperverstärker, in dem solche störenden Wechselwirkungen nicht mehr auftreten. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Aktivator in ein Medium aus in der Kälte verfestigtem Edelgas eingebettet wird.

Die Erfindung wird in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

F i g. 1 ist ein Energiestufenschema, das zur Erklärung der Grundlagen der Erfindung dient;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines

optischen Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung;

409 639/17+

F i g. 3 ist ein Querschnitt und zeigt eine Modifikation der Ausführungsform aus F i g. 2;

Fig. 4 ist eine fragmentarische, perspektivische Ansicht eines optischen Festkörperverstärkers gemäß der Erfindung.

Zu Beginn sollen erst einige Begriffe definiert werden, die in der nachfolgenden Beschreibung verwendet sind. Ein elektronischer Zustand ist durch die potentielle Energie eines Elektrons im Potential eines Atoms oder eines Moleküls bestimmt. Werden jetzt Übergänge zwischen elektronischen Zuständen hervorgerufen, so können diese Übergänge einmal auf »gebundene Zustände« führen. Ein solcher »gebundener Zustand« ist dadurch definiert, daß das Elektron noch im Kraftfeld oder Potentialtopf des Atoms oder des Moleküls verbleibt, so daß das Atom oder das Molekül nach außen hin nach wie vor neutral, erscheint. Übergänge zwischen elektronischen Zuständen können aber auch auf »ungebundene Zustände« führen, und zwar dann, wenn einem Elektron des Atoms oder des Moleküls bei der Anregung so viel Energie zugeführt wird, daß es das Kraftfeld oder den Potentialtopf des Atoms oder des Moleküls verlassen kann. Das Atom oder das Molekül liegt dann im ionisierten Zustand vor. Als Beispiel für einen Übergang in einen »gebundenen Zustand« sei der Übergang C (Grundzustand) in CO (erster angeregter Tripletzustand) angegeben. Der Übergang HD in HD⁺ ist dagegen ein Übergang in einen ungebundenen Zustand, da ein Elektron aus dem Kraftfeld des HD-Moleküls entfernt worden ist.

Ein weiterer elektronischer Zustand kann als die Bildung »virtueller negativer Ionen« beschrieben werden. Dieser Zustand tritt dann auf, wenn ein neutrales Atom oder ein neutrales Molekül zwischenzeitlich ein Elektron anlagert, so daß ein negatives Ion entsteht. Solche negativen Ionen sind in den hier in Frage kommenden Fällen aber nicht stabil, so daß sie in ganz kurzer Zeit ihr angelagertes Elektron wieder abgeben. In der Ausdrucksweise der klassischen Physik kann man vielleicht sagen, daß ein virtuelles negatives Ion dann entsteht, wenn ein Elektron um ein neutrales Molekül herum eine Parabelbahn durchläuft oder nur einige wenige Umläufe durchführt. Trotz der kurzen Lebensdauer eines »virtuellen negativen Ions« übt aber das Elektron, das ganz dicht an dem neutralen Molekül vorbeiläuft, auf die Bindungskräfte zwischen den Molekülbausteinen einen ausreichenden Einfluß aus, um die Besetzung der hier in Frage kommenden Anregungsstufen hervorzurufen.

Schließlich wird in der Beschreibung noch der Begriff des »erlaubten Überganges« verwendet. Darunter soll ein Übergang zwischen zwei Energiestufen verstanden sein, der auf Grund der bekannten quantenmechanischen Auswahlregeln begünstigt ist.

In der F i g. 1 ist nun das molekulare Anregungsschema nach der Erfindung dargestellt. Die untere Kurve in F i g. 1 stellt die potentielle Energie eines Moleküls dar, das nicht angeregt ist, und in dem sich die Elektronen im Grundzustand befinden. Diese Energie ist als Funktion des Ortes von einem der Atomkerne in dem Molekül aufgezeichnet.

Der Gleichgewichtszustand dieses Atoms liegt bei »A«. Es kann um diesen Gleichgewichtszustand in bestimmten festgelegten Amplituden schwingen, die sich für das Molekül in einer Schwingungsenergiestufenleiter darstellen lassen.

Wenn nun ein Hüllenelektron in einen angeregten Zustand gebracht wird, was beispielsweise durch optische Einstrahlung oder durch einen Teilchenstoß erfolgen kann, was beides dem Elektron Energiequanten zuführt, die meistens im Bereich des Sichtbaren oder im nahen Ultraviolett liegen, so besagt das Franck-Condon-Prinzip, daß dieser elektronische Übergang durchgeführt wird, ohne daß sich die Atomkerne merklich bewegen. (Das Franck-Condon-Prinzip ist das Ergebnis einer Arbeit von J. Franck und E. U. Condon, die beispielsweise in dem »American lournal of Physics«, Bd. 5, S. 365, 1947, veröffentlicht ist.) Die Bindungskräfte, die die Kerne in dem Molekül zusammenhalten, werden jedoch von diesen Elektronen vermittelt. Für verschiedene elektronische Zustände sind diese Bindungskräfte im allgemeinen auch derart verschieden, daß sich für die Funktion der potentiellen Energie (obere Kurve) ein neuer Gleichgewichtszustand um Punkt »ß« ergibt.

ao Nun wurde gefunden, daß in diesem Nichtgleichgewichtszustand, der sich aus dieser Anregung elektronischer Zustände ergibt, diejenigen Schwingungsenergiestufen bevorzugt besetzt werden können, deren Schwingungsamplitude sich bis in die Nähe des alten Gleichgewichtszustandes erstreckt. Das ist in der Stufenleiter aus Kurve »ß« gezeigt. Dann tritt aber in der Besetzungsdichte der einzelnen Energiestufen eine Umkehr auf, d. h., bestimmte höherliegende Schwingungsenergiestufen sind stärker besetzt als bestimmte darunterliegende Schwingungsenergiestufen. In diesem System können dann Übergänge von den höherliegenden zu den (energetisch) tieferliegenden Schwingungsenergiestufen stattfinden, die durch die Aussendung von selektiv fluoreszierender Fluoreszenzstrahlung durchgeführt werden.

Im allgemeinen werden solche Moleküle als selektiv fluoreszente Aktivatoren benutzt, in denen die geometrische Anordnung der einzelnen Atome in einem elektronisch angeregten Zustand anders ist als im Grundzustand. Die einfachsten Beispiele sind zweiatomige Moleküle, wie beispielsweise NO, HD oder AuCl, in denen der Gleichgewichtsabstand zwischen den beiden Molekülatomen in zwei verschiedenen elektronischen Zuständen verschieden ist.

Weiter wurde festgestellt, daß auch bestimmte vielatomige Moleküle geeignet sind. Beispiele dafür sind dreiatomige Moleküle wie NO₂ oder H₂O, deren Valenzwinkel in zwei verschiedenen elektronischen Zuständen verschieden sind. Übergänge zwischen diesen elektronischen Zuständen regen also eine Biegeschwingung an. Ein Vorzug dieser Anregung liegt darin, daß die typischen Frequenzen der Schwingung verhältnismäßig niedrig und die entsprechenden Dipolmomente ziemlich groß sind. Ein anderes Beispiel für ein geeignetes vielatomiges Molekül ist ein symmetrischer Rotor, wie beispielsweise CH₃Cl, dessen axiale Gleichgewichtslängenänderung sich in einem elektronischen Übergang äußerst. Solche Moleküle erlauben die Verwendung von Schwingungen zwischen verschiedenen chemischen Bindungen, in dem angegebenen Beispiel der Kohlenstoff-Chlor-Bindung, die in zweiatomigen Molekülen nur in der Form freier Radikale auftreten.

Außerdem wurde festgestellt, daß eine Umkehr in der Besetzungsdichte der Energiestufen (die durch eine Verteilungskurve A dargestellt ist) zwischen Schwingungsenergiestufen des elektronischen Grundzustandes auftreten kann, wenn elektronische Ener-

giestufen erst angeregt und anschließend optisch wieder entleert werden. Das geschieht, wie es in der F i g. 1 gezeigt ist, deswegen, weil das Entleeren der Energiestufen bevorzugt zu einem Zeitpunkt stattfindet, an dem der Kern an den Umkehrpunkten seiner Schwingung angelangt ist. (Das ist klassisch die gleiche Aussage wie quantenmechanisch die Feststellung, daß an diesen Punkten die Wellengleichung ihre größte Amplitude aufweist.) Wenn auch das Ausmaß der Umkehr der Besetzungsdichten von Schwingungsenergiestufen, das man auf diese Weise erhält, im allgemeinen geringer ist als das erreichbare Ausmaß der Umkehr der Besetzungsdichten angeregter elektronischer Zustände, auf deren Zustandekomregen in einer Kaskade überwinden, in der man mit einer günstigeren Anregungsfrequenz arbeitet und den ionisierten Zustand über einen angeregten, gebundenen Molekularzustand erreicht. Moleküle, die dafür geeignet sind, sollen einen angeregten gebundenen Zustand haben, dessen Energie etwa der halben Ionisationsenergie entspricht und dessen Gleichgewichtsabstand zwischen den Atomen und dessen Schwingungsfrequenz im wesentlichen die ίο gleichen sind wie im Grundzustand.

Es soll bemerkt werden, daß das vorstehende Anregungsschema nur Anregungen elektronischer Zustände einer einzelnen chemischen Verbindung umfaßt. Es unterscheidet sich daher grundlegend von men die Wirkungsweise der bisher üblichen optischen 15 dem Vorschlag von J. S. Polanyi in »The Journal Sender oder Verstärker beruht, so wird dieser Mangel of Chemical Physics« 34, 347 (Januar 1961), nach doch dadurch ausgeglichen, daß die Lebensdauer von
höheren Schwingungszuständen nicht durch spontane
Emission verkürzt wird. Bei diesem speziellen Anregungsschema zur Umkehr der Besetzungsdichte von 20
Schwingungsenergiestufen braucht die Lebensdauer
des dazwischenliegenden angeregten elektronischen
Zustandes nur lang im Vergleich mit der Schwingungsdauer eines Kernes zu sein, die im allgemeinen

bei 10~¹² bis 10~¹³ Sekunden liegt. Diese Bedingung 25 Weiterhin ist an das Rohr 1 eine Pumpe 3 angeschlosist im allgemeinen immer erfüllt, selbst dann, wenn sen, mit der der gewünschte Druck für die selektiv der Übergang in den angeregten Zustand auf Grund fluoreszenten Moleküle aufrechterhalten wird. Elekquantenmechanischer Auswahlregeln besonders be- ironische Übergänge werden durch Elektronenstöße günstigt ist. Dieser Zwischenzustand kann ein Zu- in einer Entladung hervorgerufen, die von dem stand des neutralen Moleküls sein, er kann aber auch 30 Hochfrequenzfeld der Spulen 4 aufrechterhalten ein Zustand sein, der sich aus einer temporären Elek- wird. Die Spule 4 wird von einem Generator 5 mit

Hochfrequenz versorgt. Um dafür zu sorgen, daß sich die selektive Fluoreszenz selbst unterhalt, um also dafür zu sorgen, daß die Wellen durch eine Wiederabstrahlung mit synchroner Phase verstärkt werden, ist ein optischer Resonator vorhanden, der von den Spiegeln 6 und 7 gebildet ist, die dazu dienen, in axialer Richtung die Frequenz der selektiven Fluoreszenzstrahlung mit hohem Wirkungsgrad zurückzuwerfen. Die selektive Fluoreszenzstrahlung wird daher zwischen den Spiegeln sehr häufig hin und her reflektiert, bis sie von der geneigten Auskoppelplatte 8 nach außen abgelenkt wird. Die Platte 8 ist gegenüber der Achse des Rohres etwa mit dem Brewsterschen Winkel angeordnet, so daß die Strah-

dem die Umkehr der Besetzungsdichte von Energiestufen durch exothermische chemische Reaktionen hervorgerufen werden soll.

Die F i g. 2 zeigt als Beispiel einen optischen Sender oder Verstärker, der ein molekulares Gas gemäß der Erfindung verwendet. Der optische Sender oder Verstärker wird von einem rohrförmigen Kolben 1 umfangen, der mit einer Gasquelle 2 verbunden ist.

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tronenanlagerung ergibt (Bildung virtueller negativer Ionen).

Die Übergänge von angeregten elektronischen Zuständen können entweder auf einen gebundenen Atomzustand oder auch auf einen nicht gebundenen Atomzustand führen. Dann entsteht eine Ionisation. Dieser letzte Übergang hat den Vorzug, daß die Lebensdauer der angeregten Schwingungszustände entweder von der Elektron-Ion-Rekombination oder von der spontanen Emission von Strahlung zwischen Schwingungsenergiestufen begrenzt ist, je nachdem, welche Lebensdauer die kürzere ist. Beide mittlere Lebensdauern sind jedoch länger als die Lebensdauer für eine spontane Emission von Strahlung zwischen dem angeregten und dem Grundzustand elektronischer Zustände, der in gebundenen elektronischen Zuständen auftreten kann. Weiterhin ist es möglich, für die Anregung ein breiteres Frequenzband zu verlung zum größten Teil durch die Platte hindurchgeht und nur sehr wenig von dieser Strahlung reflektiert wird. Dadurch wird der optische Resonator auch nur wenig gedämpft. Wenn die selektive Fluoreszenz

wenden, so daß eine optische Strahlung von einem 50 strahlung von der Ausgangskoppelplatte 8 reflektiert

großen Frequenzbereich für die Anregung verwendet werden kann. Die ionisierenden Übergänge können eine Umkehr der Besetzungsdichten der Schwingungsenergiestufen des elektronischen Grundzustandes eines Molekularions hervorrufen, der als ein angeregter elektronischer Zustand des Moleküls betrachtet werden kann. Das kann entweder durch einen direkten Übergang oder durch eine Kaskade durchgeführt werden, die über einen angeregten elektronischen Zustand des Ions verläuft. Moleküle, die für Ionisation geeignet sind, sind BeH und ¹⁶O bis ¹⁸O. Wenn man mit ionisierenden Anregungen arbeiten will, und wenn zum Anregen optische Strahlung verwendet werden soll, so tritt die Schwierigkeit auf, daß die wirksamen Wellenlängen im sogenannten Vakuum-Ultraviolett liegen und nur sehr schwer durch die üblichen Fenstermaterialien hindurchtreten können. Diese Schwierigkeit kann man durch ein Anist, so geht sie durch das vakuumdichte Fenster 9 hindurch, so daß man sie außerhalb weiterverwenden kann.

Wenn als Gas Deuterium-Hydrid verwendet wird, so kann man von den HD⁺-Ionen eine selektive Fluoreszenzstrahlung bei einer Wellenlänge von 5,4 Mikrometer erwarten. Um die optischen Eigenschaften des Systems bei dieser Wellenlänge auf ein Optimum zu bringen, sind die Reflektoren der Spiegel 6 und 7 aus Gold hergestellt. Die Ausgangskoppelplatte 8 kann aus Barium-Fluorid hergestellt sein und das Fenster 9 aus Saphir bestehen. Das innere des Rohres 1 kann mit einem leichten Silberüberzug versehen sein, um eine Rekombination der dissoziierten Moleküle zu erleichtern, so daß sie für eine erneute Anregung wieder zur Verfugung stehen.

Besonders in dem Fall, in dem die selektive Fluoreszenz über Bindungskräfte ausgelöst werden soll,

Claims

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kann es wünschenswert sein, die Energieschwan- Frage kommenden Frequenzen völlig durchsichtig kungen der stoßenden Elektronen auf einen kleinen sind. Xenon ist dafür besonders gut geeignet, da es Energiebereich zu konzentrieren, der der Linienbreite große Atome aufweist, die auch große Störstellen im des gewünschten elektronischen Überganges ent- Kristallgefüge liefern, in die die Aktivatoren einspricht. Das läßt sich dadurch erreichen, daß man die 5 gebaut werden können. Es hat daher den geringsten Anregungsenergiequelle 4 und 5 für eine mittels Einfluß auf die Frequenz und die Linienbreite einer Hochfrequenzenergie angeregte Gasentladung in beliebigen Spektrallinie, deren Frequenz oberhalb F i g. 2 durch eine Elektronenquelle ersetzt, die Elek- der Grenzfrequenz von etwa 10¹¹Hz liegt, die der tronen gleicher Geschwindigkeit von einem langen Debye-Temperatur des verfestigten Xenons von Wolframdraht 11 emittiert, der axial in dem Rohrl io 55° K entspricht. Außerdem kann es bei einer angeordnet ist. Diese Elektronen werden von einer Temperatur des flüssigen Stickstoffes von 77° K beGleichspannung auf die erforderliche Energie ge- trieben werden, d. h. die Temperaturen des flüssigen bracht, die an eine elektronendurchlässige Beschleu- Heliums von 4,2° K sind nicht erforderlich. Das liegt nigungselektrode 12 angelegt ist. Diese Elektronen daran, daß der Schmelzpunkt des festen Xenons auswerden von einer Elektrode 13 wieder gesammelt, die 15 reichend oberhalb des Siedepunktes des flüssigen zusammen mit dem Rohr 1 aus einem Stück bestehen Stickstoffs liegt, so daß keine merkliche Selbstdiffukann. sion von Xenonatomen auftritt. Weiterhin ist die

Selbstverständlich lassen sich die beiden optischen Temperaturdifferenz zwischen dem Schmelzpunkt des

Sender und Verstärker nach den F i g. 2 und 3 in Xenons und dem Siedepunkt des Stickstoffes aus-

vielem abwandeln, wenn dabei nur in einem moleku- ao reichend groß, um ein Schmelzen des Xenonkristalls

laren Gas elektronische Übergänge erzeugt werden, zu verhindern,

die zu einer selektiven Fluoreszenzstrahlung führen. Diese oben beschriebenen günstigen Eigenschaften

Die F i g. 4 zeigt ein Beispiel, wie sich ein selek- eines verfestigten Edelgases als Träger für einen tiv fluoreszentes Medium gemäß der Erfindung als selektiv fluoreszenten Aktivator lassen sich sowohl für optischer Sender oder Verstärker verwenden läßt, das 25 einen Aktivator ausnutzen, indem atomare Übergänge schon aus seiner Natur heraus selektive Fluoreszenz- hervorgerufen werden sollen, als auch für ein solches strahlung mit höherer Leistung abgibt. Das selektiv Material, in dem molekulare Übergänge induziert fluoreszente Material, das die Form eines Stabes 15 werden. Besonders in den Fällen, in denen molekuaufweist, ist entlang der Brennlinie eines von innen lare Übergänge hervorgerufen werden sollen, haben polierten, elliptisch, zylindrischen Hohlraums 16 zu- 30 die verfestigten Edelgase den zusätzlichen Vorzug, sammen mit einem Dewar-Gefäß 17 gehaltert. In daß sie die Verwendung von höheren Dichten des diesem Dewar-Gefäß wird flüssiger Stickstoff ein- Aktivators gestatten, ohne daß eine Stoßverbreiterung gefüllt. Um das stabförmige Medium anzuregen, ist und eine Verkürzung der Verweilzeit auftritt. Weiterlängs der anderen Brennlinie des elliptischen Hohl- hin werden die Rotationsbande der Schwingungsenerraums 16 eine Lampe 18 montiert, deren gesamte 35 giestufen freier Moleküle nicht gelöscht. Diese letz-Strahlung von der elliptischen, zylindrischen Innen- tere Wirkung ist besonders dann günstig, wenn man fläche des Gehäuses 16 reflektiert und in das stabför- schwere Moleküle verwendet, die kleine Rotationsmige Medium 15 fokussiert wird, so daß die ge- konstanten haben und daher eine verhältnismäßig wünschten elektronischen Übergänge in diesem Stab große Anzahl der Feinstrukturstützen besetzen, die stattfinden. An dem einen Ende des Stabes 15 ist ein 40 Rotationszuständen im gasförmigen Zustand entReflektor 19 angebracht, der so ausgelegt ist, daß er sprechen.

die selektive Fluoreszenzstrahlung total reflektiert. Es ist klar, daß der optische Sender oder Ver-

Der Reflektor 20 am anderen Ende des Stabes ist so stärker aus F i g. 4 manche Abwandlung erlaubt, um

ausgelegt, daß er etwas Fluoreszenzstrahlung hin- elektronische Übergänge in einem Festkörpermedium

durchläßt. Zwischen den Reflektoren 18 und 19 45 hervorzurufen, und um von ihm eine selektive Fluo-

finden Vielfach-Reflektionen statt, so daß ein op- reszenzstrahlung zu erhalten,
tischer Resonator entsteht. Die Ausgangsstrahlung
geht durch den Reflektor 19 hindurch.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist Patentansprüche:

das feste selektiv fluoreszente Medium so hergestellt, 50

daß man den Aktivator in ein in der Kälte verfestigtes 1. Optischer Sender oder Verstärker zur Erzeu-Edelgas eingebettet hat. Das läßt sich für eine große gung kohärenter Strahlung mittels selektiver Vielzahl verschiedener Aktivatoren leicht dadurch Fluoreszenz, der als optischer Resonator aufdurchführen, daß man in das verfestigte Edelgas die gebaut ist und dessen Anregungsenergie entweder Aktivatoren als Verunreinigungen einbaut. Dieses 55 aus der sichtbaren oder aus der ultravioletten Verfahren ist beispielsweise in der Zeitschrift »Mole- Strahlung stammt oder durch Elektronenbeschuß cular Physics«, Bd. 2, 415, (1959), von M. McCarty gewonnen wird, dadurch gekennzeich- und G. W. Robinson beschrieben. Solche Fest- net, daß der selektiv fluoreszente Aktivator als körper haben niedrige Debye-Temperaturen, so daß Molekül vorliegt, dessen atomare Eigenschwines möglich ist, sie in dem fernen Infrarotbereich zu 60 gungen mit den Anregungszuständen der Hüllenbetreiben, ohne daß die außerordentlich kurzen, elektronen in Wechselwirkung treten, derart, daß nicht strahlenden Phononen-Relaxationszeiten auf- bei Anregung der Elektronen zwischen zwei elektreten, die in den meisten anderen Feststoffen vor- ironischen Energiezuständen eines Moleküls elekhanden sind. Die verfestigten Edelgase bauen die ironische Übergänge hervorgerufen werden, bei Aktivatoren in flächenzentrierten kubischen Kristall- 65 denen sich eine andere geometrische Gleichgittern von hoher Symmetrie ein, in denen die Kopp- gewichtslage der Atome oder eine andere geolung mit dem Phononenfeld nur sehr klein ist. Sie metrische Form der Anordnung der Atome des bilden ausreichend gute Kristalle, die für alle in Moleküls einstellt, so daß eine Umkehr in der

Besetzungsdichte zwischen Schwingungsenergiestufen dieser Moleküle auftritt, die ausreicht, eine erzwungene Emission von selektiver Fluoreszenzstrahlung auf Grund von Übergängen zwischen diesen Schwingungsenergiestufen hervorzurufen.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivatormoleküle zweiatomige Moleküle, wie beispielsweise HD, NO, AuCl, BeH, ¹⁶O bis ¹⁸O, dreiatomige Moleküle, wie beispielsweise NO₂, H₂O, und mehratomige Moleküle, wie beispielsweise CH₃Cl, geeignet sind.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsenergiestufen die Energiestufen eines angeregten elektronischen Zustandes sind.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsenergiestufen Energiestufen eines ao Grundzustandes der Elektronen sind.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umkehr in der Besetzungsdichte der Schwingungsenergiestufen durch Übergänge hervorgerufen wird, die zuerst zu einem angeregten elektronischen Zustand führen, der anschließend in einen elektronischen Grundzustand übergeht.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang ein erlaubter optischer Übergang ist.

7. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der angeregte elektronische Zustand ein Zustand eines virtuellen negativen Ions ist.

8. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen den elektronischen Zuständen auf einen gebundenen Zustand führen.

9. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen den elektronischen Zuständen auf einen nicht gebundenen, ionisierten Zustand führen.

10. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen den elektronischen Zuständen über einen angeregten gebundenen Zustand erfolgt.

11. Optischer Sender oder Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv fluoreszente Aktivator gasförmig ist.

12. Optischer Sender oder Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv fluoreszente Aktivator im festen Aggregatzustand vorliegt.

13. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivator in ein Medium aus in der Kälte verfestigtem Edelgas eingebettet ist.

14. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Xenon ist.

15. Optischer Sender oder Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung durch Elektronenbeschuß mit Elektronen gleicher Geschwindigkeit erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 929 922, 2 965 795;
American Journal of Physics, Bd. 5, 1947, S. 365; Molecular Physics, Bd. 2, 1959, S. 415;
Journ. of Chem. Physics, Bd. 34, Januar 1961, S. 347;
Scientific American, Juni 1961, S. 204.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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