DE1234341B

DE1234341B - Optischer Sender oder Verstaerker, in dessen stimulierbarem Medium die Anregungsenergie durch eine exotherme chemische Reaktion gewonnen wird

Info

Publication number: DE1234341B
Application number: DES90647A
Authority: DE
Inventors: Dr Hans-Joachim Henkel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-04-21
Filing date: 1964-04-21
Publication date: 1967-02-16
Also published as: US3493889A; GB1097982A; NL6503966A

Description

DEUTSCHES m PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-53/10

Nummer: 1234 341

Aktenzeichen: S 90647 VIII c/21 g

1234341 Anmeldetag: 21. April 1964

Auslegetag: 16. Februar 1967

Optische Sender oder Verstärker, die nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeiten und vielfach als Laser bezeichnet werden, sind kohärente Strahlungsquellen für sichtbares, ultrarotes oder ultraviolettes Licht. Zum Betrieb eines solchen optischen Senders oder Verstärkers muß einer als stimulierbares Medium dienenden fluoreszenzfähigen Substanz Anregungsenergie in einer solchen Höhe zugeführt werden, daß die Zahl der angeregten Elektronen die Zahl der Elektronen im Grundzustand bzw. im Endzustand des fluoreszierenden Energieüberganges übertrifft. Dadurch ergibt sich bei jedem optischen Sender- bzw. Verstärkersystem für die zugeführte Energie ein charakteristischer Schwellenwert, oberhalb dessen stimulierte Emission möglich ist. Weiterhin ist es nötig, die fluoreszenzfähige Substanz in ein geeignetes Resonatorsystem einzubringen. Meist bringt man die Substanz zwischen zwei planparallele reflektierende Flächen nach Art eines Perot-Fabry-Interferometers.

Als erster optischer Sender bzw. Verstärker mit stimulierter Emission wurde von Maiman im Jahre 1960 in solcher mit einem Rubin als stimulierbarem Medium aufgebaut. Seither ist eine ganze Reihe weiterer optischer Sender bzw. Verstärker bekanntgeworden, nämlich solche mit einem Festkörpermedium, mit einem Gasmedium, mit einer Halbleiterdiode und mit einem Flüssigkeitsmedium. Diese verschiedenen optischen Sender bzw. Verstärker unterscheiden sich nicht nur durch die verwendeten stimulierbaren Medien, sondern auch durch die Art und Weise, nach der die zum Betrieb notwendige Energie zugeführt wird. Diese Anregungsenergie wird beispielsweise einer Halbleiterdiode durch direkte Zufuhr elektrischer Energie, einem kristallinen Medium durch Lichteinstrahlung zugeführt. Als Lichtquelle wird üblicherweise eine Blitzlichtlampe verwendet. Es sind ferner chemisch angeregte optische Sender bzw. Verstärker bekanntgeworden, bei denen als Anregungsenergie die bei der Explosion einer außerhalb des optischen Resonators befindlichen chemischen Substanz frei werdende Energie verwendet ist. Zur Anregung der stimulierten Emission wird dabei entweder das bei der Explosion entstehende Licht verwendet, oder es wird durch die bei der Explosion entstehende Schockwelle eine Blitzlampe gezündet, deren Licht dann die stimulierte Emission anregt (Electronics, Bd. 37, Nr. 3 vom 17.1.1964, S. 48 bis 51). Ferner ist es bekannt, daß kohärentes Licht durch chemische Gasphasenreaktionen in einem Gemisch aus Alkalimetalldampf und einem gasförmigen Halogenid eines Metalls aus der Optischer Sender oder Verstärker, in dessen
stimulierbarem Medium die Anregungsenergie
durch eine exotherme chemische Reaktion
gewonnen wird

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Hans-Joachim Henkel, Erlangen

IIB-Gruppe des Periodischen Systems erzeugt werden kann. Die Anregungsenergie wird dabei durch eine exotherme chemische Reaktion innerhalb des als stimulierbares Medium dienenden Gasgemisches gewonnen (»Optical Masers«, Polytechnic Press, Brooklyn, N. Y., Symposium vom 16. bis 19. 4.1963, _a5 S. 417 bis 424).

Die durch Lichtzufuhr angeregten optischen Sender oder Verstärker haben einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Dieser ist meist kleiner als 1%. Es müssen deshalb sehr intensive Lichtquellen verwendet werden. Meist ist eine Gasentladungslampe erforderlich, welche die erforderliche Lichtleistung nur in Form kurzer LichtbHtze abgeben kann. Deshalb ist bei den meisten optisch angeregten Sendern oder Verstärkern nur ein Impulsbetrieb möglich. Die maximale Impulsdauer beträgt dabei etwa 1 Millisekunde. Ein Dauerbetrieb im Festkörpermedium mit Bogenlampen konnte bisher nur bei wenigen, besonders günstigen optischen Sender- bzw. Verstärkersystemen erreicht werden. Bei optischen Sendern mit einem Flüssigkeitsmedium ist ein Dauerbetrieb bisher noch nicht gelungen. Auch der zur Zuführung der Anregungsenergie durch Lichteinstrahlung erforderliche große Aufwand ist von Nachteil. Auch bei optischen Sendern mit Halbleiterdioden als Medium ist ein Dauerbetrieb wegen der hohen, zur Anregung der stimulierten Emission notwendigen Stromdichten und der dabei bewirkten starken Erwärmung des Halbleiterkörpers mit Schwierigkeiten verbunden. Bei den chemisch angeregten optischen Sendern oder Verstärkern ist ferner die explosive Reaktion, bei der Erzeugung von kohärentem Licht durch Reaktion von AIkali-

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und Metallhalogeniddampf die zur Verdampfung dieser Substanzen notwendige hohe Temperatur von Nachteil.

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker, in dessen stimulierbarem Medium die Anregungsenergie durch eine exotherme chemische Reaktion gewonnen wird und bei dem die oben geschilderten Nachteile der bekannten optischen Sender oder Verstärker vermieden sind.

Erfindungsgemäß ist als stimulierbares Medium eine Flüssigkeit verwendet, die eine oxydierbare Substanz und ein fluoreszenzfähiges lon oder eine selbst chemilumineszente oxydierbare Substanz in Lösung enthält.

Die bei der Oxydation der oxydierbaren Substanz frei werdende Energie dient dabei als Anregungsenergie für die stimulierte Emission. Als oxydierbare Substanzen sind insbesondere organische Verbindungen geeignet. Die stimulierbare Strahlung kann dabei von der oxydierbaren Substanz selbst oder von einem fluoreszenzfähigen lon ausgesandt werden, das durch die bei der Oxydation der oxydierbaren Substanz frei werdende Energie angeregt wird.

Durch einige Ausführungsbeispiele und Figuren soll der optische Sender oder Verstärker gemäß der Erfindung näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des optischen Senders oder Verstärkers gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines zum Dauerbetrieb geeigneten optischen Senders oder Verstärkers gemäß der Erfindung.

Der optische Sender oder Verstärker kann erfindungsgemäß im einfachsten Fall so ausgebildet sein, daß als stimulierbares Medium eine Flüssigkeit gewählt ist, die eine oxydierbare Substanz in Lösung enthält, die bei Oxydation selbst Licht emittiert. Dieser Emissionsvorgang wird als Chemilumineszenz bezeichnet. Geeignete oxydierbare Substanzen sind beispielsweise 3-Aminophthalsäurehydrazit (Luminol) oder Aminosiloxene.

Ein Ausführungsbeispiel für einen solchen optischen Sender oder Verstärker gemäß der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt. Sie zeigt ein Glasrohr 11, das zur Aufnahme des flüssigen stimulierbaren Mediums bestimmt ist. Das Rohr 11 ist an beiden Seiten mit den planparallelen Glasplatten 12 und 13 abgeschlossen, die zweckmäßigerweise schräg unter dem »Brewsterschen Winkel« an das Glasrohr angesetzt sind. Dadurch werden die Reflexionsverluste an diesen Platten sehr gering gehalten. Das Glasrohr 11 ist zwischen den beiden planparallelen Spiegeln 14 und 15 so angeordnet, daß die Anordnung einen optischen Resonator bildet. Eine konfokale Spiegelanordnung ist ebenfalls möglich. Durch den Trichter 16 kann das Rohrll mit dem flüssigen stimulierbaren Medium gefüllt werden. Diese Flüssigkeit kann beispielsweise aus einer Lösung von 1 g Luminol und 2,5 g Natriumhydroxyd in 11 Wasser bestehen. Kurz vor Inbetriebnahme des optischen Senders oder Verstärkers werden zu je 100 cm³ dieser Lösung noch je 5 cm³ 30%ige Wasserstoffperoxydlösung als Oxydationsmittel hinzugefügt. Die Flüssigkeit wird gut umgerührt und in das Rohr 11 gefüllt. Der optische Sender oder Verstärker strahlt Licht einer Frequenz aus, die für das Luminol charakteristisch ist. Die durch die Oxydation des Luminols frei werdende Energie dient dabei als Anregungsenergie.

Ein derart chemisch angeregter optischer Sender bzw. Versärker arbeitet während der ganzen Reaktionsdauer kontinuierlich. Er erlischt nach einigen Minuten, wenn die oxydierbare Substanz verbraucht ist.

Der optische Sender oder Verstärker kann gemäß der Erfindung jedoch auch derart ausgestaltet sein, daß ein Dauerbetrieb über längere Zeit möglich ist. Zu diesem Zweck werden Mittel zur laufenden Erneuerung des stimulierbaren Mediums während des Betriebs vorgesehen. Dabei wird die verbrauchte Flüssigkeit fortlaufend entfernt und dauernd neue Lösung mit oxydierbarer Substanz und neues Oxydationsmittel zugeführt. Ein schematisches Ausführungsbeispiel für eine zum Dauerbetrieb geeignete Anordnung ist in F i g. 2 dargestellt. Das Rohr 21, das von planparallelen Glasplatten 22 und 23 abgeschlossen wird, ist zwischen zwei Spiegeln 24 und 25 angeordet. In der Nähe der beiden Enden des Rohres 21 sind Glasrohre 26 und 27 angeschmolzen. Das Rohr 27 ist mit zwei Gefäßen 28 und 29 verbunden. Im Gefäß 28 befindet sich frische stimulierbare Flüssigkeit, im Gefäß 29 Oxydationsmittel. Die frische stimulierbare Flüssigkeit und das Oxydationsmittel werden fortlaufend durch das Rohr 27 dem Rohr 21 zugeführt. Die Zuflußgeschwindigkeiten können mit Hilfe der Hähne 30 und 31 reguliert werden. Die verbrauchte Flüssigkeit fließt laufend durch das Rohr 26 ab. Dieses Rohr 26 ist derart gebogen, daß die Flüssigkeit stets das gesamte Rohr 21 ausfüllt.

Bei dem optischen Sender oder Verstärker gemäß der Erfindung kann als stimulierbares Medium an Stelle einer Flüssigkeit, die eine selbst chemilumineszente oxydierbare Substanz in Lösung enthält, auch eine Flüssigkeit verwendet sein, die eine oxydierbare Substanz und ein fluoreszenzfähiges lon in Lösung enthält.

Bei einer Ausführungsform dieses optischen Senders oder Verstärkers gemäß der Erfindung bildet die oxydierbare Substanz mit dem fluoreszenzfähigen lon eine Komplexverbindung. Dadurch kann die Schwellenenergie für die stimulierte Emission herabgesetzt werden. Die zur Erzeugung der Anregungsenergie vorgesehene oxydierbare Substanz wird vor der Oxydation in eine Komplexverbindung mit einem fluoreszenzfähigen lon, beispielsweise mit einem dreifach positiv geladenen Chromion oder mit Ionen der seltenen Erden, übergeführt. Die bei der Oxydation frei werdende Energie wird dann von dem reagierenden Komplexliganden auf das fluoreszenzfähige lon übertragen. In diesem Fall wird nicht Licht mit einer für die oxydierbare Substanz charakteristischen Wellenlänge ausgestrahlt, sondern Licht einer Wellenlänge, die für die Fluoreszenzstrahlung des zugesetzten Ions charakteristisch ist. Der oxydierbare Molekülteil der Komplexverbindung muß bei dieser Anordnung nicht selbst chemilumineszenzfähig sein. Eine geeignete Komplexverbindung ist beispielsweise der Europiumkomplex des Luminols. Bei Verwendung einer Lösung dieser Komplexverbindung als stimulierbares Medium wird Licht einer Wellenlänge von etwa 6100 A ausgestraht.

Bei einer weiteren Ausführungsform des optischen Senders oder Verstärkers gemäß der Erfindung ist als stimulierbares Medium eine Flüssigkeit vorgesehen, in der die oxydierbare Substanz und eine Verbindung des fluoreszenzfähigen Ions gelöst sind,

Claims

beispielsweise die als Substanz für optische Sender oder Verstärker bereits bekannte Verbindung Europium-tri-benzoyl-acetonat. Bei dieser Ausführungsart des optischen Senders oder Verstärkers ist im stimulierbaren Medium also keine Komplexverbindung aus oxydierbaren Molekülen und fluoreszenzfähigen Ionen vorhanden. Die oxydierbaren Moleküle und die fluoreszenzfähigen Ionen sind vielmehr in zwei verschiedenen Verbindungen eingebaut. Die bei der Oxydation der oxydierbaren Moleküle frei werdende Energie wird — vermutlich durch Stoßprozesse — auf die fluoreszenzfähigen Moleküle übertragen. In diesem Fall ist es ebenfalls nicht erforderlich, daß die oxydierbaren Moleküle selbst chemilumineszensfähig sind. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß sich durch Wahl geeigneter Konzentrationsverhältnisse optimale Bedingungen einstellen lassen. So zeigen stimulierbare Flüssigkeiten, bei denen das Verhältnis der Konzentration der oxydierbaren Moleküle zur Konzentration der fluoreszierenden Moleküle groß gewählt ist, beispielsweise etwa 10 :1 bis etwa 1000:1, niedrige Schwellenwerte. Durch Kopplung von optischer und chemischer Anregungsenergie kann der optische Sender bzw. Verstärker gemäß der Erfindung auch vorteilhaft im Impulsbetrieb verwendet werden. Man dosiert dabei die chemische Energie so, daß das stimulierbare Medium bis dicht unter den Schwellenwert für die stimulierte Emission angeregt ist und führt die weitere erforderliche Energie durch LichtbHtze zu. Da in diesem Fall die benötigte optische Energie weesntlich geringer ist als bei alleiniger optischer Anregung, lassen sich schnellere BUtzfolgen realisieren. Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker, in dessen stimulierbarem Medium die Anregungsenergie durch eine exotherme chemische Reaktion gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als stimulierbares Medium eine Flüssigkeit verwendet ist, die eine oxydierbare Substanz und ein fluoreszenzfähiges lon oder eine selbst chemilumineszente oxydierbare Substanz in Lösung enthält.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydierbare Substanz mit dem fluoreszenzfähigen lon eine Komplexverbindung bildet.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit die oxydierbare Substanz und eine Verbindung des fluoreszenzfähigen Ions gelöst

zo sind.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur laufenden Erneuerung des stimulierbaren Mediums während des Betriebs

z5 vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Electronics, Bd. 37, Nr. 3 vom 17.1.1964, S. 48 bis 51;

Proceedings of the Symposium on Optical Maser, New York, 1963, Polytechnic Press of the Polytechnic Institute of Brooklyn, Bd. 13 der Reihe MRI Symposium Proceedings, S. 417 bis 424 (herausgegeben am 27.11.1963).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen