DE1589070C3 - Optischer Sender oder Verstarker - Google Patents

Description

einrichtung oxidbeschichtele Kathoden 14 auf, die in kolbenartigen Blindfortsätzen 19 des Leitungssystems 12 benachbart den Enden des Rohres 20 untergebracht waren. Die Anode 15 war innerhalb eines kolbenartigen Blindfortsatzes 17 des Rohres 20 untergebracht. Gleichstromquellen 13 waren mit ihrem Pluspol über Strombegrenzungswiderstände 16 mit der Anode 15 und mit ihrem Minuspol mit den Kathoden 14 verbunden. Außerdem waren Heizstromquellen 22 mit den Kathoden 14 verbunden.

Zur Erhöhung der mit der Anregung bewirkten Umkehrung der Besetzungsverteilung zwischen dem oberen und unteren Energieniveau, die der stimulierten Strahlung zugeordnet sind, ist es wünschenswert, die Differenz zwischen der sogenannten Rotationsschwingungstemperatur und der Vibrationsschwingungstemperatur des Kohlendioxids zu'erhöhen. Zu diesem ' Zweck wurde das Rohr 20 mit einem Kühlmantel 21 umgeben, durch den ein Kühlmittel von einer Quelle 26 zu einem Abfluß 27 hindurchgeschickt wurde. Bei den nachstehend im einzelnen beschriebenen Versuchen wurde Wasser bei 15⁰C als Kühlmittel verwendet, es eignet sich aber auch jedes andere Kühlmittel, das in der Lage ist, die Rotationsschwingungstemperatur des Gases unter Raumtemperatur zu drücken, z. B. Methanol bei —78°C. Das Kühlmittel bestimmte die Wandtemperatur des Rohrs 20 und drückte daher die Rotationsschwingungstemperatur des Kohlendioxids herab. Es schien, daß die Vibrationsschwingungstemperatur durch das Kühlmittel nicht nennenswert beeinflußt wurde. , .

Zum Erhalt von Schwingungen ist es wesentlich, die Wechselwirkungszone in einem · optischen Resonator unterzubringen. Beim in Rede stehenden Ausführungsbeispiel wurde der Resonator durch ein Paar Spiegel 33 und 34 gebildet; zur Vergrößerung des Schwingungsvolumens war der Spiegel 34 ein Konkavspiegel mit 50 m Krümmungsradius und der Spiegel 33 ein Konvexspiegel mit 48,5 m Krümmungsradius, so daß die gesamte Gasmischung innerhalb der Wechselwirkungszone für Laserwirkung ausgenutzt werden konnte. Für die insoweit erhaltenen besten Resultate wurde die Energie aus dem Resonator über eine in der Mitte des Konvexspiegels 33 eingebrachte öffnung von 15 mm Durchmesser ausgekoppelt. Der Spiegelabstand betrug 300 cm, und die Spiegel wurden in entsprechend ausgebildeten Fassungen 36 bzw. 35 gehalten. Die Spiegel waren bis zur Undurchlässigkeit mit Gold beschichtet, das im Vakuum niedergeschlagen wurde.-Der Durchmesser der Auskoppelöffnung kann sich von jeder unteren Grenze bis zu 25 mm ändern, wobei immer noch wesentlich verbesserte Resultate im Vergleich zu bekannten, zu Vibrationsschwingungen. angeregten Gasmischungen erhalten wurden.

Das die Wechselwjrkungszone begrenzende Rohr 20 der Ausführungsform nach F i g. 1 war ein Glasrohr, obgleich hierfür auch andere Rohre vorgesehen werden können, z. B. ein Quarzrohr oder ein Rohr aus nichtleitendem Kunststoff. Das zwischen den Spiegeln 33 und 34 verlaufende Glasrohr 20 hatte einen Innendurchmesser von -76,2 mm. Hinsichtlich der eigentlich wirksamen Wechselwirkungszone wurde beobachtet, daß sich dieselbe zwischen den Eintrittsstellen des Leitungssystems 12 in das Rohr 20 erstreckte, sie war etwa 2,5 m lang. ,

Stimulierte Emission wurde bei einer Reihe von Wellenlängen erhalten, unter anderem bei den P-Zweig-Rotationsschwingungsübergängen P (14) bis P (26), in erster Linie- bei P (18), P (20), P (22). Der stärkste Übergang, der P (20) entspricht, trat bei 10,5915 μηι auf. Die Ausgangsleistung der stimulierten Strahlung wurde, mit Hilfe einer kalibrierten Thermosäule gemessen, die hinter der Öffnung des Konvexspiegels 33 angeordnet war.

Es sollte sich verstehen, daß für die stimulierte Ausgangsstrahlung zahlreiche Anwendungsmöglichkeilen bestehen und daß die kalibrierte Thermosäule durch die im Einzelfall gewünschte Anwendungsvorrichtung 25 ersetzt werden kann, z. B. durch einen elektro_: optischen Modulators der auf ein Informationssignal anspricht. Die ,Erfindung ist insbesondere für Übertragungszwecke brauchbar, insoweit" die Atmosphäre bei 10,6 μΐη vergleichbar geringe Dämpfung besitzt. Der Wellenlängenbereich um 10,6 μΐη herum,-wirdallgemein als ein sogenanntes »atmosphärisches Fenster« bezeichnet. -

Beste Ergebnisse erhielt man bei Verwendung einer Gasmischung mit 0,33 Torr Kohlendioxiddruck, 1,0 Torr Stickstoffdruck und 6,0 Torr Heliumdrück. Das Kühlmittel war Wasser bei 15⁰C. Jede der Quellen 13 lieferten 120 Milliampere Strom bei 4400 Volt, die Leistung betrug daher etwa 1058 Watt. Mit der kalibrierten Thermosäule wurde die Ausgangsleistung im Dauerstrichbetrieb zu 133 Watt bestimmt. Der Gesamtwirkungsgrad war 12,5%·

Nachstehend sind verschiedene Beispiele angegeben, von denen das Beispiel 8 das soeben beschriebene ist.

Die nachfolgenden theoretischen Erwägungen beruhen zumindest teilweise auf diesen beobachteten Ergebnissen. Im linken Teil der F i g: 2 sind die relevanten Energiezustände von Kohlendioxid eingezeichnet. Die stimulierte Emission findet auf Grund eines Übergangs von einem der Rotationsschwingungsenergtezustände des O0°l-Vibrationsschwingungsenergiezustands von Kohlendioxid auf einen der Rotationsschwingungsenergiezustände des " 10°0 - Vibrationsschwingungsenergiezustands von Kohlendioxid statt. Im Mittelteil der F i g. 2 sind die im Zusammenhang mit der Erfindung interessierenden Energiestufen von Stickstoff dargestellt. Im rechten Teil der F i g. 2 sind die interessierenden Energiestufen von Helium dargestellt. . ' ' ·

Die Spannung der erzeugten Anregungsentladung reicht aus, das Helium praktisch vollständig zu ionisieren. Die Ionisationsenergie von Helium ist 24,6 eV. Nichtsdestoweniger geht ionisiertes Helium schnell in metastabile Heliumatome über, deren Energie bei 19,8 eV liegt. Die Energiedifferenz geht durch Fluoreszenz und Erwärmung des Gases verloren. An dieser Stelle ist es wesentlich,-zu bemerken, daß der Anteil des metastabilen Heliums, der von den Wänden des Rohrs 20 ferngehalten werden kann, eine relativ lange Lebensdauer besitzt und atomaren Stickstoff entsprechend folgendem Wechselwirkungsprozeß erzeugen kann: ^%

He*₁₈.₈eK + 2N₂-He₀er + 4N₁₈._8er (I)

Da die Dissoziationsenergie eines Stickstoffmoleküls genau gleich der Hälfte der Energie eines metastabilen Heliumatoms ist, läuft dieser Prozeß nahezu vollständig ab und führt zu den oben beschriebenen beachtlichen Ausgangsleistungen und Wirkungsgraden. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß das bei 9,9 e V liegende Energieniveau von atomarem Stickstoff wesentlich oberhalb des Energiewertes des oberen Laser-Niveaus von Kohlendioxid liegt. Nichtsdestoweniger fallen die

Stickstoffatome im Rahmen einer Stufenprozeßreihe über höhere Vibrationsenergieniveaus und dann über die Energieniveaus ν = 4, ν — 3, ν = 2 und ν = 1 auf den Grundzustand von Stickstoff zurück, wobei jedes Mal auf die Kohlendioxidmoleküle genau derjenige Energiebetrag übertragen wird, der zur Anregung des 00⁰I Vibrationsschwingungsniveau erforderlich ist, das das obere Laser-Niveau ist. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Vibrationsschwingungsniveaus vonv = l bis v = 4 hinsichtlich-der Energie sämtlich äquidistant sind und daß auch das Niveau ν = 1 den gleichen Energieabstand vom nicht angeregten Grundzustand des Stickstoffs hat. Die Vibrationsschwingungsniveaus ν = 5 bis etwa V = 40 liegen zwischen dem Niveau " ν = 4 und <lem Niveau des atomaren Stickstoffs und haben wenig Energie. Der Prozeß ist überraschend wirksam, - weil nur ein kleiner Energiebetrag des Kaskadenübergangs verlorengeht. Die Erfindung liefert daher ein neuartiges wirksames Mittel zum Anregen des Energieniveaus bei 9,9 eV von atomarem Stickstof.

Ferner erfordert das Rohr anschließend einen Innendurchmesser, der größer ist, als etwa 50 mm, damit kein nennenswerter Anteil des metastabilen Heliums, dessen Lebensdauer für eine Ionisierung des Stickstoffs groß genug ist, durch Stöße auf die Wand des Rohrs 20 deaktiviert wird. Die Druckverhältnisse sind

für optimal günstige Wirkung des Heliums kritisch. Bei einer Abwandlungsform- <ler Erfindung wird Stickstoff oxidul als das aktive Gas an Stelle von Kohlendioxid verwendet. .Wegen der engen Übereinstimmung bestimmter Energieniveaus von Stickstoff-

oxidul, die für stimulierte Emission brauchbar sind, mit den entsprechenden Energieniveaus von Kohlendioxid, gelten alle im Vorstehenden im Zusammenhang

■ mit Kohlendioxid gemachten Erwägungen auch bei Stickstoffoxidul. Vorausgegangene Versuche mit opti-

sehen Sendern oder. Verstärkern mit kohlendioxid "und Stickstoffoxidul zeigen, daß diese Gase ausreichend ähnlich sind, so daß die brauchbaren Bereiche der Stickstoffoxiduldrücke in Kombination mit Stickstoff und Helium annähernd die gleichen sind,

wie die entsprechenden Druckbereiche für Kohlendioxid. In ähnlicher Weise werden die brauchbaren Druckbereiche für Helium und Stickstoff annähernd die gleichen, wie die vorstehend beschriebenen sein.

Druck' (Torr) '

1	2	' 3	. Beis 4.	pielc . 5 ■	6	7
0,5- , 2,5	0,2 1,0 ,4,67	0,35 1,0 5,0	0,4 1,0 3,5..	0,35 1,00 . 4,00	0,33 1,0 5,0	0,33 1,0 5,0
10 15	10 15	25 15	10 15	10 15	15 15	15 15 .
'2700 2700	3800 , 3800	3800 - 3700	3800 '4000	4000 ·. 3600	.4800 3900	4700 4000 ■
87, 87 .	160 140	160 170	180 170	150". 185	136 . 196	130 150
474	1140-	1237	1124	1265	1415 · '	1210
15,0 3,2	55,0 ■ 4,8	53,6 4,3	82,5 7,1	■ 103 8,2	.116 8,2,	108 9,0

N₂

He

Durchmesser .der Öffnung im Spiegel
(in mm)

Kühlmitteltemperatur (in ⁰C)

Anregungsspannung:

(V) V_x ,-

.-Vs.

Anregungsstrom: . . ,

Anregungsleistung: ·
Wj ■+ W_? (Watt) .,

Ausgangsleistung: ■
"Ι + W₂ (Watt)

Wirkungsgrad (in %)

4400
4400

1058

Bei allen Beispielen war die Zuflußgeschwihdigkeit der Gasmischung 3 Liter/Sek., der Kühlmitteldurchfluß 37,8 Liter/Minute und die Kathoden-Gesamtheizleistung 200 Watt (je 100 Watt). , · ^ .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem

Patentansprüche: zu Vibrationsschwingungen angeregten Gas als stimu

lierbarem Medium die Laser-Wirkung zu erhöhen und

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem größere Ausgangsleistungen zu erzielen,
stimulierbaren Medium aus einer Stickstoff und 5 Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch Kohlendioxid oder Stickstoff und Stickstoffoxidul gelöst, daß die Gasmischung bei dem eingangs geenthaltenden Gasmischung in einem Entladungs- nannten optischen Sender noch Helium enthält und rohr und mit einem optischen Resonator, der für" daß der innere Durchmesser des Entladungsrohrs einen Vibrationsschwingungs-ZRotationsschwin- mindestens 50 mm beträgt. ,

gungs-Übergang des gewählten Mediums in Reso- io Eine der Grundlagen der Erfindung ist die Entnanzist,d a d u r ch ge k e η η ze i c h η e t, daß" deckung, daß metastabiles Helium ein wirksames die Mischung noch Helium enthält und daß der Mittel zur Anregung von Stickstoff ist, um über diese innere Durchmesser, des Entladungsrohrs minde- Zwischenstation das obere Laser-Niveau 00⁰I von stens 50*mm beträgt. ' . Kohlendioxid zu besetzen. Während verbreitet er-

2. Optischer Sender oder Verstärker nach An- 15 kannt worden ist, daß Helium, in einigen anderen sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partial- . optischen Sendern oder Verstärkern mit stimulierdruck von Kohlendioxid oder Stickstoffoxidul zwi- barem Gasmedium ein wünschenswertes Hilfsgas ist, sehen 0,2 und 0,4 Torr, der Partialdruck des Stick- war es bisher nicht, möglich, hiervon einen günstigen

* Stoffs zwischen 1,0 und 1,5 Torr und der Partial- Effekt in dem zu Vibrationsschwingungen angeregten druck des Heliums zwischen 3,0 und 10,0 Torr 20 System, zu erhalten, bei dem Stickstoff als Energieliegt. - .-.·.· - transportgas und ein aus der.Gruppe Kohlendioxid und

3. Optischer Sender oder Verstärker nach An- Stickstoffoxydul ausgewähltes Gas als aktives Gas spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein verwendet ist. Mit der Erfindung wird ein hoher Grad Druckverhältnis von Stickstoff zu Kohlendioxid einer günstigen Wechselwirkung erhalten, und zwar

. oder Stickstoffoxidul von 4-: 1 gewählt ist. ' 25 durch Reduzieren der Gefäßwanddeaktivierung von :4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem metastabilem Helium auf einen kritischen Wert'. Erder Ansprüche.1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, reicht wird dies durch die Verwendung eines das gasdaß das stimulierbare Medium aus einer Helium- föfmige stimulierbare Medium umschließenden Rohrs, Kohlendioxid-Stickstoff-Mischung besteht und daß dessen Durchmesser zumindest 50 mm ist, wobei die der 00°l — 10°0 Übergang der Vibrationsenergie 30 Druckbereiche für Helium, Stickstoff und das aktive für die kohärente Strahlung bei 10,5915 μηι ge-. Gas, für welche maximal günstige Wechselwirkung erwählt ist. - ' ; halten wird, extrem eng und recht kritisch sind. Bei

einem Ausführungsbeispiel ist der Rohrdurchmesser

· im eigentlichen Verstärküngsbereich zumindest 50 mm,

■ . . 35 wobei der Druck des aktiven Gases zwischen 0,2 und

' ' ■ 0,4 Torr liegt, ferner der des Stickstoffs zwischen 1,0

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sen- und 1,5 Torr und der des Heliums zwischen 3,0 und

der oder Verstärker mit einem stimulierbaren Medium 10,0 Torr.

aus einer Stickstoff und Kohlendioxid oder Stickstoff Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich-

und Stickstoffoxidul enthaltenden Gasmischung in 40 nung beschrieben; es zeigt

einem Entladungsrohr und mit einem optischen Reso- · F i g. 1 eine halbschefnatische Darstellung eines

nator, der für einen Vibrationsschwingungs-ZRota- "" Ausführungsbeispiels der Erfindungund

tionsschwingungs-Übergang des gewählten Mediums F i g. 2 ein Energieniveau-Schema zur Erläuterung

in Resonanz ist. . der Erfindung. '

Es ist bekannt (Applied Physics Letters, Bd. 6, Nr. 1, 45 . Bei dem in .F ig. 1 dargestellten optischen Sender

S. 12 und 13), bei einem Laser ein Gasgemisch aus N₂ oder Verstärker mit gasförmigem stimulierbarem Me-

und N₂Q zu verwenden. Es ist ferner nicht, mehr neu dium ist ein Rohr 20 vorgesehen, das die Wechsel-

(Physical Review Letter, Bd. 13, Nr. 21, S. 617 bis wirkungszone umschließt und in der eigentlichen Ver-

619), in einem Laser ein N₂ — CO₂ Gasgemisch zu Stärkungszone einen Durchmesser von zumindest

verwenden. Der vorgenannten Literaturstelle ist auf 5° 50 mm besitzt. Hieran angeschlossen sind Vorrichtun-

S. 618 auch zu entnehmen, einen optischen Resonator gen zum' Einführen und Aufrechterhalten der ent-

zu verwenden, der- für einen Vibrationsschwihgungs- sprechenden Gasmischung sowie zum Anregen dieser

Rotationsschwingungs-Übergang des gewählten Me- . Gasmischung mit einer Gleichstromentladung . bei

diums in Resonanz ist. Ferner ist ein optischer Sender einer für eine Ionisation des Heliums ausreichend

oder-Verstärker mit Stickstoff als stimulierbarem Me- 55 hohen Spannung.-

dium für kohärente Strahlung vorgeschlagen worden, Im einzelnen wurde hierzu die Gasmischung durch welcher zur Erzeugung vorwiegend ultravioletter einen kontinuierlichen Durchfluß erzeugt, und zwar Strahlung Edelgas zu dem Stickstoff enthält, wobei der ausgehend von geeigneten Quellen 41, "42 und 43 für Edelgasdruck im Bereich von 10 bis 500 Torr liegt und Kohlendioxid, Stickstoff bzw. Helium. Die verschieder Stickstoffanteil nicht wesentlich mehr als 1⁰Zo be-· 60 denen Gase wurden über Mischzonen 32 und ein Einträgt. . ' . laßleitungssystem 12 in die Wechselwirkungszone ein-Mit derartigen Lasern kann eine stimulierbare gebracht, und die verbrauchten Gase wurden aus der Strahlungsemission bei Linienbreiten erhalten werden, · Wechselwirkungszone mit Hilfe einer Pumpe 31 zu die allgemein kleiner sind als sie bei optischen Sendern einem Gasabfluß 40 abgezogen,
oder Verstärkern mit stimulierbarem Festkörper- 65 Die Gasmischung wurde mit Hilfe einer elektrischen medium erhalten werden können. Die im Dauer-Be- Entladungseinrichtung angeregt, die der Einfachheit trieb erhältliche Ausgangsleistung ist aber Vergleichs- halber in einem Zweig des Einlaßleitungssystems 12 weise klein. untergebracht war. Im einzelnen wies die Entladungs-