DE2322407A1

DE2322407A1 - Einrichtung zum stimulieren der emission kohaerenter strahlung

Info

Publication number: DE2322407A1
Application number: DE2322407A
Authority: DE
Inventors: Tao-Yuan Chang; Ii Obert Reeves Wood
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-05-08
Filing date: 1973-05-04
Publication date: 1973-11-29
Also published as: BE799108A; NL7306096A; IT985865B; AU5513873A; FR2183869A1; JPS4949594A; US3810042A; CA976266A

Description

Western Electric Company, Inc· Chang 2-2 Mew York N.Y._t V.St.A.

Einrichtung sum Stimulieren der Emission kohärenter Strahlung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Stimulieren der Emission kohärenter Strahlung mit einem stimulierbaren molekularen Medium, einer Anregungsquelle zum Anregen des stimulierbaren molekularen Mediums und einem Resonator zum Stimulieren der Emission kohärenter Strahlung aus dem stimulierbaren molekularen Medium·

Unter allen bekannten infraroten, molekularen Lasern ist der CO₂-Laser am weitesten verbreitet und auch der leistungstärkste· Heben hoher Leistung wird jedoch auch ein hoher Wirkungsgrad erreicht» wenn der Laser in einer elektrischen Entladung oder durch geeignete Anregungsmethoden angeregt wird, bei denen stimulierte Emission bei einer oder mehreren Linien nahe 10 Mikrometer Wellenlänge erzeugt wird. Der Schwingungs-Übergang oder die übergänge sind alle der als Vibrations-/Rotationsschwii*- gungs-Obergänge bekannten Art; und Jeder Ober gang überspannt nach Energie oder Frequenz einen beträchtlichen Teil des Abstandes des oberen Laserniireaus vom Grundzustand. Die leichte Anregungsmugllchkeit dieses Lasers und der zuvor genannte relative Abstand der beteiligten Energieniveaus tragen zu dieser hohen Leistung und dem beträchtlichen Wirkungsgrad bei.

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_ 2 —

Obwohl dieser Laser gewöhnlich durch eine elektrische Entladung in einen Genisch mit Helium und Stickstoffgehalt angeregt wird, wurde bereits ein Laser dieser Art an-* gegeben» der bei niedrigen Leistungspegeln in der GrSssenordnung von 1 Milliwatt bei optischer Anregung durch eine Kohlenmonoxidflamme eine inkohärente Infrarotquelle betätigt, welche in der Nähe von 4_f4 Mikrometern eine starke Strahlung abgibt- Diese Wellenlänge entspricht derjenigen von Photonen, welche dem Energieabstand des Grundzustandes vom oberen Laserniveauband, genannt

der QO⁰I Vibrationsschwingungszustand, angepaßt ist· Eine genauere Beschreibung der iiiederenergetischen optischen Anregungsmethode ist dem Artikel von X· Wieder, Physics Letters» Band 24A, Seite 759, 1967 xu entnehmen.

Trotz der Vielfältigkeit der bekannten Konfigurationen und Anregungsmethoden für Molekularlaser, z.B. den Kohlendioxidlaser, wurde bisher noch keine kontinuierlich durchstimmbar Quelle gefunden. Die einzelnen Schwingungslinien haben eine sehr enge Frequenz oder Wellenlänge und sind durch signifikante Bänder getrennt, in denen keine Schwingungen auftreten· Selbst die Atmosphärendruck·» Tranaversalanregungslaser, die sum Teil als TEA-Laser bezeichnet werden, haben das Abstimmungsproblem bei Molekularlasern trotz der Tatsache, daß eine Konfiguration für viele unterschiedlShe Gase Verwendung finden kann, nicht maßgeblich verbessern können.

Erfindungsgemäß wird das Problem der Abstimmung in einem 309848/0828

Laser dadurch gelöst, daß die Anregungsquelle einen Bromwasserstoff-Molefcularlaser, der bei einer Wellenlänge von 4,0 bis 4,6 Mikrometer schwingfähig ist, und eine das stlmuliabare molekulare Medium in einem solchen vorgegebenen Zustand (z.B. unter Druck) haltende Ka-rr aufweist, bei dem die Vibrations-/Rotations-Emlssionsfrequenzen des Mediums ein Kontinuum bilden.

Erfindungsgemäß wird bei einem durchstimmbaren infraroten Molekularlaser ein unter Hochdruck stehendes molekulares Medium, z.B. auf mehrere Atmosphären Druck komprimiertes CO₂, flüssiges CO₂ oder festes CO₂ verwendet, welches durch einen Transversalanregungs- Bromwasserstoff-Molekularlaser angeregt wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Transversallaser geeignet ausgebildet, um Moleküle mit einer linearen, dreiatomischen Struktur, einschließlich einfachen linearen dreiatomischen Molekülen anzuregen, da die meisten der zuletzt genannten Moleküle ihre stärkste Vibrations-/ Rotations-Absorption zwischen etwa 4,0 und 4,4 Mikrometern Wellenlange haben und der Bromwasserstofflaser hohe Anregungsleistungen zwischen etwa 4,0 und 4,6 Mikrometern bei transversaler Anregung zur Verfügung stellt.

Vorzugsweise sind die schwin)9fShigen Vibrations-ZRotations-Emissionslinien bei den in Betracht stehenden Drücken

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oder in den vorgesehenen Zuständen des stiatulierbaren Mediums in ein Kontinuua gefächert, das zum durchstiambaren Betrieb geeignet ist. Darüber hinaus kann die Hoch— leistungs-Ausgangsstrahlung des Bromwasserstofflasers auf ein kleines volumen fokussiert werden, um sie beim Anregen von Kohlendioxid bei sehr hohen Drücken oberhalb von'fünf Atmosphären, bei denen sich die Emissionslinien verbreitern und in ein Kontinuum auffächern, noch wirksamer zu machen«

Generell kann der gewünschte Zustand» z.B. das Hoch— druckgas, die Flüssigkeit oder der Feststoff, in denen die möglichen Vibrations-ZRotations-Eraissionsfrequenzen ein Kontinuum bilden, fürandere stimulierbare Medien mit Molekülen einer linearen dreiatomischen Struktur dadurch aufrechterhalten werden, daß das Medium in einem Gefäß, einer Kammer oder Zeile gehalten und das Gefäß zum Beibehalten der gewählten Betriebstemperatur gekühlt wird· Sur im ^aIIe relativ leichter Moleküle, ζ·Β. CO₂, ist ein Hochdruckgefäß in typischer Ausführung notwendig·

Ein derartiger Molekularlaser mum otweder Ober eine Bandbreite In der Größenordnung von 1 Terahertz ClO Hs) bei CO₂ durchgestimmt oder mit phasenstarrer Modenkopplung ausgeführt werden, um Pikosefcundenimpulse bei einer mittleren Wellenlänge von etwa 10,6 Mikrometer hervorzurufen.

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Der Bromwasserstofflaser kann auch sum optischen Anregen eines Stickstoffoxid (M₂ ⁰) Lasers oder von Lasern Verwendet werden« welche viele andere lineare dreiatomlsche HolekQle oder Ionen oder beliebige einer ganzen Klasse von HolekQlen »it komplizierteren linearen dreiatomischen Strukturen verwenden· Viele dieser Moleküle können »it Hilfe elektrischer Einrichtungen wegen ihrer Sersetsungstendensln einer elektrischen Entladung nicht angeregt werden und haben daher niemals eine stimulierte Emission gezeigt.

Durch die Erfindung wird daher dem Laser ein völlig neues Anwendungsfeld eröffnet·

Zn der Zeichnung sind AusfQhrungsbe4.8piele der Erfindung dargestellt· Ss seigern

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lasers mit phasenstarrer Modenkopplung}

Fig· 2 eine schematische Darstellung eines abstimmbaren Lasers}

Fig. 3 eine abgewandelte AusfOhrungsform des Lasers nach FIg · 2, welche sur Verhinderung eines Modensprungs innerhalb des kontinuierlichen Abstimmbandes dient}

Fig· 4 eine weitere Abwandlung der AusfOhrungsform

nach Fig· 2 sur Schaffung eines sehr schmalen Schwingungsbandes, wie es beispielsweise sur Verwendung als Frequenznormal, z.B. auf dem Seblet der Spektroskopie erwünscht ist}

Fig· S ein Energiebanddiagramm mit Übergängen, welche

sur ErlXuterung der Funktionsweise des Brfindungsgegenstandes dienen}

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Fig· 6 ein schevatisches Schaltbild der Anregung«— schaltung for den transversal angeregten Broawasserstofflaser} und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht auf eine Aus»

führung, weiche in Verbindung «it der Schaltung nach Fig. 6 verwendet werden kann.

Xn Fig. 1 ist dargestellt» wie ein erfindungsgenäß aufgebauter Laser verwendet werden kann. Laser!«pulse Mit phasenstarrer Modenkopplung werden von eine» phasenstarr aodengekoppelten Laser 15 erzeugt» der von eine* transversal angeregten Browwaeserstoff-Hochleistungslaser 11 angeregt wird. Die Ausgangsstrahlung des Broawasserstofflasers wird von einer Linse 14 durch einen Endspiegel 16» z.B. •inen dichroitischen Eingangspiegel des Lasers 15 in «ine Hochdruckselle oder -kaswer 18 fokussiert· Die Zelle 18 enthält Kohlendioxidgas 20 bei einen hohen Duck, z.B. etwa 5 Atmosphären, und ist durch transparente Endpl&ten 31 und 32 begrenzt, welche in Druckgehäusen 34 bzw. 35 fest Montiert sind* Die Druckgehäuse 34 und 35 sind seitlich von der Laserachse durch ein Hochdruckwandteil 33 verbunden« Beispielsweise wird die die Gas enthaltend« Zone des Bauteils 33 definierend« öffnung von eine« das Bauteil 33 durchsetzenden Loch gebildet» dessen Achse zur Hauptachse des Bauteils geneigt ist» so daß die Endfenster 31 und 32 angenähert unter de« Bcwsterwinkel in Bezug auf die Ausbreitungsrichtungen u^m Anregungsstrahlbündels und der Laserstrahlung liegen* Zn den Laser 15 ist auflerde« zwischen der Zeil« 18 und de« Endfenster 17, das beispielsweise ds dielektrischer Ausgangsspiegel ausgebildet

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ist, eine Einrichtung 19 zur phasenstarrenifodenkopplung einbezogen, die als sättigbare Absorptionszelle mit eine« geeigneten Farbstoff oder als stimulierbare Einrichtung, z.B. als akusto-optischer Modulator ausgebildet sein kann. Zn einen solchen akusto-optischen Modulator kann Germanium zur Erzeugung der Impulse mit phasenstarrer Modenkopplung im WellenlXngenbereich nahe 10 Mikrometern verwendet werden· FQr den in Flg. dargestellten Laser mit phasenstarrer Mcd er kopplung wird eine große Schwtngungsbandbreite des Lasers 15 durch Wahl breitbandiger Spiegel 16 und 17 erreicht.

In der Praxis wird das Kohlendioxid 20 in die Zelle 18 bei einem Druck oberhalb von 5 Atmosphären eingeführt, so daß sich alle Vibrations-ZRotations-Emissionslinien verbreitern und in ein Kontinuum auffächern.

Die Theorie der Operationsweise der Ausführungsform nach FIg* 1 sowie der Einfrequenz-Ausführungsformen kann generell wie folgt erllutert werden« Der Bromwasserstoff-Hochleistungslaser 11 kann in der 5Lm Artikel in Applied Physics Letters, Band 20, Seite 77, 1972 angegebenen und nachfolgend in Verbindung mit den Flg. 6 und7 im einzelnen beschriebenen Welse aufgebaut und betrieben werden. Er kann bis zu 32 Kilowatt liefern, wenn er beispielsweise durch Transversalentladung angeregt wird* Das Gasgemisch kann Helium, Wasserstoff und Brom bei einem Gesamtdruck

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von etwa 100 Torr (760 Torr « 1 Atmosphäre) enthalten. Die Ausgangsleistung dieses Lasers ist vergleichbar mit derjenigen eines Transversalentladungs»Fluorwasser— stofflasers unter Verwendung der gleichen Einrichtung. Da in anderen Konfigurationen bei dem Fluorwasserstoff— laser eine Spitzenausgangsleistung im Heggawattbereich erreicht wurde, ist zu erwarten, daß die Ausgangsleistung des HBr Lasers näh weiter erhöht werden und in ähnlicher Weise Dauerstrichbetrieb erreicht werden kann.

Der Spektralbereich des HBr Lasers überspannt sehr als das gesarate V₃ Absorptionsband von CO₂, welches sich angenähert von 4,2 Mikrometer bis 4,4 Mikrometer erstreckt. Da der ν - Yibrationsschwingungszustand für den elektrischen Entladungs— CO_? Laser das obere Laserniveau bildet, ist der HBr Laser sine ideale Anregungsquelle für einen CO₂ Laser. Bei hohen Drücken, z.B. oberhalb von fünf Atmosphären, ist zuerwarten, daß das -\ Absorptionsband von Kohlendloxid ein kontinuierliches Spektrum ohne merkliche Peinstruktur ist, wit Ausnahme eines schmalen Lochs im Bandzentrua bei 4,257 Mikrometern. Daher werden die meisten HBr Laserlinien von dem gasförmigen CO₂ bei Drücken oberhalb von fünf Atmosphären wirksam absorbiert. Dasselbe gilt für flüssiges oder festes

Die Leistungsverstärkung pro Längeneinheit eines Lasers 1st gegeben durch

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^tspont

(1)

wobei g (ύ ) die Linienform-Funktion ist, η und n. die Moleküldichten in den oberen und unteren Laserniveaus, g_ und g. die Entartungsfaktoren sind und t . die spontane Lebensdauer des Laserübergangs ist· In Falle einer optischen Anregung kann angenommen werden, daß n_u yl· n^ ^u . Wenn veiterhin angenommen wird, daß das Pumpstrahlenbündel an den Resonatormoden angepaßt ist, so ergibt sich die Gesamtverstärkung pro Durchgang durch

wobei M die Gesamtzahl der Moleküle im oberen Laserzustand und a die effective Querschnittsfläche des Anregungsstrahlbündels sind. Bei einem CO₂ Laser, der auf dem v_ - ν Vibrationsschwingungsband (10,6 um) betrieben wird, ist t_SDont bekanntlich angenähert 4,2 Sekunden. Bei einem 00- Druck von etwa 8atm (ca. 6000 Torr) ist das Yg - v. Band im wesentlichen ein Kontinuum ohne Rotationsschwingungsstruktur. Daher kann der gesamte -x₃ Zustand (einschließlich aller Rotationsschwin- gungszustände) als oberer Lasörzustand genommen werden,

—13 -I
und 9 <^v _c> wird 2x10 Hz . Die gesamte Relasationszeit konstante des V₃ Zustande beträgt bei diesem Druck 0,5 μ&«

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- ίο -

Wenn der Anregungsimpuls des HBr Lasers ebenfalls 0,5 ps beträgt, so kann N_y angenähert bei der Hälfte der Gesamtanzahl von absorbierten Anregungsphotonen liegen. Nimmt man eine Spitzenleistung für den An—

17 regungsimpuls von 100 kW an, so ergibt sich H_u ■ 5,4 χ

—2 2

Nimmt man schließlich an, daß a - 3x10 cm ist, und macht man von der Gleichung (2) Gebrauch, so ergibt sieht -

i - 0,038 (3)

was etwa 3,9 % Verstärkung pro Durchgang entspricht. Dieser Verstärkungswert reicht aus, um einen Schwingungsschwellenwert su erreichen. Höhere Anregungs— leistungen führen natürlich zu noch höheren Verstärkungen.

Bei Betrieb der AusfUhrungsform nach Fig· I werden wegen der im Hochdruckgas 20 der Zelle 18 verfügbaren extrem großen Schwingungsbandbreite extrem schmale Picosekundenimpulse erzielt.Die Impulsbreite ist generell umgekehrt proportional zur gesamten Verstärkungsbandbreite·

In vielen Anwendungsfällen ist es erwünscht, diese sehr große Bandbreitencharakteristik zu benutzen, um anstelle von Impulsen mit phasenstarrer Hodenkopplung ein kontinuierlich durchstimnbares Einzelfrequenzausgangs

signal su erhalten· Bei dem modifizierten Ausführungs-309848/0828

— ΊΊ ·■·

beispiel gemäß Fig. 2 weist der abstimmbare Laser 25 einen herkömmlichen Endspiegel, z.B. einen dichroitischen Eingangsspiegel, eine im wesentlichen der Zelle 18 gemäß Fig. 1 entsprechende Hochdrudczelle und einen Reflektor 27 am entgegengesetzten Ende auf, der einen Wellenlängen- oder frequenzselektiven Ausgangsspiegel oder ein Gitter 2Θ in einem Arm einer Kantenreflektorstruktur aufweist, welche an ihrem Scheitelpunkt schwenkbar angeordnet ist· Bei dieser besonderen Reflektor— struktur 27 kann eine breitbandige Astimmung ohne wesentliche Änderung der Richtung des Ausgangsstrahlbündels erreicht werden·

Leider ändert die Drehung des frequenzselektiven Reflektors 27 um dessen Schwenkpunkt die normale gebeugte Frequenz des Gitters 29 mit einer Größe bzw. Geschwindigkeit, welche wesentlich von derjenigen der Resonanzfrequenz des Resonators bei dessen Längenänderung abweicht, und zwar wegen der resultierenden Axialverschiebung des Reflektors 29.

Das Durchstimmen bzw. Abstimmen dieses Lasers kann Ubergangslos und frei von ModensprUngen durch Anbringung des Gitters auf einer Gleitführung <Fig. 3) vorgenommen werden, so daß die Wellenlängenänderungen des reflektierten Bündels aufgrund einer Änderung des Einfallwinkels auf das Gitter und die Resonanzwellenlängenänderungen aufgrund der axialen Verschiebung

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des Gitters In genauer Übereinstimmung gebracht werdenkönnen. Ein solches modifiziertes Ausführungsbefepiel ist in Fig. 3 gezeigt. Gleiche Komponenten haben in den Fig. 2 und 3 gleiche Bezugszeichen; der frequenzselektive Reflektor 27 nach Fig. 2 ist jedoch durch die Gleitführungsanordnung 37 gemäß Fig. 3 ersetzt. Außerdem ist zu erkennen, daß das flüssige oder feste CO- 50 innerhalb der Zelle 28 vorgesehen ist· Ein Kühlmittel 47 wird zum Kühlen der Zelle 28 und des Mediums 50 durch Kammern 58 geleitet. Die GleitfUhrungsanordnung 37 weist eine Stange 39 auf, an der das Gitter 38 mit parallel zur Achse der Stange 39 verlaufender Gitterebene befestigt ist« Die beiden Snden der Stange 39 sind längs den Achsen der beiden Führunpn A bzw. B gleitend gelagert. Die Führung A ist mit der optischen Achse des Lasers ausgerichtet, während die Führung B rechtwinklig zur Führung A verläuft und mit ihrer Achse die Führungsachse von A an de« festen Spiegel des Laserresonators schneidet. Das obere Ende der Stange 39 ist an einem Gleitstück 41 schwenkbar gelagert, welches innerhalb der Führung A in einer geeigneten Lagerfläche 43 verschieblich ist. In ähnlicher Weise ist das untere Ende der Stange 39 an einem Gleitstück 44 schwenkbar, welches längs einer Lagerfläche 46 in der Führung B verschieblich ist. Wenn der Winkel 0 zwischen der Stange und der Vertikalachse durch den Spiegel 26 geändert wird, ändern sich sowohl die Littrow-Reflektionswellenlänge des Gitters

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als auch die Resonanzwellenlänge eines vorgegebenen Xiongitudinalresonatormoden synchron entsprechend 9^m Auf diese Weise kann ein Modensprung des Lasers vermieden werden. Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen Gase unter einen Druck von fünf Atmosphären oder eine Flüssigkeit als stinulierbare Medien verwendet wurden, wurde bereits Mit einem demjenigen nach Fig. 2 sehr ähnlichen System bei Drücken etwas unterhalb von einer Atmosphäre gearbeitet. Bei Drücken unterhalb von einer Atmosphäre sind die Absorptions- und Emissionsbänder von anzuregenden (rasen nicht mehr kontinuierlich, sondern zeigen gut aufgelöste Strukturen entsprechend den Rotationsschwlngunge·* linien· In diesem Bereich wird das Ausgangssignal eines HBr Lasers, z.B. des Lasers 11, nicht unbedingt stark von dem Gas absorbiert, obwohl letzteres ein Absorjjtionsband in gleichem Welfenlängenbereich besitzt. Dies wurde für Stickstoffoxid (H₂O) festgestellt. Für CX>₂ wurde gefunden, daß nur eine der VMzahl von HBr Laserlinien, nämlich die P (6) Linie des ν · 2 + 1 Übergangsbandes bei 4,2295 Mikrometer maßgeblich absorbiert wird. Durch Benutzung dieser besonders genauen Wellenlängenkoinzidenz wurde stimulierte Emission bei 10,6 Mikrometer für 00j Drücke von wenigen Torr bis zu einer Atmosphäre erzielt. Die maximale Ausgangsleistung betrug 80 Watt bei einer geschätzten Anregungsleistung von nicht mehr als 200 Watt.

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Die experimentelle Anordnung für diese bei subatmosphäri« schem Druck arbeitenden Laser ist In Pig. 4 gezeigt. Der Laser 11 kann entsprechend dem zuvor beschriebenen Laser aufgebaut sein , wird jedoch im vorliegenden genauer beschrieben, um eine Bodenelektrode, die stabförmige Anode 53 und eine Mehrfachkathodenstruktur 51 zu zeigen, in der jedes Kathodenelement, das sich orthogonal zur Laserachse in das Gas erstreckt, in Reihe mit einem zugehörigen Widerstand mit dem den Anschluß der Anode 53 entgegengesetzten Anschluß einer Impuls— quelle 54 verbunden ist.

Das Ausgangssignal des Lasers 11 wird durch ein einfaches MonoCfcroreeter 57 gefiltert, wobei letzteres ein handschuhkastenförmiges Gehäuse aufweist, das ein Beugungsgitter 58 mit beispielsweise 210 Rillen pro Millimeter bei 4,3 Mikrometern, einen Fokussierspiegel

.59 mit einer Brennweite von 60 cm und eine einstellbare Blenfe €0 umschließt. Diesem Monochrometer folgt ein Kohlendioxidlaser, der eine Kohlendioxidgaszelle 62

einer Länge von beispielsweise 41 cm, Endspiegel 61 und 65 und Steinsalz-Fenster 63 und 64 aufweist. Der Reflektor 61 hat beispielsweise einen Krümmungsradius von 10 Metern, einen Reflexionsgrad von 98 % bei 10,6 Mikrometer und einen Durchlässigkeitsgrad von 30 % bei 4,23 Mikrometern· Der Reflektor 65 ist beispielsweise ein goldbeschichteter Spiegel mit einem Krümmungsradius von eine» Meter und im wesentlichen undurchlässig. Xm

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Betrieb wurde das Gehäuse des Monoehrometers 57 mit Heliumgas gespült, um ungewollte Kohlendloxidmoleküle zu eliminieren. Die von dem schrägen Fenster 64 reflektierte Ausgangsstrahlung bei 4,3 Mikrometern und bei 10,6 Mikrometern wurde mit Hilfe geeigneter Optiken, z.B. eines Spiegels 66 durch ein Spektrometer 67 gemessen. Es ergab sich eine Teilreflexion vom Fenster 64, da letzteres nicht bei jeder Wellenlänge genau unter dem Brewsterwinkel liegt*

Zur Vorläufigen Ausrichtung wird der CO^ Laser mit der Zelle 62 und den Reflektoren 61 und 65 mit einer elektrischen Entladung (zugehörige Vorrichtung nicht dargestellt) durch eine CO₂ Zelle, welche eine herkömmliche stimulierende Mischung aus Kohlendloxid, Stickstoff und Helium enthält, in DauerStrichschwingung versetzt. Dabei wurde gefunden, daß die Einführung der P₂*4 *⁶^ Linie vom,Bromwasserstofflaser in die CO- Zelle 62 eine feststellbare Reaktion auf die 10,6 Mikrometer-Strahlung des CO- Lasers hervorruft. Nach der Maximalwerteinstellung dieser Reaktion wurde die Entladung gelöscht und die Zelle 62 durch nlchtdargestellte Mittel mit reinem CO₂ unter 40 Torr gefüllt. Eine stimulierte Emission bei 10,6 Mikrometern konnte danach allein durch optisches Anregen erzielt werden* Die Spitzeneingangsleistung bei 4,23 Mikrometern aus dem Laser 11 bei Eintritt in die C02 Zelle 62 wurde mit 260 Watt bemessen. Mit herkömmlichen Methoden wird der restliche Anregungsimpuls

am Spektrometer 67 vom CO₂ Laserimpuls zeltlich aufgelöst. 309848/0828

Die Amplitude des restlichen Anregungsimpulses nimmt «onoton nit zunehmendem CO₂ Druck in der zelle 62 ab. Xn dem CO- Laserimpuls existiert ein Optimaldruck, bei demdLe Impulsamplitude einen Maximalwert und die Impulsverzögerung einen MinimalWert erreichen. Wenn sich der Zellendruck 70 von dem Optimalwert entfernt, nimmt die Impulsamplitude ab und die Impulsverzögerung zu. Eine Einführung von Luft in das Gehäuse des Monochrometers 57 ι ebenfalls den Anregungsimpuls_f und zwar wegen des restlichen CO- Gehalts in der Luft , und drückt das 10,6 Mikrometer Ausgangssignal.

Hur bei Einstellung des Monochroraeters auf die ^₂*! (6) Linie des HBr konnte eine optisch eingeregte stimulierte Emissbn bei 10,6 Mikrometern erzielt werden, zumindest für den Fall von CO₂ Gasdrücken kleiner als eine Atmosphäre« Die P^** ^^ Linie besteht aus zwei Isotopenkomponenten nahezu gleicher Stärke, die einen Abstand von etwa 0,36 Wellenzahlen (etwa 10 Gigahertz) haben und von dem einfachen Monochrometer nicht aufgelöst werden können· Es wird aufgrund spetroskopischer Daten angenommen, daß die beobachtete optische Anregung

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weitgehend auf die Komponente des Br Isotops zurückzuführen ist. Andererseits wurde bei Vorhandensein einer elektrischen Entladung in der CO- Zelle eine aessbare Reaktion bei 10,6 Mikrometern nach Einführung einer oder aller nachfolgend genannten sechs Linien aus HBr erzeugt?

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· ^P3->2^{(5) und}

V^6K

Daraus ist zu schließen, daß die Meisten dieser Linien verschiedene Übergänge des Ol O-X)l 1 Absomtionsbandes von CO₂* gezeigt als unterbrochene Linie 73 in Fig. 5, anregen, zwei möglihe Ausnahmen dieser Zuordnungen sind a) die P_{2 1} (7) Linie von HBr⁸¹, welche nicht dargestellte übergänge in den 10 O^10 1 Band erzeugt, und b) die P. AA) Linie von HBr, welche nicht mit einiger Sicherheit an bekannte GO₂ Übergänge angepaßt ist. Das 10,6 Mikrometer 0O₂ Laser-Ausgangssignal der AusfOhrungsform nach Fig. 4 ist in Flg. 5 durch die Linie 72 angegeben.

Einige zusätzliche Experimente wurden bei diesem System mit dem Beugungsgitter (G) anstelle eines goldbeschichteten Spiegels durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Experimente können wie folgt zusammengefaßt werdent 1) Wenn der goldbeschichtete Spiegel H₂ durch einen mit M^ identischen Spiegel eines Reflexionsgrades von 98 % ersetzt wurde, ergab sich eine maximale Ausgangsleistung bei 10,6 um von nahezu 40 % der Eingangsleistung bei 4,23 um, d.h. nahe der Bedingung eines Quantenwirkungsgrades von 1· Unter diesen Bedingungen wurde die Impulsverzögerung vernachlässigbar. 2) Bei längeren (66 cm) Niederdruck-(20 Torr) Zellen war eine genUgend große optische Verstärkung vorhanden, um «inen Ersatz des Spiegels M₂ durch ein Littoow-Beugungsgitter zu ermöglichen. Unter diesen 309848/0828

Bedingungen konnte das 10,6 um CO- Ausgangssignal auf irgendeinen Übergang von P (10) bis P (28) im 00 H 10 0 Band von CO₂ abgestimmt werden. 3) Hit einem dichter fokussierten Anregungsstxahlbündel (unter Verwendung einer Linse mit 15 cm Brennweite) in Kombination mit einer kürzeren CO2 Zelle (12 cm) wurde eine Schwingung unter atmosphärischemDruck von CO₂ in der Zelle erreicht.

Die optisch angeregten Laser gemäß Flg. 1 bis 4 können dadurch abgewandelt werden, daß entweder flüssiges oder festes CX). sowie gasförmiges CO- verwendet wird, und können auf noch andere Systeme ausgelegt werde} z.B. solche mit gasförmigem, flüssigem oder festem Stickstoffoxid (N-O), da die Vibrationsschwingungsmodenstruktur von M₂O sehr ähnlich derjenigen von Kohlendioxid ist. Tatsächlich können viele andere lineare

N N dreiatomische Moleküle, z.B. ClC¹., BrC , ICK oder Ionen wie CK-" t ^Κ3^Γΐ» MCO , NCS~ und B0₂~^ verwendet werden. Jedes von ihnen hat eine analoge Vibrationsmoden— struktur asu CO₂ und N₂O und hat einen höher frequenten Moden in 4,2 bis 4,6 Mikrometer bereich* Außerdem können Moleküle mit einem linearen dreiatomischen Grundgerüst verwendet werden· Das Grundgerüst ist derjenige Teil der Verbindung» der von den oapnlsden Bindungen typisch charakterisiert wird, und in diesen Fall durch eine lineare Anordnung der so gebundenen Element® gekennzeichnet ist« Jedes der Elemente im Grundgerüst kann mit anderen

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Elementen als Teil einer mit dem Grundgerlist gekoppelten Seitengruppe verbunden sein. Beispiele der chemischen Formeln solcher Materialien sind: CH₂CX)₁ HNCO, CH₃CIf und BH₃CO. Xn jedem Falle sind die Seitengruppenelemente Wasserstoffatome; sie haben keinen wesentlichen Einfluß auf die Vibrationsmodenstrüktur und den hoherfrequenten Moden (higher frequency stretching mode). Demgemäß liegt letzterer noch im 4,2 bis 4,6 Mikrometer bereich. Schwefelkohlenstoff <CS₂),der stimulierte Emissionen nahe von 11,5 Mikrometern zeigt, weist auch ein geeignetes Absorptionsband bei 4,3 Mikrometer auf. Alle diese Moleküle und ihre Homologe können daher von einem HBr Laser in dar beschriebenen Anordnung optisch angeregt werden.

Die Einzelheiten der Anregung und Ausbildung des Bromwasserstofflasers 11 gemäß Ausführungsform nach den Flg. 1 bis 4 sind in den Fig. 6 bzw. 7 dargestellt* Obwohl eine große Zahl von Anordnungen für einheitliche elektrische Entladung in transversal angeregten Hochdrucklasern in der Literatur angegeben sind, 1st eine vereinfachte Ausführungsform in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Bei dieser Ausführung werden die in Teilen der bekannten Schaltungen erforderlichen Hochspannungen herabgesetzt, und es wird die Möglichkeit der Verwendung einfacher Elektrodenprofile geboten. Für die Spannungeeinsparungen ist die Verwendung einer schnellen Spannungsverdopplerschaltung ursächlich, die als LC-Xnverslons-

generator bekannt ist und zuerst von R.A. Fltch "Marx and 309848/0828

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Marx-Like High Voltage Generators", In IEEE Transactions on Nuclear Sciences, Band NS-18, Seite 190 (August 1971) beschrieben wurde.

Bei derAusfOhrung gemäß Fig. 6 werden die Kathode 80 und die Anode 81 durch eine Spannungsverdopplerschaltung angesteuert, welche um die Spannungsverdopplungskondensatoren 78 und 79 herumgebaut ist· Diese Kondensatoren werden zunächst von einer 30 kW Gleichstromquelle über Widerstände 84 und 85 aufgeladen. Wie zu sehen ist, gibt es nach der anfänglichen Auflage zwischen der Kathode 80 und der Anode 81 keine Potentialdifferenz· Eine Auslosung der Spannungsverdopplungswirkung erfolgt durch eine Schaltung, welche an dem Kondensator 78 liegt und die Funkenstrecke 75, die Erregungs-Triggerelektrode 77 und die Impulsquelle 54 aufweist, welche über den Kondensator 74 und den Widerstand 75 an der Funkenstrecke 76 liegt. Die Triggerelektrode 77 ist an dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 74 und dem Widerstand 75 angeschaltet.

Bei Auftreten eines geeigneten Impulses von der ImpulsquelleM zündet die Triggerelektrode 77 die Funkenstrecke 76, und der Kondensator 78 entlädt', sich Ober die Funkenstrecke mit einer ausreichenden induktivität der Verbindungsleitungen und der Funkenstrecke, so daß sich der Triggerschaltkreis über eine Halbperlode unter Aufladung des Kondensators 78 in umgekehrter Richtung schließt. Die Spannungen der Kondensatoren 78 und 79

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liegen jetzt additiv in Reihe über der Kathode 80 und der Anode 81. Der Zwischenraum zwischen der Kathode 80 und der Anode 81 wird von dem Entladungstriggerdraht 86, der parallel zur l*aser achse verläuft (aus der Zeichenebene heraus) überbrückt. Der Triggerdraht 86 ist über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 82 und eine» Kondensator 83 mit der Kathode 80 verbunden«

Die Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 6 hat zur Folge, daß die benötigte Speisespannung und Speicherkondensator— spannung halbiert werden und die Isolations— und Korona— Probleme wesentlich verringert werden.

Eine weitere Vereinfachung ergibt sich aus der Verwendung einer gedgnet stranggepressten Form der Hauptentladungselektroden 80 und 81.

Der physikalische Aufbau des Bromwasserstofflasers Il ohne dessen Gehäuse und Spiegel 12 und 13 der Ausführung nach Fig. 6 ist in Fig. 7 gezeigt. Ein genauer Vergleich der Fig. 6 und 7 zeigt, daß die entsprechenden Komponenten in Fig. 7 bildlich, d.h. in Perspektive dargestellt sind, während Fig. 6 diese Komponenten schematisch zeigt .

Ein in der zuvor beschriebenen Weise konstruierter Laser 11 führt zu eftier hohen Multimoden-Ausgangsenergie. 309848/0828

Außerdem kann der Laser bei Öffnung für den Grundnodenbetxieb einen hohen Grad an selbstätiger phasenstarrer Modenkopplung zeigen, was von de» verwendeten besonderen Gasgemisch abhängig ist.

Die Einleitung der Hauptentladung kann genauer wie folgt beschrieben werden. Das Anlegen einer Hochspannung an die Kathode 80 und die Anode 81 ruft einen anfänglichen Durchschlag bzw. Durchbruch zwischen dem Triggerdraht 86 und der Anode 81 wegen des hoch konzentrierten elektrischen Feldes um den Triggerdraht 86 hervor. Diese Hilfsentladung zwischen Triggerdraht 86 und Anode 81 induziert eine gleichmäßige Glimmentladung zwischen der Kathode und der Anode 81 anstelle von zufälligen Lichtbögen zwischen diesen Elektroden* Ein Entladungszyklus beginnt mit einem anfänglichen Aufladen der zugehörigen Kondensatoren 78 und 79 auf 30 kV. Der Durchschlag des Gases in der Hauptentladungsröhre dämpft schnell den Ringstrom des vom Kondensator 78 und der Funkenstrecke 76 gebildeten Kreises· Die Hauptentladung absorbiert den größten Teil der zuvor in der Schaltung gespeicherten Energie.

Die Funkenstrecke 76 kann durch eine "Zündinjektor¹¹ Kerze und einen abgerundeten Messingzapfen im Inneren eine Plexiglaskawaer gebildet werden· Die Kammer st*fc zur Erzielung einer hohen Schaltgeschwindigkeit unter einem Luftdruck von 2,81 kp/cm .

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Es ist außerdem von Interesse, daß die Laseranode 81 aus einen 38 era langen Abschnitt einer stranggepreßten Aluminiunhandleiste hergestellt wurde, deren Enden in geeigneter Weise abgerundet wurden,um Feldkonzentrationen zu vermeiden. Nach den Polieren wurde die Oberfläche zur Verfestigung mit Rhodium belegt. Die Kathode 80, die in Fig. 7 nicht zu sehen ist, ist identisch mit der Anode ausgebildet·

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Claims

232240? - 24 -Ansprüche

1.J Einrichtung zum Stimulieren der Emission kohärenter

Strahlung mit einem stimulierbaren molekularen Medium, einer Anregungsquelle zum Anregen des stimulierbaren molekularen Mediums und einem Resonator zum Stimulieren der Emission kohärenter Strahlung aus dem stimulier— baren molekularen Medium,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsquelle einen Bromwasserstoff-Molekülar— laser (11), der bei einer Wellenlänge von 4,0 bis 4,6 Mikrometern schwingfähig ist, und eine das stimulier— bare molekulare Medium in einem solchen vorgegebenen Zustand (z.B. unter Druck) haltende Kammer (18) aufweist, bei dem die.Vibrations-/Rötations~Emissionsfrequenzen des Mediums ein Kontinuum bilden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium ein flüssiges oderfestes Medium 1st.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle des stimulierbaren Mediums eine einfache, lineare drelatomische Struktur haben.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium ein Gas ist, das in der

Kammer (18) unter einem Druck von wenigstens etwa 309848/0828

- 25 -fünf Atmosphären steht.

5. Einrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, d£ zum kontlnuferliehen Abstiaaien ein Beugungsgitter (29; 38) und eine Einrichtung (27} 37) zum Ändern der Orientierung und des Abstandes des Gitters in Bezug auf die Kammer (28; 28*) vorgesehen sind.

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