Einrichtung mit einem Laser Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem Laser, bei welcher ein gasförmiges Laser- Medium zu einer stärkeren Besetzung des höheren von zwei bestimmten Energiezuständen seiner Atome, Ionen oder Moleküle angeregt wird und bei welcher ein Teil der bei der Rückkehr der Atome, Ionen oder Moleküle in den niedrigeren Energiezustand emittierter Photonen durch lichtreflektierende Mittel wiederholt durch das Laser-Medium reflektiert und dadurch eine Zunahme der Dichte der emittierten Photonen erreicht wird.
Laser arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie die sogenannten Maser (Mikrowellenverstärkung durch an geregte Emission von Strahlung) und bewirken eine Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Photo nen aus Ionen, Atomen oder Molekülen gasförmiger, flüssiger oder fester Substanzen. In besonderen Fällen wird dies in einem Hohlraum oder in einer anderen Umgebung bewerkstelligt, aus der die Lichtenergie nicht unbehindert austreten kann, jedoch eine Erhö hung der Intensität verursacht wird. Das verstärkte Licht in einer derartigen Einrichtung ist durch räum liche oderzeitliche Kohärenz gekennzeichnet.
Bei bekannten Laser-Einrichtungen werden zur Be setzung des höheren Energieniveaus Stossvorgänge (z. B. Zusammenstösse mit Elektronen benutzt, die Entleerung des niederen Energieniveaus jedoch erfolgt allein durch spontane Emission.
Die erfindungsgemässe Einrichtung mit einem Laser ist dadurch gekennzeich net, dass die Einrichtung ein dem Laser-Medium zuge mischtes gasförmiges Zusatz-Medium enthält, um durch unelastische Zusammenstösse seiner Atome, Ionen oder Moleküle mit denen des Laser-Mediums bei den Atomen, Ionen oder Molekülen des Laser- Mediums die Besetzung des niedrigeren ihrer beiden Energiezustände zu verringern,
wobei durch Kombina tion der genannten Anregung und der unelastischen Zusammenstösse die stärkere Besetzung des höheren der beiden bestimmten Energiezustände der Atome, Ionen oder Moleküle des Laser-Mediums verstärkt wird.
Bei der Einrichtung gemäss der Erfindung wird daher eine aktive Entleerung des niedrigeren der bei den Energiezustände der Atome, Ionen oder Moleküle des Laser-Mediums verursacht.
Indem, der Erfindung entsprechend, eine aktive Entleerung des niederen Energieniveaus durch unelasti sche Zusammenstösse durchgeführt wird, werden die bisher vorhandenen Grenzen in der Laser-Ausgangslei stung überschritten.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbei spiele der Erfindung sowie deren besondere Vorteile näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 ein Grotrian-Diagramm der Energieniveaus von Natrium, das zur Erläuterung einer Laser-Einrich tung gemäss der Erfindung dient; Fig. 2 einen Querschnitt in teilweise schematischer Darstellung durch einen nichtresonanten Lichtverstär ker, der durch eine elektrische Entladung im Verstär kerhohlraum angeregt wird;
Fig. 3 eine zum Teil schematische Darstellung eines Querschnittes eines Resonanzlichtverstärkers, der durch eine Entladung im Resonanzhohlraum angeregt wird; und Fig.4 ein Diagramm einiger Energieniveaus von Zia'.:, das zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dient, bei dem eine innere Entladung zum Anregen des Arbeitsmediums benutzt wird.
Nichtresonanter Lichtverstärker <I>mit innerer Entladung</I> Fig.2 zeigt einen nichtresonanten Lichtverstärker, in dem das gasförmige Laser-Medium in einem Hohl raum direkt durch Zuführung hochfrequenter Energie und nicht durch eine Lichtquelle erregt wird (niederfre quente Energie oder eine Gleichstromentladung können erwünschtenfalls stattdessen verwendet werden). Gegenüber einer relativ einfachen Anregung durch Resonanzstrahlung weist diese etwas komplizier tere Arbeitsweise bestimmte Vorteile auf.
Bei dieser Arbeitsweise werden Zusammenstösse zweiter Art dazu verwendet, um die Intensität einer speziellen Spektral linie der Laser-Einrichtung zu erhöhen. Solche Zusam menstösse zweiter Art sind unelastische Zusammen- stösse.
Es wurden umfangreiche Studien durchgeführt, um das Phänomen der Sekundärfluoreszenz (sensibilisierte Fluoreszenz) zu erforschen. Atome einer Art, die auf ein bestimmtes Elektronenniveau angeregt sind, können bei Zusammenstössen mit Atomen einer zweiten Art ihre Anregungsenergie übertragen. Es wurde experi mentell und theoretisch nachgewiesen, dass der über tragungsvorgang am wahrscheinlichsten ist, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind: a) Je kleiner die Energiedifferenz zwischen den in Frage kommenden Energiezuständen der beiden Atom arten ist, desto grösser ist der Stossquerschnitt für den Austausch.
b) Der Gesamt-Elektronenimpuls der beiden Atome bleibt vor und nach dem Zusammenstoss der selbe (Teilauswahlregel von Wigner). In Verbindung mit der Regel a) muss der der Energiedifferenz zwischen den Zuständen beider Atom arten entsprechende Energiebetrag in kinetische Ener gie der Atome umgewandelt oder aus dieser hergeleitet werden. Wenn die Energiedifferenz kleiner als die ther mische Energie ( < K=0.03eV) und wenn die Regel b) erfüllt ist, kann der Stossquerschnitt mehr als das Hun dertfache des Stossquerschnitts gemäss der kinetischen Theorie betragen.
Insbesondere wurden Zusammen- stösse zweiter Art zwischen metastabilen Hg (63P0) Atomen und Natriumatomen in einem gemischten Gas beobachtet. Aus dem Diagramm in Fig.1 geht hervor, dass das Hg (63P0) Niveau zwischen dem Na (7S) und dem Na (6P) Niveau liegt und um 0.045 eV klei ner als das Na (7S)-Niveau ist. Es wurde beobachtet, dass die sichtbare Na (7S 3P) 4751 Linie unter ge wissen Bedingungen so intensiv wie die Na (3P 3S) 5893 A Linie wurde, was zeigt, dass die Hauptmenge der Energie auf das Na (7S) Niveau übertragen wurde. Die Intensitätsverbesserung beträgt etwa das Zwanzig fache. Es kann angenommen werden, dass Übergänge von dem 6P -Niveau in gleicher Weise begünstigst werden.
Die genaue Mischung von Hg in Na-Amalgam, um den notwendigen Druck von Na (¯10-4 mm Hg) und Hg (¯ 1.0 mm Hg) bei Arbeitstemperatur zu erhalten, kann aus Veröffentlichungen entnommen oder angenä hert aus dem Gesetz von Raoult berechnet werden.
Aus der vorangegangenen Erläuterung ist ersicht lich, dass bei Zusammenstössen zweiter Art mit einer anderen Atomart der Wirkungsgrad des Vorgangs, durch den eine stärkere Besetzung eines höheren Ener gieniveaus durch optisches Pumpen erzeugt wird, be trächtlich erhöht werden kann und zu einem Anwach sen des Wirkungsgrades der Arbeitsweise der lichtver stärkenden Einrichtung führt.
Gemäss Fig. 2 ist ein Hohlkörper 31 mit einer Öff nung 32 für den Lichtaustritt in den Aussenraum vor gesehen. Ein Stab 34 aus transparentem Material kann verwendet werden, um das Licht aus der Einrichtung herauszuleiten. Wahlweise können auch Fenster ver wendet werden.
Der Innenraum 36 des Hohlkörpers ist vorzugs weise mit einem gasförmigen Medium ausgefüllt, z. B. mit einer Mischung aus Quecksilber- und Natrium dampf, wie bereits erwähnt wurde. Die Wand 37 des Hohlkörpers 31 ist mit einer reflektierenden Oberflä che 40 versehen, die z. B. aus Magnesiumoxyd besteht. Ein Vorratsbehälter 38 ist über eine Leitung 39 mit dem Innenraum 36 des Hohlkörpers 31 verbunden, um eine gasförmige Atmosphäre gewünschter Zusammen setzung und gewünschten Druckes im Hohlkörper 31 zu erzeugen.
Für den Vorratsbehälter 38 ist eine Heiz- einrichtung 41 vorgesehen, die von einem Temperatur regler 42 gesteuert wird, wodurch der Dampfdruck im Hohlkörper geregelt wird. übermässige Druckschwan- kungen und Kondensation in dem Hohlkörper 31 wer den verhindert, indem der Hohlkörper 31 auf einer durch den Ofen 43 gesteuerten Temperatur gehalten wird.
Um die Atome im Innenraum 36 anzuregen, wird Energie über eine Spule 44 zugeführt, die den Hohl körper umgibt und mit hochfrequenter Anregungsener gie z. B. bei einer Frequenz von etwa 100 Megahertz, gespiesen ist.
In der Einrichtung nach Fig.2 erfolgt also eine Anregung der Atome im Innenraum 36 durch eine von hochfrequenter Energie induzierte Entladung und nicht durch eine Lichtanregung.
Natürlich kann die Entladung im Innenraum 36 auch auf andere Weise erfolgen, z. B. durch eine Gleichstrom- oder Niederfrequenzentladung zwischen Elektroden oder durch kapazitive Einkopplung hoch- frequenter elektrischer Energie, an Stelle der in Fig. 2 dargestellten induktiven Kopplung.
Der Vorteil der Erzeugung einer Entladung inner- halb des Hohlraumes an Stelle der Abhängigkeit von der Absorption von Energie von einer Lichtquelle ist ohne weiteres verständlich, wenn man berücksichtigt, dass nur etwa 20 % oder weniger der Lichtenergie, die in den Hohlraum geführt wird, zur Erzeugung nütz licher Pumpwirkung absorbiert wird. Darüber hinaus kann nur ein begrenzter Betrag von pumpendem Licht durch eine kleine Öffnung eingeführt werden.
Wenn die Öffnung grösser gemacht wird, wird der Ver lust von Licht aus dem Hohlraum beträchtlich. Wenn die Entladung innerhalb des Hohlraumes erfolgt, um die Atome anzuregen, wird praktisch alle in den Hohl raum eingeführte Energie in dem Arbeitsmedium ab sorbiert und ein grosser Teil in nutzbare Arbeitslei stung umgewandelt. Wenn eine innere Entladung zur Anregung der Atome verwendet wird, kann ein grosser Betrag pumpender Leistung in den Hohlraum einge koppelt werden.
Die Nützlichkeit nichtresonanter Lichtverstärker ist etwas durch den hohen Rauschpegel beschränkt, der sich beim Ausgangssignal ergibt. Zufällige Schwankun gen der Frequenz oder Phase des Signals werden durch spontane Übergänge erzeugt. Insbesondere ist die Nütz lichkeit der nichtresonanten Einrichtung als Verstärker (im Gegensatz zu einem Oszillator) durch diesen Un tergrund zufälliger Emissionen beschränkt, was den Grund für eine Rauschbandbreite von angenähert 1000 Megahertz (die Dopplerbreite der Spektrallinie) ergibt.
Die angenähert äquivalente Rauschtemperatur des nichtresonanten Lichtverstärkers beträgt im Zentrum des sichtbaren Spektrums 30 000 K. Andererseits lie- fert der nichtresonante Lichtverstärker, der als Oszilla tor arbeitet, eine Spektrallinie, die bis zu 50mal schma ler und 3000mal so intensiv wie der schwache, durch spontane Emission erzeugte Untergrund ist, dem diese überlagert wird.
Darüber hinaus weist der nichtresonante Lichtver stärker trotz der kurzzeitigen Frequenzschwankungen eine langzeitige mittlere Frequenz auf, die sehr kon stant ist. Deshalb kann durch Mitteln der Frequenz über eine begrenzte Zeitspanne ein Lichtfrequenznor mal mit einem Ausmass von Genauigkeit erhalten wer den, das vergleichbar mit dem irgendeines bekannten Frequenznormals ist. Ein derartiges Normal ist nicht nur vorteilhaft für Zeitmessungen, sondern auch für Entfernungsmessungen durch interferometrische Ver fahren verwendbar.
Resonanzlichtverstärker Der oben beschriebene Lichtverstärker gemäss Fig.2 wurde als nichtresonanter Lichtverstärker be zeichnet, weil die Frequenz des Lichtes am Ausgang, obwohl sie verhältnismässig konstant ist, nicht in irgendeinem wesentlichen Ausmass von den Abmes sungen des Hohlraumes abhängig ist, in dem die Schwingung erzeugt wird.
Im folgenden soll eine Ausführungsform des Licht verstärkers beschrieben werden, bei welcher die Reso nanzfrequenz der Einrichtung stark von den Abmes sungen des Hohlraumes abhängt. Der Resonanzlicht verstärker unterscheidet sich auch in anderen wichtigen Merkmalen, doch wird die Resonanzanzeigenschaft der Einrichtung als ein zweckmässiger Weg für dessen Un terscheidung von dem vorher beschriebenen nichtreso- nanten Lichtverstärker verwendet.
Das Verfahren zur Anregung der Atome innerhalb des Hohlraumes kann auf Resonanzlichtverstärker an gewandt werden. Fig. 3 zeigt einen solchen Resonanz lichtverstärker. Ein länglicher Hohlkörper 121 ist vor gesehen, der verschlossene Enden 122 und 123 auf weist. Zweckmässigerweise ist zumindest eines der Enden, wie beispielsweise 123, lichtdurchlässig für Licht der Frequenz, für die der Verstärker entworfen ist. Die Seitenwände des Hohlkörpers 121 müssen nicht durchsichtig sein, weil hier nicht die Notwendig keit besteht, Lichtenergie durch die Wände hindurch zuzuführen, da andere Einrichtungen zur Anregung verwendet werden.
Der Innenraum 124 des Hohlkörpers 121 ist mit einem gasförmigen Medium gefüllt, das von einem Vorratsbehälter 125 zugeführt werden kann, der über eine von einem Temperaturregler 127 geregelten Heiz- spule 126 geheizt wird. Wie bereits bei dem vorherge henden Ausführungsbeispiel der Einrichtung beschrie ben wurde, gewährleisten der Vorratsbehälter 125, die Heizspule 126 und der Temperaturregler 127 zu sammen mit dem Ofen 130 mit regelbarer Temperatur, der den Hohlkörper 121 umgibt, dass der Druck des Mediums in dem Hohlraum auf einem geeigneten Wert gehalten wird.
Vorzugsweise ist der Innenraum 124 des Hohlkör pers 121 mit einem gasförmigen Medium gefüllt, das aus einer Mischung aus Natrium und Quecksilber oder aus einer Mischung von anderen Elementen besteht, mit deren Hilfe der Wirkungsgrad der Anregung der beeinflussten Atome auf ein gewünschtes Energieni- veau mit Hilfe von Zusammenstössen zweiter Art be günstigt wird. Die allgemeine Theorie, nach der eine vorteilhafte Besetzungsverteilung der Energieniveaus eines Elementes durch Zusammenstösse zweiter Art mit einem anderen Element erzeugt werden kann, wurde bereits erwähnt und soll hier nicht wiederholt werden.
Das optische System der Einrichtung in Fig. 3 enthält zwei Prismen 131 und 134 mit rechtwinklig zu einander verlaufenden Flächen 132 bzw. 135 sowie Stirnflächen 133 und 136. Die Stirnflächen 133 und 136 sind vorzugsweise mit einem Überzug zur Vermin derung der Reflexion überzogen, so dass praktisch die gesamte Reflexion durch innere Reflexion von den Flächen 132 und 135 erfolgt.
Mindestens eine der Flächen 135 kann mit einem Überzug aus einem Material versehen sein, das einen Brechungsindex zwischen dem des Materials des Pris- mas 134 und der Atmosphäre besitzt, in der es ange ordnet ist, wodurch eine Totalreflexion an der Fläche 135 vermieden und ein Durchtritt des im Hohlraum 124 erzeugten Lichts durch das Prisma 134 ermöglicht wird. Es ist zu bemerken, dass das durch das Prisma 134 hindurchtretende Licht (in verschiedene Bündel) durch Reflxeion und Brechung (-), aufgeteilt sein wird. In einigen Fällen kann dies wünschenswert sein.
Falls es jedoch erwünscht ist, praktisch alle Ausgangsbündel in eine Richtung zu führen, können zusätzliche Pris men vorgesehen werden, um die verschiedenen Aus gangsbündel durch Reflexion oder Brechung zu ver einigen und praktisch in die gleiche Richtung zu füh ren. Ein optisches Filter 137 kann in den Lichtweg zwi schen den Prismen 131 und 134 gebracht werden, um Licht einer anderen Frequenz als der für die Arbeits weise des Lichtverstärkers ausgewählten auszuschei den. Insbesondere wenn ein derartiger Verstärker als Oszillator betrieben wird, kann ein atomarer Übergang höherer Wahrscheinlichkeit als derjenige vorliegen, der die gewünschte Lichtfrequenz erzeugt.
Ein derartiger Übergang würde eine Schwingung bei niedrigerer Ein gangsleistung als der für die gewünschte Schwingung erforderlichen erzeugen. Derartige parasitische Schwin gungen müssen unterdrückt werden. Im allgemeinen treten, mit Ausnahme von Übergängen, Schwingungen in verschiedenen Schwingungsformen gleichzeitig nicht auf und wären in jedem Fall unerwünscht. Folglich kann es wünschenswert sein, ein optisches Filter, wie beispielsweise 137, in dem Hohlkörper 121 anzubrin gen, wodurch mit Ausnahme der gewünschten Fre quenz des Lichts die Verstärkung für alle Frequenzen unter den Punkt vermindert wird, der für die Aufrecht erhaltung einer Schwingung erforderlich ist.
Eine andere und verschiedenartige Verwendung für ein Filter (wie das Filter 137 im Hohlkörper 121, das in Fig. 3 dargestellt ist) erfolgt zum Zwecke der Her stellung polarisierten Lichts am Ausgang des Lichtver stärkers. Offensichtlich ist die Einführung eines Polari sationsfilters in den geschlossenen Weg in der lichtver stärkenden Einrichtung mit dem Auftreten von Verlu sten für Licht mit Ausnahme derjenigen Polarität ver bunden, für die das Filter durchlässig ist.
Diese Verlu ste verhindern weitgehend die Verstärkung anderen Lichts als das der gewünschten Polarität und in einem Oszillator wird die Erzeugung sich selbst aufrechterhal tender Schwingungen mit Ausnahme von Licht der ge wünschten Polarität verhindert, Es ist zu erkennen, dass in der Einrichtung in Fig. 3 keine getrennte Gasentladungslampe vorgesehen ist, um eine Lichtanregung des Mediums im Innenraum zu verursachen.
Stattdessen wird eine Entladung direkt im Innenraum 124 mit Hilfe von Elektroden 127' er zeugt, die mit einer Energiequelle 128 über Leitungen 129 verbunden sind.
Bei der Einrichtung gemäss Fig.3 sind im Innen raum 124 Elektroden 127' angeordnet, welche so ge speist werden, dass entweder eine Gleichstrom- oder Niederfrequenzentladung erzeugt wird. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Elektroden im Innenraum angeordnet sind, um eine Entladung in ihm zu erzeu gen. Z. B. können auch Aussenelektroden verwendet werden, die durch Aluminiumfolien oder dergleichen gebildet und so gespeist sind, dass sie eine hochfre- quente elektrische Entladung im Innenraum 124 indu zieren.
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.Andere <I>durch eine</I> Entladung anregbare atomare Energieniveaus Zusätzlich zu der Anregung der Na (6P und 7S) Niveaus durch Zusammenstösse zweiter Art mit meta stabilem Ilg (63P0) in einer Entladung in der Licht verstärkerröhre ist eine Reihe von metastabilen Ni veaus, die geeignet sind, Niveaus der nahezu gleichen Energie in anderen Atomen durch Zusammenstösse zweiter Art anzuregen, in Tabelle I aufgeführt.
Diese Niveaus sind langlebig, weil die Auswahlregeln für Dipolübergänge ein Abklingen über schnelle Strah lungsprozesse auf niedrigere Niveaus verbieten. Meta- stabile Energiezustände sind nur für Elemente angege ben, die normalerweise ein atomares Gas bilden, ob wohl andere gegebenenfalls auch verwendet werden könnten. Tabelle I ist nicht vollständig, enthält aber die Zustände, die am wahrscheinlichsten von: prakti schem Interesse sind.
Die Erdalkalien Zink und Cad mium können nicht leicht verdampft werden. Es hat den Anschein, dass mindestens in einigen Fällen eine reine He-Entladung zur Verwendung in einem Lichtverstärker nach der Erfindung wünschens- <I>Andere Fälle der</I> Anregung <I>durch</I> Zusammenstösse <I>zweiter Art</I> Zusätzlich zu der wahlweisen Anregung von Na (7S oder 6P) durch Zusammenstösse mit metastabilen Hg (63P0)Atomen. in einer Entladung sind in Tabelle II andere atomare Metalle angegeben, die durch Zu- sammenstoss mit metastabilen Atomen angeregt wer den können. In jedem Fall fallen höhere Niveaus des
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wert ist.
Ein ähnlicher Zustand hinsichtlich eingefange ner Photonen besteht für den Übergang Na (75->3P). Arbeitselements in die Nähe metastabiler Niveaus eines möglichen Trägergases. In -einigen Fällen wurde eine derartige Sekundärfluoreszenz schon von Experimenta toren beobachtet.
Hinsichtlich der Verständlichkeit der Tabelle II wird. auf Tabelle I verwiesen. Beispielsweise weist Argon einen Energiezustand auf, in. welchem es Energie von im unteren von zwei bestimmten Energiezuständen befindlichen Neon auf nimmt.
Wenn somit einem Laser-Medium aus Neon Argon als Trägergas zugemischt ist, so werden die Atome, Ionen oder Moleküle des Argons unelastisch mit den Atomen, Ionen oder Molekülen des Neons zu- sammenstossen und letztere aus diesem untern Energie zustand herausbringen.
In allen bisher diskutierten Beispielen war die spon tane Abklingrate des angeregten Zustands grösser als 106/sec, was charakteristisch für erlaubte elektrische Dipol-Strahlungsübergänge ist. Da die Anregungsrate grössenordnungsmässig 105/sec beträgt, ist offensicht lich, dass selbst bei Verwendung der wirksamen und selektiven Methode der Zusammenstösse zweiter Art die Besetzung des angeregten Zustands nicht stärker als . die des Grundzustandes gemacht werden kann.
Deshalb kann eine Wirkung als Lichtverstärker oder Emission durch gegenseitig induzierte Übergänge nur bis zu einem Zwischenzustand auftreten, dessen Besetzung durch eine noch grössere Rate des spontanen Abklingens niedriger gehalten wird.
Es ist ferner möglich, die Besetzung eines langlebi geren niedrigeren Zustands durch Zusammenstösse zweiter Art zu verringern, um dasselbe Ergebnis zu er reichen.
Lichtverstärker-Übergänge vom metastabilen <I>zum Grundzustand</I> Als Beispiel für Lichtverstärkerübergänge vom metastabilen in den Grundzustand soll Zink betrachtet werden. Die metastabilen 43P Niveaus liegen mehr als 4 Elektronenvolt über dem Grundzustand, wie in Fig.4 gezeigt ist. Diese Niveaus liegen nicht in der Nähe irgendwelcher anderer metastabiler Niveaus und können so nicht direkt durch Zusammenstösse zweiter Art angeregt werden. Jedoch können höhere nicht metastabile Niveaus von Zink durch Zusammenstösse mit metastabilem Krypton und Xenon angeregt wer den. Von diesen. Zuständen fallen die Zinkatome sehr schnell auf metastabile Zustände sowie auf den Grund zustand.
Die Abklingrate von Zink (43P1 ->4'S) durch Emission des ultravioletten Photons A = 3076 beträgt A = 1 X 105/sec. Es wurde bereits erwähnt, dass Raten der Anregung durch Zusammenstösse, die etwas grös- ser sind, erreichbar sein können. Deshalb sollte es möglich sein, Lichtverstärker-Übergänge zu dem Grundzustand von Zink zu erreichen.
Gegenüber dem niedrigen Niveau Nnied. muss das höhere Niveau Nhoch einen Überschuss der Besetzungsdichte aufwei sen, der gegeben ist durch
EMI0006.0036
mit
EMI0006.0038
ä <SEP> = <SEP> effektiver <SEP> Reflexionsverlust
<tb> o <SEP> = <SEP> mittlerer <SEP> Photonenweg
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= <SEP> Wellenlänge
<tb> f(Vo) <SEP> = <SEP> Spektrallinien <SEP> Formfunktion
<tb> A <SEP> = <SEP> Abklingrate Einsetzen der Zahlen-Werte ergibt NZn(3P )> 5 X 1011/cm3 Wenn die Atome durch Zusammenstösse auf die drei metastabilen Zustände verteilt sind, beträgt der erforder liche Zink-Druck nur 2 X 10-5 mm Hg. Dies ist der Dampfdruck bei etwa 200 C.
Im Falle von Thallium können die meisten Atome in den viel langlebigeren 62P3/2 metastabilen Zustand durch einen ähnlichen indirekten Mechanismus ge bracht werden: Entweder Zusammenstösse zweiter Art mit metastabilem Hg oder Absorption der 3376 A Resonanzstrahlung mit folgendem Übergang auf 62P312. Wegen der in diesem Fall gültigen Näherungsgleichung
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<B>2 <SEP> 2</B>
<tb> A <SEP> (6 <SEP> Part <SEP> <B>--></B> <SEP> 6 <SEP> P1,2)50/sec. muss die Dichte sehr hoch sein: N .; 1014 Atome/ cm3 oder P = 3X10-3 mm Hg bei einer Temperatur T = 600 C.
Flüssige oder feste Laser-Medien Es ist zweckmässig, Substanzen mit Fluoreszenz (Wiederausstrahlung) zu verwenden, die einen hohen Quanten-Wirkungsgrad aufweisen. Einige Substanzen, die die starke Na(5893 )-Linie absorbieren und gut fluoreszieren, sind Merozyanin Farbstoffe, Fluores- zein , Meldola-Blau und Rhodamin B . Vielver sprechender sind gewisse Substanzen, bei denen die an der Anregung teilnehmenden Elektronen in inneren Schalen der Atome oder der betreffenden Ionen liegen und die gegen Störungen aus der Umgebung abge schirmt sind. Derartige Substanzen, wie Porphyrine, Rubin und Ionen seltener Erden besitzen viel schma lere Spektral-Linien.
Die Verwendung polykristalliner Festkörper bringt die Beugung und Brechung der Lichtwellen an den Kristallgrenzschichten mit sich, wodurch die verlustlose Reflexion einer Welle hin und zurück zwischen den Reflektoren des Lichtverstärkers verhindert wird. Um dies zu vermeiden, könnte ein Rubin-Einkristall ver wendet werden.
Die Schwierigkeiten, die die Verwendung fester oder flüssiger Arbeitsmedien ergeben, können bei spielsweise durch Verwendung des Ions Eu.. (seltene Erde) in flüssiger Lösung auf ein Minimum herabge setzt werden.
Es erscheint deshalb möglich, wenn für spezielle Anwendungen eine kondensierte Arbeitssubstanz wie eine Flüssigkeit wünschenswert ist, eine derartige Arbeitssubstanz in einem Hohlraum zu verwenden. Ein Beispiel einer derartigen Arbeitssubstanz ist Europium- Sulfat in Wasser. Die Anregung könnte durch eine Natriumdampflampe erfolgen, die ähnlich wie kom merziell verfügbare Typen ausgebildet ist, mit einer verbreiterten Natriumlinie und einer Intensität der Emission von zwischen 0,1 und 1,0 Watt/cm2 (stera- dian).
Es ist zu beachten, dass die verschiedenen disku tierten Anregungsarten, wie die Anregung durch Reso nanzstrahlung im allgemeinen sowohl auf die nichtre- sonante als auch auf die resonante Ausführungsform einer lichtverstärkten Einrichtung anwendbar sind, ge nau wie die diskutierten verschiedenen Arbeitsmedien.
Die Lichtverstärker vom resonanten oder nicht resonanten Typ können im Impulsbetrieb arbeiten, ein fach dadurch, dass die Quelle der Anregungsenergie gepulst wird, wie z. B. die Anregung durch Licht oder eine elektrische Entladung.