CH475660A - Einrichtung mit einem Laser - Google Patents

Einrichtung mit einem Laser

Info

Publication number
CH475660A
CH475660A CH1400365A CH1400365A CH475660A CH 475660 A CH475660 A CH 475660A CH 1400365 A CH1400365 A CH 1400365A CH 1400365 A CH1400365 A CH 1400365A CH 475660 A CH475660 A CH 475660A
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
laser medium
atoms
ions
molecules
energy
Prior art date
Application number
CH1400365A
Other languages
English (en)
Inventor
Gould Gordon
Original Assignee
Control Data Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to NL269825D priority Critical patent/NL269825A/xx
Application filed by Control Data Corp filed Critical Control Data Corp
Priority to CH1142661A priority patent/CH447410A/de
Priority to FR874713A priority patent/FR1306777A/fr
Priority to CH1400365A priority patent/CH475660A/de
Priority claimed from CH1142661A external-priority patent/CH447410A/de
Publication of CH475660A publication Critical patent/CH475660A/de

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/005Gas-filled transit-time tubes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/0007Applications not otherwise provided for
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22Gases

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description


      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.

    
EMI0004.0012     
  
          .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  
EMI0005.0005     
  
     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     
EMI0006.0039     
  
    = <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  
EMI0006.0047     
  
    <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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Einrichtung mit einem Laser, bei welcher ein gas förmiges 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 Energiezu stand emittierten Photonen durch lichtreflektierende Mittel wiederholt durch das Laser-Medium reflektiert und dadurch eine Zunahme der Dichte der emittierten Photonen erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein dem Laser-Medium zugemischtes gasförmiges Zusatz-Medium enthält, um durch unela stische Zusammenstösse seiner Atome, Ionen oder Moleküle mit denen des Laser-Mediums bei den Ato men,
    Ionen oder Molekülen des Laser-Mediums die Besetzung des niedrigeren ihrer beiden Energiezustände zu verringern, wobei durch Kombination der genann ten Anregung und der unelastischen Zusammenstösse die stärkere Besetzung des höheren der beiden be stimmten Energiezustände der Atome, Ionen oder Moleküle des Laser-Mediums verstärkt wird. UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeich net durch ein Laser-Medium, bei welchem der höhere der beiden Energiezustände ein metastabiler Energiezu stand ist. 2. Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeich net durch ein Laser-Medium, bei welchem der niedri gere der beiden Energiezustände der Grundzustand ist. 3.
    Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeich net durch ein Laser-Medium, bei welchem die beiden Energiezustände die beiden niedrigsten Energiezu stände der Atome, Ionen oder Moleküle des Laser- Mediums sind. 4. Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeich net durch ein Laser-Medium, bei welchem der Über gang zwischen den beiden Energiezuständen ein gemäss den Auswahlregeln für elektrische Dipole verbotener Dipol-Übergang ist. 5. Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeich net durch ein Laser-Medium, bei welchem der niedri gere der beiden Energiezustände der Elektronen- Grundzustand der Atome, Ionen oder Moleküle des Laser-Mediums ist. 6.
    Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Laser-Medium Indium oder Thallium oder eine Mischung beider enthält. 7. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Laser-Medium ein Element der Gruppe II B des Periodischen Systems der Elemente enthält. 8.
    Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Atome, Ionen oder Moleküle des beigemischten Zusatz-Mediums einen metastabilen Energiezustand oberhalb des Energieniveaus des Grund zustandes besitzen und Atome, Ionen oder Moleküle eines Mediums sind, das Sn, Pb, Be, Mg, Ca, Sb, Ba, Zn, Cd, Hg, He, Ne, A, Kr, Xe, Rn und Tl oder eine Mischung von zwei oder mehreren dieser Elemente enthält.
CH1400365A 1961-10-02 1961-10-02 Einrichtung mit einem Laser CH475660A (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NL269825D NL269825A (de) 1961-10-02
CH1142661A CH447410A (de) 1961-10-02 1961-10-02 Einrichtung mit einem Laser
FR874713A FR1306777A (fr) 1961-10-02 1961-10-02 Appareil amplificateur de lumière
CH1400365A CH475660A (de) 1961-10-02 1961-10-02 Einrichtung mit einem Laser

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH1142661A CH447410A (de) 1961-10-02 1961-10-02 Einrichtung mit einem Laser
CH1400365A CH475660A (de) 1961-10-02 1961-10-02 Einrichtung mit einem Laser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CH475660A true CH475660A (de) 1969-07-15

Family

ID=4373369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CH1400365A CH475660A (de) 1961-10-02 1961-10-02 Einrichtung mit einem Laser

Country Status (1)

Country Link
CH (1) CH475660A (de)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE1921937C3 (de) Anregungsanordnung für einen Laser
DE2144201C3 (de) Ramanlaser
DE102014015813A1 (de) Q-Switch-Laservorrichtung
DE1960776A1 (de) Optischer Sender mit passiver Q-Schaltung
DE1614648B2 (de) Optischer Sender
DE1946434B2 (de) Ionenlaserapparatur
CH475660A (de) Einrichtung mit einem Laser
DE4419069C2 (de) Gepulster Laser
DE1489637B2 (de) Bistabiler optischer Schalter
DE19517380A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht
DE1174903B (de) Lichtsender oder -verstaerker fuer moeglichst monochromatische Ausstrahlung mittels selektiver Fluoreszenz
DE1912675A1 (de) Optischer Sender oder Verstaerker mit stimulierbarem Medium
DE2418981B2 (de) Verfahren und einrichtung zur optischen doppelanregung eines stimulierbaren mediums zum verringern der zeitlichen schwankungen der laserpulse im pulsbetrieb mit passiv phasengekoppelter gueteschaltung
DE1300180B (de) Optischer Sender oder Verstaerker
DE60004199T2 (de) Vorrichtung und verfahren zur modenkopplung eines lasers
DE1489733C3 (de) Optischer Sender in Q-Schaltung
DE1293931B (de) Optischer Sender oder Verstaerker
DE1157313B (de) Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen Verstaerker
DE1282209B (de) Optischer Sender
DE1208815B (de) Optischer Sender oder Verstaerker
DE2143829C3 (de) Laseroszillator
DE1539664A1 (de) Laser-Vorrichtung und zugehoerige Glaszusammensetzung
DE2537234A1 (de) Argon-stickstoff-uebertragungslaser hoher leistung
DE1158631B (de) Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen Verstaerker
CH447410A (de) Einrichtung mit einem Laser

Legal Events

Date Code Title Description
PL Patent ceased