DE1158630B - Optischer Kristallverstaerker fuer selektive Fluoreszenz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Kristallverstärker für selektive Fluoreszenz, die kohärente Lichtstrahlen im sichtbaren Teil des Spektrums zu erzeugen gestattet.

Mit »optische Verstärker« werden Vorrichtungen bezeichnet, die durch selektive Fluoreszenz ein schmales Strahlungsband im infraroten, im sichtbaren oder im ultravioletten Teil des elektromagnetischen Wellenspektrums erzeugen. Optische Vorrichtungen dieser Art können eine Strahlung erzeugen, die im hohen Grade gerichtet, kohärent und monochromatisch ist.

Die bekannten optischen Verstärker enthalten als selektiv fluoreszentes Medium einen Kristall, der ein geeignetes Dotierungsmaterial enthält und in dem elektromagnetische Schwingungen angeregt werden. Diese optischen Verstärker weisen starke spektrale Absorptionsbänder auf und erzeugen eine stark gerichtete und kohärente Strahlung im sichtbaren oder im infraroten Teil des Spektrums. Ein bekannter selektiv fluoreszenter Festkörper ist der Rubinkristall, der aus mit Chrom dotiertem Aluminiumoxyd besteht. Der Rubin weist starke Absorptionsbänder im sichtbaren Teil des Spektrums auf, insbesondere im blauen und im grünen Bereich, und erzeugt eine Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 6940 A, die im roten Bereich des sichtbaren Teils des Spektrums liegt. Weiterhin wurde ein optischer Verstärker bekannt, der als selektiv fluoreszenten Festkörper einen mit dreiwertigem Uran dotierten Kalziumfluorid enthält, der starke Absorptionsbänder im sichtbaren Teil des Spektrums, insbesondere im grünen Bereich aufweist und eine Ausgangsstrahlung im Infrarotbereich des elektromagnetischen Wellenspektrums erzeugt. Ein anderer optischer Kristallverstärker besteht aus mit zweiwertigem Samarium dotiertem Kalziumfluorid, der ein starkes Absorptionsband im sichtbaren Teil des Spektrums, insbesondere im roten Bereich aufweist und ebenfalls eine Ausgangsstrahlung im sichtbaren Teil des Spektrums, insbesondere im roten Bereich erzeugt.

Die in dem Rubin enthaltenen Atome oder Ionen haben vorwiegend drei verschiedene Energiezustände, nämlich einen Grundzustand, einen metastabilen Zustand, der auf einer wesentlich höheren Ebene als der Grundzustand liegt, und einen Anregungszustand, bei dem es sich um ein breites Band von Energiestufen über dem metastabilen Zustand handelt, in das die Ionenzentren des Kristalls relativ leicht aus dem Grundzustand durch Anregung gehoben werden. Wenn der selektiv fluoreszente Kristall im Ruhe-Optischer Kristallverstärker
für selektive Fluoreszenz

Anmelder:

International Business Machines Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Juli 1961 (Nr. 126 114)

Peter Pitirimovich Sorokin,
Chappaqua, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

zustand ist, d. h. solange dem Kristall keine Anregungsenergie zugeführt wird, befinden sich nahezu alle Ionenzentren in dem Kristall im Grundzustand. Wenn dem Kristall Anregungsenergie zugeführt wird, machen bestimmte Ionenzentren Übergänge zum angeregten Band durch, wodurch potentielle Energie aufgespeichert wird. Der Frequenzbereich der Anregungsenergie, durch den der Übergang in höhere Energiestufen erzeugt wird, wird bestimmt durch die Absorptionsbanden des selektiv fiuoreszenten Kristalls, und zweckmäßigerweise sollte dieser Frequenzbereich im sichtbaren oder im infraroten Teil des elektromagnetischen Wellenspektrums liegen. Nachdem die Ionen des Kristalls angeregt worden sind, machen sie zunächst spontan einen nichtstrahlenden Übergang aus dem Anregungszustand in den metastabilen Zustand durch. Nichtstrahlend bedeutet, daß keine Fluoreszenz erzeugt wird, sondern daß die mit dem Übergang verbundene Energie in Gitterschwingungen innerhalb des Kristalls aufgebraucht wird. Aus dem metastabilen Zustand kehren die Ionen unter Fluoreszenz in den Grundzustand zurück. Während dieses fluoreszierenden Übergangs wird eine Ausgangsstrahlung erzeugt, deren Frequenz für den jeweiligen selektiv fluoreszenten Kristall eigentümlich ist und die sich aus dem Gesetz E — hv

309 767/185

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als Energiedifferenz zwischen dem metastabilen Zu- Samarium bei etwa 0,7082 μΐη, also im Rotbereich

stand und dem Grundzustand ergibt. Der Rubin des Spektrums.

fluoresziert mit etwa 6940 A. Der grundlegende Unterschied zwischen dem Ver-Charakteristisch für die Energieverteilung in einem halten der beiden vorgenannten Kakiumfluoridselektiv fluoreszenten Kristall eines optischen Ver- 5 Kristalle gegenüber einem Rubin ist der, daß die stärkers ist es, daß die Besatzung der höheren der selektive Fluoreszenz in den Kalziumfluorid-Kristallen beiden Energiestufen, zwischen denen der fluores- zwischen dem dritten, metastabilen Zustand und zierende Übergang erfolgt, größer und daher meta- dem zweiten, stabilen Zustand und nicht zwischen stabil ist als die Besetzung der niedrigeren Stufe. dem metastabilen Zustand und dem Grundzustand Wenn also die Anregungsenergie unterhalb eines be- io erzeugt wird. Wie schon angedeutet wurde, ist, wenn stimmten Grenzwertes gehalten wird, ist die Zahl der Kristall in Ruhe ist, die Besetzung der Energieder Ionen in dem selektiv fluoreszenten Kristall, die stufen der Ionenzentren eine derartige, daß fast ausin den Anregungszustand gehoben werden, zu klein, schließlich der Grundzustand besetzt ist. Damit um eine selektive Fluoreszenz in dem Kristall zu nun die gewünschte selektive Fluoreszenz zustande erzeugen, und daher werden in dem Kristall keine 15 kommt und ein kohärenter Lichtstrom großer InSchwingungen ungedämpft aufrechterhalten. Die tensität ausgelöst wird, ist es erforderlich, genügend unter diesen Bedingungen in dem Kristall erzeugte Anregungsenergie zuzuführen, um eine Inversion Fluoreszenz erfolgte unter dem Wiederherstellen der Besetzungsverteilung zu erzwingen. Mehr als die eines thermischen Gleichgewichtes als spontane Hälfte der ursprünglich im Grundzustand vorEmission. 20 handenen Ionen muß in den nächsten Anregungs-Wenn die Stärke der Anregungsenergie über den zustand (vierte Stufe) angehoben werden und dann Grenzwert hinaus gesteigert wird, durchlaufen die wieder in den metastabilen Zustand zurückfallen, Ionen des Kristalls vom Grundzustand aus den bevor eine solche Inversion erreicht werden kann, oberen Anregungszustand und dann in den meta- Wie schon erwähnt, hat der entsprechend dotierte stabilen Zustand, aus dem heraus selektiv fluores- 25 Kalziumfiuorid-Kristall vier vorherrschende Energiezierende Übergänge von Ionen zwischen dem meta- zustände anstatt der drei des Rubin-Kristalls. Der stabilen Zustand und dem Grundzustand stimuliert zweite stabile untere Zustand im Kristall mit vier werden können. Je größer die Anregungsenergie, Energjestufen ist im wesentlichen unbesetzt, und desto mehr können die Verluste in dem Kristall daher brauchen nur relativ wenige Ionen angeregt ausgeglichen werden. Wenn die Verluste kompensiert 30 zu werden und in den metastabilen Zustand zurücksind, werden Schwingungen ungedämpft in dem zufallen, um eine Inversion der Besetzungsverteilung Kristall aufrechterhalten, so daß ein sehr starker zwischen dem metastabilen Zustand und dem unteren monochromatischer, kohärenter Lichtausgang ent- stabilen Zustand herbeizuführen. Dementsprechend steht. Es ergibt sich also, daß die Mindestvoraus- ist nur etwa ein Fünfhundertstel der Anregungssetzung für die Erzeugung von Schwingungen in dem 35 energie, die in dem Rubin notwendig ist, für das Kristall die ist, daß zwischen dem metastabilen Zu- Erzeugen selektiver Fluoreszenz in den Kalziumstand und dem Grundzustand eine Inversion der fluorid-Kristallen erforderlich.

Besetzung stattfindet, die ausreicht, um die Verluste Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen

auszugleichen. optischen Verstärker mit starker Absorption im

Die Ionen eines selektiv fluoreszenten Kalzium- 4° Ultraviolettbereich des Spektrums und selektiver

fiuorid-Kristalls mit dreiwertigem Uran und des Fluoreszenz im grünen Teil des Spektrums zu

Kalziumfluorid-Kristalls mit zweiwertigem Samarium schaffen, der eine relativ geringe Anregungsenergie

haben vorwiegend vier Energiezustände, nämlich benötigt, um ungedämpfte Schwingungen in dem

einen Grundzustand, einen oberen Anregungszustand, Kristall zu erzeugen. Dabei soll das entstehende

einen metastabilen Zustand und einen stabilen 45 Licht ein monochromatisches, kohärentes grünes

unteren Zustand. Das der Anregung dienende vom Licht sein.

Kristall zu absorbierende Licht, das die Übergänge Die Erfindung besteht nun darin, daß bei einem aus dem Grundzustand in den angeregten Zustand optischen Kristallverstärker für selektive Fluoreszenz bewirkt, liegt bei einem Kalziumnuorid-Kristall mit zur Erzeugung eines kohärenten Lichtstrahls als dreiwertigem Uran bei 0,56 μΐη, d. h. im grünen 50 selektiv fluoreszenter Kristall ein Alkaliftuorid-Bereich des Spektrums, und bei einem Kalzium- Kristall verwendet wird, der mit sechswertigem Uran fluorid-Kristall mit zweiwertigem Samarium bei dotiert ist, so daß ein kohärentes grünes Licht bei 0,6320 μτη, d. h. im roten Teil des Spektrums. ultravioletter Anregung ausgesandt wird.
Während des Anregens der Ionenzentren aus dem Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Grundzustand in den angeregten Zustand wird bei 55 optischen Verstärkers besteht darin, daß er eine selektiv fluoreszierendem Kalziumfluorid Energie Lichtquelle bildet, die bisher nicht zur Verfügung absorbiert, ganz entsprechend, wie es beim Rubin stand. Diese Lichtquelle kann für viele Zwecke der Fall ist. Diese Ionenzentren erfahren dann einen verwendet werden, ist jedoch besonders geeignet nichtstrahlenden Übergang, wenn sie aus dem vierten, für die Übermittlung von Nachrichten in Meerhöchsten angeregten Zustand in den dritten, meta- 60 wasser.

stabilen Zustand übergehen. Vom dritten, meta- Bisher war die Nachrichtenübermittlung zwischen

stabilen Zustand aus fallen die Elektronen unter Schiffen, z. B. Unterseebooten, die in Meerwasser

Lichtaussendung in den unteren stabilen zweiten auf Tauchstation sind, äußerst schwierig und besten-

Zustand. Dieses ausgesandte Licht ist mono- falls nur über sehr kurze Entfernungen möglich. Das

chromatisch und kohärent und liegt beim Kalzium- 65 Meerwasser absorbiert Radiowellen und dämpft

fluorid-Kristall mit dreiwertigem Uran bei etwa akustische Wellen stark, wodurch ihre Ubertragungs-

2,5 μΐη, d. h. im Infrarotbereich des Spektrums, und strecke stark eingeschränkt wird. Bekanntlich über-

beim Kalziumfluorid-Kristall mit zweiwertigem trägt das Meerwasser Lichtwellen, und zwar am

besten diejenigen Wellen, die im grünen Teil des Spektrums liegen. Bisher gibt es nur Quellen inkohärenten grünen Lichtes für die Übertragung durch das Wasser. Es sind noch keine praktisch verwendbaren Grünlichtquellen konstruiert worden, die geeignet sind, grünes Licht zwischen getauchten Schiffen über größere Entfernungen durch das Wasser zu übertragen, da das inkohärente Licht sich nicht ausreichend scharf bündeln läßt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung eines optischen Verstärkers, dessen spontane Strahlung als Lichtquelle wirkt,

Fig. 2 einen als Lichtverstärker verwendeten optischen Verstärker,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Spektrums des selektiv fluoreszenten Emissionslichtes bei 77 ⁰K des erfindungsgemäßen optischen Verstärkers,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des entsprechenden Emissionsspektrums bei 4,2⁰K,

Fig. 5 ein Energieniveaudiagramm für den erfindungsgemäßen optischen Verstärker,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkers.

Das Ausführungsbeispiel eines optischen Verstärkers nach Fig. 1 wirkt als Quelle stark gerichteter und kohärenter elektromagnetischer Wellen im grünen Spektralbereich. Diese Quelle besteht aus einem selektiv fluoreszenten Kristall 10, dem eine Anregungsenergie in Form von kürzer wenigen Lichtstrahlen 12 zugeführt wird, die bei ausreichender Intensität und bei bestimmter Frequenz bewirkt, daß ein stark gebündeltes und kohärentes Fluoreszenzlicht 14 entsteht. Der Kristall 10 kann einen Kreis- oder einen Polygonquerschnitt haben. Die Endflächen des Kristalls 10 liegen parallel zueinander. An den Endflächen des Kristalls ist je ein erster, 16, bzw. ein zweiter Reflektor 18 vorgesehen, deren reflektierende Flächen 20 bzw. 22 nach innen gerichtet sind und die aus dem Innern des Kristalls 10 austretende Lichtenergie auffangen und wieder in den Kristall zurückwerfen, so daß eine Art Hohlraumschwingung entsteht. Diese Reflektoren 16 und 18 können z. B. aus mehreren dielektrischen Schichten oder aus einer dünnen Silberschicht gebildet sein. Die reflektierende Fläche 20 ist vollkommen undurchlässig und reflektiert so nahezu die gesamte einfallende Lichtenergie, während die reflektierende Fläche 22 so beschaffen ist, daß sie etwa 98,5% des einfallenden Lichtes reflektiert und etwa 1,5 % durchläßt. Das selektive Fluoreszenzlicht 14 aus dem Kristall 10 wird durch ein Filter 24 geleitet, das z. B. ein Interferenzfilter oder ein Monochromator sein kann und dessen Aufgabe darin besteht, nur einen Lichtstrahl mit der gewünschten Frequenz durchzulassen. Ein stark gebündelter kohärenter und monochromatischer Lichtstrahl 26 gelangt so auf einen Strahlungsempfänger, der z. B. eine Photozelle oder ein Sekundärelektronenvervielfacher ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung gleicht im Aufbau der in Fig. 1 gezeigten; sie wirkt aber als Verstärker der mit 30 bezeichneten Strahlung. Die Aufgabe besteht hier darin, ein dem einen Ende 34 des Kristalls 10 zugeführtes Eingangslicht 30 phasengleich verstärkt am entgegengesetzten Ende 36 des Kristalls 10 austreten zu lassen. Für diese Art der Wirkungsweise ist es erforderlich, daß die Reflektoren 34 bzw. 36 mit den reflektierenden Flächen 38 bzw. 40 jeweils mindestens einen Teil des einfallenden Lichtes durchlassen. Bei dieser Betriebsart liegt die Intensität der Anregungsenergie 12 unter dem Grenzwert, so daß die Anregungsenergie 12 für sich allein nicht ausreicht, um eigenstimulierte Schwingungen in dem Kristall 10 zu erzeugen. In Abwesenheit jeglichen Eingangslichtes 30 steht daher nur ein in erster Linie durch spontane Emission erzeugtes Ausgangslicht geringer Stärke am Ausgang des Kristalls 10 zur Verfügung. Für die Erzeugung einer selektiven Fluoreszenz ist es jedenfalls erforderlich, daß LichtweUen vorherbestimmter Frequenz und Intensität dem selektiv fluoreszenten Kristall 10 zugeführt werden. Nur dann, wenn im vorliegenden Fall dem Kristall 10 zusätzliche Energie durch das Eingangslichit 30 zugeführt wird, reicht die Intensität aus, um den Prozeß der selektiven Fluoreszenz einzuleiten und so eine Verstärkung des Eingangslichtes 30 herbeizuführen. Das verstärkte Licht 32 durchläuft hinter dem Ausgang 36 ein Filter 42, das dem Filter 24 in Fig. 1 gleicht, und fällt beispielsweise auf den Detektor 28.

Gemäß der Erfindung wird ein optischer Verstärker vorgeschlagen, der ein kohärentes grünes selektives Fluoreszenzlicht erzeugt, indem ein Alkalifluorid-Kristall verwendet wird, der sechswertiges Uran als Dotierungsstoff enthält. Der Kristall besteht aus Lithium- oder Natriumfluorid, das durch eine relativ kleine Menge von sechswertigem Uran, z. B. 0,05 bis 0,10°/», aktiviert ist.

In den Fig. 3,4 und 5 werden die charakteristischen Eigenschaften des selektiv fluoreszenten Kristalls eines optischen Verstärkers gemäß der Erfindung dargestellt, wenn Lithiumfluorid als Wirtskristall verwendet wird. Fig. 3 zeigt das Spektrum des selektiv fluoreszenten Emissionslichtes eines solchen Kristalls, der mit seohswertigem Uran dotiert ist, bei 77 ⁰K, und Fig. 4 stellt das entsprechende Emissionsspektrum dieses Kristalls bei 4,2 ⁰K dar. In beiden Fällen hatte das zur Erzeugung der Fluoreszenz in dem Kristall absorbierte Anregungslicht eine Wellenlänge von 3300 A, d. h., es war ultraviolettes Licht. Das Energieniveaudiagramrn nach Fig. 5 zeigt die für das Zustandekommen der selektiven Fluoreszenz charakteristischen Energiezustände der Ionenzentren des Kristalls bei den in Fig. 3 und 4 angegebenen Fluoreszenzfrequenzen.

In Fig. 3, bei 77 ⁰K, zeigt das Fluoreszenzspektrum vier Banden, von denen die erste bei 5008,3 A, die zweite bei 5106,3 Ä, die dritte bei 5187 A und die vierte bei 5280,8 A liegt. In Fig. 4, bei 4,2 ⁰K, weist das Fluoreszenzspektrum nur zwei Banden auf, von denen eine bei 5106,3 A und die andere bei 5280,8 Ä liegt. Die Banden bei 5106,3 Ä und bei 5280,8 A zeigen sich demnach sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4, während die Banden bei 5008,3 A und 5187 Ä nur in Fig. 3 auftreten. Das Verschwinden der Banden bei 5008,3 A und 5187 Ä bei 4,2 ⁰K wird hervorgerufen durch das thermische Gleichgewicht zwischen den Ionen im metastabilen Zustand, bei dem die von 5106,3A- und 5280,8 Ä-Übergänge beginnen. Aus Fig. 5 geht weiterhin hervor, daß diese metastabilen Zustände etwa um 95 A voneinander getrennt sind. Die in diesem Kristall angeregte selektive Emission tritt an der starken und sehr schmalen Fluoreszenzünie auf, die in Fig. 3

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und 4 bei 5280,8 A dargestellt ist und im Übergang zwischen dem metastabilen Zustand und dem Endzustand oder unteren stabilen Niveau gemäß Fig. 5 eine Fluoreszenz verursacht. Der beschriebene Kristal kann auch andere fluoreszierende Übergänge als die in Fig. 3, 4 und 5 dargestellten aufweisen, aber dabei handelt es sich dann um relativ schwache Übergänge mit Emissionen geringer Intensität.

Um den erfindungsgemäßen optischen Verstärker zu betreiben, wird, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Anregungsenergie in Form von Lichtstrahlen 12, deren Frequenz im Absorptionsbereich des aus mit sechswertigem Uran dotiertem Lithiumfluorid bestehenden selektiv fluoreszenten Kristalls liegt, d. h. ultraviolettes Licht mit etwa 3330 A, auf die Oberfläche des Kristalls 10 gerichtet, um den Energieübergang der Elektronen aus dem Grundzustand in den Anregunigszustand zu bewirken, wie in Fig. 5 angedeutet. Die angeregten Ladungsträger gelangen dann unter nichtstrahlendem Übergang vom An- so regungszustand in einen metastabilen Zustand. Nach Durchlaufen des metastabilen Zustands bewirken die Ladungsträger einen fluoreszenten Übergang zwischen einem metastabilen Zustand und dem Endzustand oder zwischen einem metastabilen Zustand und dem Gruodzustand. Nach Fig. 3 und 4 liegt ein großer Teil der Gesamtemission im grünen Teil des Spektrums bei 5280,8 Ä. Übersteigt die Anregungsenergie einen für diesen Kristall bestimmten Grenzwert, dann ruft die spontane Emission in dem Kristall 10 Schwingungen in dem begünstigten fluoreszenten Übergang bei 5280,8 A hervor. Diese Schwingungen können in Form eines kohärenten grünen Lichtstrahls am einen Ende des Kristalls 10 ausgesendet werden. Nach dem fluoreszierenden Übergang in den Endzustand machen die Ladungsträger einen zweiten nichtstrahlenden Übergang durch, wenn sie aus dem Endzustand in den Grundzustand gehen. Der zweite nichtstrahlende Übergang Natriumfluorid verwendet werden, aber zwischen diesen Wirtskristallen bestehen nur sehr geringe Frequenzabweichungen, und zwar so, daß der Natriumfluorid-Kristal eine Fluoreszenz zum grüngelben Bereich des Spektrums hin aufweist.

Der aus Lithiumfluorid und sechswertigem Uran bestehende Kristal wird unter Oxydationsbedingungen gezüchtet. Das ist notwendig, da fünf Sauerstoffionen fünf der sechs ein U⁶⁺-Ion umgebenden Fluorionen ersetzen müssen, wenn ©in Ladüngsausgleich erfolgen sol, und da das U⁶⁺-Ion an die Stelle eines Li¹⁺-Ions getreten ist. Die Kristalle lassen sich dadurch züchten, daß gereinigte Stücke Lithiumfluorid zusammen mit Uran in einem flachen Platintiegel gebracht und unter Einwirkung des Luftsauerstoffs, vorzugsweise aber unter Einwirkung trockenen Sauerstoffgases geschmolzen werden. Das Abkühlen der Schmelze muß so langsam erfolgen, daß die Sauerstoffionen in den Kristal hineindiffundieren

so können, bis die Mehrheit der U⁶+-Ionen in einem stabilen U⁶⁺O₆ ²~-Komplex zusammengeschlossen sind.

Der in Fig. 6 gezeigte optische Verstärker nach der Erfindung wird bei extrem niedrigen Temperaturen betrieben. Das aktive Element 10, an dessen Enden die Reflektorschichten 16 und 18 angebracht sind, ist in einer Halterung 52 befestigt, die sich im unteren Ende eines langen zylindrischen Rohres 54 befindet. Dieses Rohr 54 befindet sich in einem Dewargefäß 56 mit einem äußeren Behälter 58 und einem inneren Behälter 60, der teilweise z. B. mit flüssigem Helium 62 gefüllt ist. In dem Zwischenraum 64 zwischen dem äußeren Behälter 58 und dem inneren Behälter 60 wird ein Vakuum aufrechterhalten. Die Halterung 52 für den Kristall 10 ist so in dem unteren Ende des langen zylindrischen Rohres 54 angeordnet, daß das Ende des Kristalls 10, an dem die für 1,5% des auffallenden Lichtes durchlässige Reflektorschicht 18

35 aufgebracht ist, die kohärenten Lichtstrahlen 14

geschieht unter hoher Geschwindigkeit, so daß hier- 40 durch das Rohr 54 abstrahlt. Auch in dem Rohr 54 durch eine Inversion der Ladungsträgerverteilung wird ein Vakuum aufrechterhalten. Da das Rohr 54 zwischen dem metastablen Zustand und dem End- durch das flüssige Helium 62 in dem inneren Bezustand erreicht wird, die sich relativ leicht aufrecht- hälter 60 hindurchgeht, hat es eine Temperatur von erhalten läßt und damit eine kontinuierliche Licht- etwa 4,2° K, die dem Siedepunkt für flüssiges Hestrahlung ermöglicht. Da der erfindungsgemäße op- 45 lium bei atmosphärischem Druck entspricht. Wenn tische Verstärker einen kohärenten Lichtausgang der Kristall 10 bei 77° K betrieben werden soll, wird selektiver Fluoreszenz durch die Anregung von
Übergängen in einen über dem Grundzustand
liegenden Endzustand erzeugt, läßt er sich mit einer

relativ geringen Anregungsenergie betreiben, so daß 50 aus Messing, so daß die Temperatur des Kristalls 10 der optische Verstärker nur in relativ geringem Maße sehr nahe bei der Temperatur des flüssigen Heliums erwärmt wird. liegt. Der Strahlungsempfänger 28 ist am entgegen-

Der optische Verstärker mit den in Fig. 3, 4 und 5 gesetzten Ende des langen zylindrischen Rohres 54 dargestellten Eigenschaften wird, wie schon oben er- angebracht. Am unteren Ende des äußeren Behälters wähnt, aus einem mit sechswertigem Uran dotierten 55 58 befindet sich eine Kammer 66, in die das Rohr 54 Kristall aus Lithiumfluorid hergestellt. Dieser

das flüssige Helium 62 durch flüssigen Stickstoff ersetzt, dessen Siedepunkt bei 77° K liegt. Die Halterung 52 für den Kristall 10 in dem Rohr 54 besteht

Kristall nimmt das secfaswertige Uran leicht auf und hat sehr gute optische Eigenschaften. Weiterhin ist festgestellt worden, daß auch Natriumfluorid sechswertiges Uran aufnimmt, sehr gute optische Eigenschaften hat und daher ebenfalls als Wirtskristall verwendbar ist. Es hat sich gezeigt, daß Erdalkalifluoride allgemein insofern vorteilhafte Wirtskristalle sind, als sie eine kubische Symmetrie und einen hineinragt und in der die Halterung 52 befestigt ist. An ihrer einen Seite weist die Kammer 66 eine Öffnung 68 auf. Eine Energiequelle 70 für die Anregungsenergie in Gestalt einer Lichtquelle ist von einem Lichtschirm 72 so umgeben, daß die Lichtstrahlen 12 durch die Öffnung 68 der Kammer 66 auf die Außenfläche des Kristalls 10 gerichtet werden. Eine solche Lichtquelle kann z. B. eine Hochdruckentladungslampe für Quecksilberdampf oder Xenon

isotropischen Brechungsindex aufweisen. Die tat- 65 sein, die beispielsweise als Entladungsblitz über eine

sachlichen Wellenlängen der Absorptions- und Reihe von Kondensatoren betätigt wird. Überschreitet

Fluoreszenzfrequenzen sind natürlich davon ab- die Intensität der Anregungsenergie den Grenzwert,

hängig, ob Wirtskristale aus Lithiumfluorid oder bei dem Schwingungen zwischen den Reflektor-

schichten 16 und 18 erzeugt werden, dann wird das kohärente Licht 14 vom Ausgang 52 durch das lange zylindrische Rohr 54 gesendet, tritt durch die Öffnung 55 aus und gelangt zum Strahlungsempfänger 28, der als Sekundärelektronenvervielfacher ausgebildet sein kann. Je nach Bedarf kann auch ein geeignetes Filter zwischen dem Ausgang des Kristalls 10 und dem Strahlungsempfänger 28 angeordnet werden, um alle Lichtwellen mit unerwünschten Frequenzen auszusieben und dadurch ein monochromatisches, stark gebündeltes, kohärentes grünes Ausgangslicht zu erhalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so betrieben werden, daß die Anregungsenergie eben ausreicht, um die Anregung des optischen Verstärkers gerade unterhalb des Grenzwertes zu halten. Die Schwingung kann in diesem Falle erst dann einsetzen, wenn durch wahlweises Zuführen einer weiteren Anregungsenergie geeigneter Frequenz und ausreichender Intensität das Überschreiten des Grenzwertes ao erreicht wird. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems für die Nachrichtenübermittlung durch Meerwasser befindet sich die Lichtquelle am Ausgang eines Nachrichtenübertragungssystems und der Strahlungsempfänger auf der Gegenseite. Zum Übertragen der gewünschten Nachrichten können dann beliebige, geeignete Modulationsmittel benutzt werden.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Optischer Kristallverstärker für selektive Fluoreszenz zur Erzeugung eines kohärenten Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß als selektiv fluoreszenter Kristall ein Alkalifluorid-Kristall verwendet wird, der mit sechswertigem Uran dotiert ist, so daß ein kohärentes grünes Licht bei ultravioletter Anregung ausgesandt wird.

2. Kristall für selektive Fluoreszenz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit sechswertigem Uran dotierte Alkalffluorid-Kristall aus Lithiumfluorid besteht.

3. Kristall für selektive Fluoreszenz nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kristall beigegebene Dotierungsmenge aus sechswertigem Uran kleiner ist als 0,1«/».

4. Kristall für selektive Fluoreszenz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kristall beigegebene Dotierungsmenge zwischen 0,05 und 0,1 °/»liegt.

5. Verfahren zur Dotierung des Kristalls für selektive Fluoreszenz nach einem der Ansprüche 1

35 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gereinigte Stücke des Alkalifluorids, insbesondere des Lithiumfluorids zusammen mit sechswertigem Uran unter Einwirkung des Luftsauerstoffs, insbesondere unter Einwirkung eines trockenen Sauerstoffgases, geschmolzen werden und daß das nachfolgende Abkühlen so langsam erfolgt, daß die Sauerstoffionen in den Kristall hineindiffundieren, bis die Mehrheit der U⁶+-Ionen einen stabilen U6+O₅ ²~-Verband bildet.

6. Vorrichtung zur Erzeugung selektiver Fluoreszenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (10) auf die Temperatur des flüssigen Heliums (62) abgekühlt wird.

7. Vorrichtung zur Erzeugung selektiver Fluoreszenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (10) auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs (62) abgekühlt wird.

8. Vorrichtung zur Erzeugung selektiver Fluoreszenz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Kristall (10) als kohärenter gebündelter Lichtstrahl (14) abgegebene Energie durch ein mit dem Kristall (10) wärmeleitend verbundenes Rohr (54) ausgestrahlt wird, das mit Hilfe eines Dewargefäßes (58, 60) auf die Temperatur eines flüssigen Gases (62) abgekühlt wird, wobei der Vakuumraum (64) des Dewargefäßes den Kristall (10) einschließt, dem die Anregungsenergie (12) durch eine außerhalb des Dewargefäßes angebrachte, intermittierend betätigte Blitzlichtquelle (70) zugeführt wird.

9. Vorrichtung zur Erzeugung selektiver Fluoreszenz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (54) an seinem freien, aus dem Dewargefäß herausragenden Ende (55) mit einem Strahlungsempfänger (28) verbunden ist, wobei zur Unterdrückung von Nebenlinien und Erzielung eines monochromatischen Lichtstrahls vor dem Strahlungsempfänger in das Rohr ein entsprechendes Filter eingebaut ist.

10. Vorrichtung zur Erzeugung selektiver Fluoreszenz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zum Zwecke der Unterwasser-Nachrichtenübermittlung die Anregungsenergiequelle moduliert wird, indem eine erste Anregungsenergiequelle den Kristall bis unterhalb seines kritischen Wertes anregt, der dann mittels einer zweiten modulierten Anregungsenergiequelle in der gewünschten Weise überschritten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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