DE1182745B - Optischer Sender oder Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIr;

H05b
Deutsche KL: 2If- 90

Nummer: 1182745

Aktenzeichen: W 31330 VIII c/21 f

Anmeldetag: 21. Dezember 1961

Auslegetag: 3. Dezember 1964

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker (Lichtverstärker), insbesondere einen solchen, der eine Mischung von Gasen als Medium »negativer« Temperatur verwendet.

In einem Lichtverstärker, der ein gasförmiges Medrum »negativer« Temperatur verwendet, wird eine Umkehr der Besetzungsverteilung gegenüber derjenigen im thermischen Gleichgewicht oder eine »negative« Temperatur in der gasförmigen Mischung durch die Übertragung von Energie der Moleküle eines Gases auf ein anderes Gas mittels eines Stoßmechanismus erzeugt. Bei einem bekannten Lichtverstärker besteht die Gasmischung, die als selektiv fiuoreszentes Medium dient, aus zwei Gasen A und B. Das Gas A soll ein oberhalb eines Grundzustandes E₀ gelegenes metastabiles Energieniveau E₁ haben. Demnach ist hierbei ein auf das Niveau E₁ angehobenes Elektron eines Atoms bestrebt, in diesem Zustand eine vergleichsweise lange Zeit (Größenordnung Sekunden) zu bleiben, ehe es wieder in den Grundzustand zurückkehrt oder auf ein anderes Zwischenniveau übergeht. Das Gas B soll einen Zustand E₂', dessen Niveau auf das Niveau E₁ des Gases A abgestimmt ist, und wenigstens einen Zustand bei einem Niveau E₁ aufweisen, das zwischen dem Niveau E₂' und dem Grundzustand E₀' liegt. Wenn die Mischung in einem Strahlungsfeld angeordnet ist, so daß das Gas A teilweise ionisiert wird, werden freie Elektronen relativ hoher Energien erzeugt. Diese freien Elektronen regen durch Stoßvorgänge nicht ionisierte Atome, vornehmlich des Gases A, aber gelegentlich auch des Gases B an. Die Atome des Gases A sind insbesondere bestrebt, vornehmlich auf das Niveau E₁ angeregt zu werden, und zwar entweder direkt oder durch Übergang auf diesen Zustand von einem höheren Zustand, auf welchen sie angeregt worden wären. Folglich wird der Zustand E₁ relativ stark besetzt. Darüber hinaus werden, wenn im Zustand E₁ befindliche Atome des Gases A mit im Grundzustand befindlichen Atomen des Gases B zusammenstoßen, einige der letzteren auf das Niveau U₂' angeregt. Wegen dieser Übertragung kann eine Anregung nur zwischen aufeinanderprallenden Atomen eintreten, deren Energieniveaus eng aufeinander abgestimmt sind, wie dies die Niveaus E₁ und E₂' sind, wobei von den Zuständen des GasesB allein der Zustand^' einen beachtlichen Zuwachs der Besetzungsdichte durch den Aufprallvorgang erfährt. Durch diese selektive Anregung des Niveaus Zs₂' kann eine Besetzungsumkehr oder »negative« Temperatur zwisehen diesen Niveaus E₂' und E₁ erzeugt werden, wenn die Verweilzeiten in den Niveaus E₁' und E₂ Optischer Sender oder Verstärker

Anmelder:

Western Electric Company Incorparated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

William Ralph Bennett jun.,

Ali Javan, Berkeley Heights, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Dezember 1960
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entsprechend ausgewählt sind. Dies ermöglicht die Anregung einer Strahlung der Frequenz [E₂-E₁)Zh, worin h die Plancksche Konstante ist. Wenn diese Frequenz im optischen Bereich liegt, was durch entsprechende Wahl der beiden Gase erreicht werden kann, wird eine selektive Fluoreszenz erhalten.

Es ist gefunden worden, daß verschiedene Vorgänge zusammen mit dem gewünschten Vorgang auftreten und deshalb zu einer Verringerung der Wirksamkeit führen.

Insbesondere wurde gefunden, daß energiereiche, freie Elektronen, die laufend durch Ionisation des Gasest erzeugt werden, die wirksame Bildung der gewünschten Umkehr der Besetzungsverteilung entweder durch fördernde Reaktionen, welche die Besetzungsdichte des Niveaus E₁ vergrößern, oder durch beschleunigende Reaktionen, die bestrebt sind, das System wieder ins Gleichgewicht zu bringen, verhindern. Zum Beispiel neigen Elektronenstöße mit nicht ionisierten Atomen des Gases B dazu, einige dieser Atome auf den Zustand E₁ anzuregen und dadurch die gewünschte Besetzungsumkehr umzuwerfen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Maßnahmen vorzusehen, um den Einfluß solcher Elektronen, die auf die Wirksamkeit des Besetzungsomkehrvorganges unerwünscht einwirken, zu verringern.

Hierzu wird ausgegangen von einem optischen Sender oder Verstärker, der ein gasförmiges selektiv

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fluoreszentes Medium mit mindestens einem Hilfsgas mit einer metastabilen Energiestufe oberhalb des Grundzustandes und dem eigentlichen selektiv fluoreszenten Gas mit wenigstens zwei Energiestufen oberhalb des Grundzustandes enthält, wobei der Abstand der höheren der beiden Energiestufen von dem Grandzustand im wesentlichen auf den Abstand der metastabilen Energiestufe des Hilfsgases von ihrem Grundzustand abgestimmt ist und wobei eine Um-

mit nicht ionisierten Heliumatomen führt seinerseits dazu, daß die Besetzungsdichte des Niveaus E₁ der Heliumatome auf einen relativ hohen Wert ansteigt. Der entsprechende Teil des Energieniveaudiagramms 5 von Helium ist in F i g. 3 dargestellt.

Zusätzlich ist in F i g. 3 der entsprechende Teil des Energieniveaudiagramms von Neon angegeben. Neon besitzt ein Niveau E./, das dem 2.s₅-Zustand (nach der Paschen-Bezeichnung) entspricht, dessen Abstand

kehr der Besetzungsverteilung zwischen den beiden io von seinem Grundzustand E₀' im wesentlichen auf Stufen des selektiv fluoreszenten Gases aus dem den Abstand zwischen den Niveaus E_n und E₁ des Energievorrat des ionisierten Hilfsgases gespeist wird. Heliums abgestimmt ist. Neon enthält des weiteren Die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen be- ein Niveau E₁', das dem 2p_e-Zustand (nach der stehen nun darin, daß der entgegenwirkende ungün- Paschen-Bezeichnung) entspricht, der zwischen den stige Einfluß der energiereichen freien Elektronen 15 Niveaus E₀' und E₂' liegt und dessen Abstand vom auf die Umkehrung der Besetzungsverteilung in der letzteren Niveau einer Wellenlänge in der Nähe des selektiv fluoreszenten Gaskomponente des gasförmi- infraroten Bereiches entspricht, gen Mediums herabgemindert wird entweder mittels Für das beschriebene System ist charakteristisch,

pulsweiser HF-Anregung oder durch Anwendung daß die Besetzung des Niveaus E₂' der Neonatome eines starken inhomogenen, die Elektronen abziehen- 20 dazu führt, daß ein thermisches Gleichgewicht mit den elektrischen Feldes. der Besetzung des Niveaus E₁ der Heliumatome

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

F i g. 1 schematisch und teilweise im Schnitt eine erste Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 schematisch und teilweise im Schnitt eine zweite Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 3 ein zur ersten Ausführungsform gehöriges Energieniveaudiagramm.

durch unelastische Stöße erreicht wird, da jedes Niveau im wesentlichen derselben Energie entspricht. Dies bedeutet, daß sich die Besetzungsverteilung des 25 Teiles der im Zustand E.,' befindlichen Atome derjenigen des Teiles der im Zustand E_t befindlichen

Heliumatome nähert. Die anderen Neon-Niveaus, z. B. E₁, werden durch das Helium wenig beeinflußt. Folglich kann die Besetzung des Niveaus E₁ der

Gemäß F i g. 1 weist der optische Sender oder Ver- 30 Heliumatome benutzt werden, eine selektive Bestärker (Lichtverstärker) 10 einen Zylindermantel 11 setzung des Niveaus E₂' der Neonatome zu erreichen, auf, der bei Radiofrequenzen in Resonanz ist und für und zwar in einem solchen Umfang, daß diese die die Ionisation des Gases verwendet wird. Der Zy- Besetzung des Niveaus E₁ der Neonatome übersteigt, lindermantel kann für Kreisschwingung TM₀₁, z. B. womit die angestrebte Umkehr der Besetzungsverteibei 2000 MHz, resonant sein. Koaxial zum Zylinder- 35 lung oder eine »negative« Temperatur zwischen den mantel verläuft ein langgestrecktes zylindrisches Ge- Niveaus E₀' und E₁ erzeugt wird, faß 12, das aus Glas besteht, einen inneren Durch- Bei der Ausnutzung der »negativen« Temperatur

messer von ungefähr 1,3 cm haben und 30,5 cm lang für die Lichtverstärkung ist es wichtig, der induziersein kann, sowie sowohl für die Mikrowellenenergie ten, neben der unvermeidbaren spontanen Emission des Zylindermantels als auch für das zu erzeugende 40 der Strahlung einer Wellenlänge zum Durchbruch zu Licht durchlässig ist. Eine Gasmischung zweier verhelfen. Zu diesem Zweck ist es wichtig, stehende Gase, die als selektiv fluoreszentes Medium dient, ist Wellen dieser Wellenlänge in der Gaskammer aufzuinnerhalb des Gefäßes 12 eingeschlossen. Die Kon- bauen. Dies kann durch Anbringen reflektierender zentration jedes Gases ist ausreichend groß gemacht, Flächen 13 und 14 an gegenüberliegenden Enden des so daß die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle 45 Hüllgefäßes erreicht werden. Die reflektierenden

Flächen sind das Analogon zu den bei Fabry-Perot-Interferometern verwendeten Platten und bilden einen optischen Resonator. Die Flächen 13 und 14 können eben und parallel zueinander ausgebildet besondere, daß die Diffusionsgeschwindigkeiten klein 50 sein, oder sie können ein Paar konfokaler sphärischer im Verhältnis zu den Stoß-Ubertragungsgeschwindig- Flächen bilden, oder die eine Fläche kann eben und keiten sind. Vorteilhafterweise sind die Konzentra- die andere sphärisch ausgebildet sein, tionen genügend hoch, daß die mittlere freie Weg- Vorzugsweise sind die Flächen mit einer spiegelnlänge der beteiligten Gase nur einen kleinen Bruch- den Belegung versehen, damit sie für Lichtstrahlen teil, z. B. ein Hundertstel, der inneren Abmessungen 55 der interessierenden Wellenlänge hoch reflektierend des Gefäßes beträgt. Bei einer bevorzugten Ausfüh- sind. Die Fläche 14 ist hierbei so ausgebildet, daß sie rungsform enthält das Gefäß Helium und Neon unter einen Teil der Energie, meist 1 bis 5°/o, der ge-Partialdrücken von etwa 10 Torr bzw. etwa 0,1 Torr. wünschten Wellenlänge für die weitere Verwendung Für Helium ist charakteristisch, daß es einen meta- durchläßt, sei es durch Verwendung einer entstabilen Energiezustand E₁ aufweist, der dem 2³S₁- 60 sprechend durchlässigen Belegung oder durch VerNiveau entspricht. Ferner sind höhere, nicht meta- wendung einer öffnung in der Belegung. Zu diesem stabile Energieniveaus E₂, E₃ usw. vorhanden, die

oder -atome klein genug ist, um einen Molekül-Molekül-Stoß bzw. einen Atom-Atom-Stoß bevorzugt gegenüber einem Molekül-Gefäßwand-Stoß bzw. einem Atom-Gefäßwand-Stoß zu erreichen, d. h. ins-

eine hohe Übergangswahrscheinlichkeit auf das Niveau E₁ aufweisen.

Zweck ist vorzugsweise jede der Flächen mit mehreren dielektrischen Schichten geeigneter Dicke belegt, so daß die Flächen Strahlungsenergie der

Demgemäß führt eine Einwirkung ausreichender 65 Wellenlänge der selektiven Fluoreszenz reflektieren, Radio-Frequenz-Energie auf Helium zu einer Ioni- aber Strahlungsenergie anderer Wellenlängen durchsation der Heliumatome, und der Zusammenprall der lassen. Auf diese Weise dient jede Fläche als ein durch diese Ionisation erzeugten freien Elektronen Filter, das nur Strahlungsenergie der gewünschten

Wellenlänge aussondert, wodurch eine Anregung unerwünschter Schwingungen unterbunden wird.

Die reflektierenden Flächen können entweder im Hüllgefäß, wie dargestellt, oder außerhalb desselben angeordnet sein. Die reflektierenden Flächen können auch mit dem Hüllgefäß ein Ganzes bilden.

Gewünschtenfalls kann eine Linsenanordnung im Weg des durch die Fläche 14 hindurch ausgetretenen Lichtes angeordnet werden, um dieses auf eine gewünschte Stelle zu fokussieren.

In der Zeichnung sind Einzelheiten weggelassen, z. B. Gaseinlaßöffnungen, die erforderliche Vakuumeinrichtung, Träger und Abstandhalter für die dargestellten Teile und eine Kühleinrichtung, die die

herrührt, die ihrerseits von der Ionisation durch das Radiofrequenzfeld angestaut wird, hält dann durch diesen Stoß-Anregungsvorgang die Besetzungsdichte des angeregten Neon-Niveaus in der Weise aufrecht, 5 daß die Strahlung im wesentlichen kontinuierlich angeregt wird.

Ein Lichtverstärker mit intermittierender Wirkungsweise ergibt sich andererseits, wenn die Impulse in Zeitabständen zugeführt werden, die lang genug ίο sind, so daß die Zahl der metastabil angeregten Heliumatome auf einen Wert absinkt, bei dem die Anregungshäufigkeit der Neon-Atome auf das Niveau E₂ nicht mehr größer ist als die des Überganges von diesem in einen tieferen Zustand. In beiTemperatur des Hüllgefäßes vor unzulässigem An- 15 den Fällen wird eine verbesserte Wirkung während stieg bewahren soll. der Zeit, in der die metastabilen Heliumatome vor-

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, handen sind, bei Abwesenheit energiereicher freier daß die dem Hüllgefäß für die Ionisation des Me- Elektronen erreicht.

diums zugeführte Mikrowellenenergie pulsiert. Als Bei einer anderen Ausführungsform wird die Wireine Folge davon wird die schädliche Wirkung der 20 kung durch Zuführen von etwa 100 Watt bei 29 MHz durch diese Ionisation freien Elektronen verringert. zu einer Mischung erreicht, in der die Partialdrücke Zu diesem Zweck wird der Mikrowellenzylinder- von Neon und Helium ungefähr 0,1 Torr bzw. etwa mantel, wie dargestellt, von einer Mikrowellenpuls- 1 Torr sind.

quelle 15 angeregt. Meist wird eine Mikrowellen- F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, die im

leistung der Größenordnung von 100 Watt zugeführt. »5 kontinuierlichen Betrieb einfacher arbeitet. Das Wenn Energie mit Radiofrequenz dem im opti- Hüllgefäß 20, meist aus Glas, enthält eine Mischung sehen Resonator vorhandenen selektiv fluoreszenten von Gasen, die Energiesysteme nach der in F i g. 3 Medium zugeführt wird, entsteht beim Zuführen dargestellten Art haben. Eine solche Mischung kann jedes Impulses eine Ionisation der Gase innerhalb z. B. Helium bei einem Druck zwischen 1 und der Kammer. Die Dichte freier Elektronen wird dann 30 10 Torr und Neon bei einem Druck zwischen 0,01 sehr schnell hoch, und daraufhin steigt die Zahl der und 0,5 Torr enthalten. Das Hüllgefäß enthält des auf einem metastabilen Zustand angeregten Atome weiteren zwei Elektroden 21 und 22, die zwischen des Gases A an. Die Reaktionen, die die Umkehr der sich einen Ionisationsraum begrenzen. Die Elektrode Besetzungsverteilung hemmen, treten ebenfalls ein. 21 besteht, wie dargestellt, aus einem Draht und die Wenn jedoch die Impulse enden, ist das Strahlungs- 35 Elektrode 22 aus einer Platte, wobei die Elektrode 21 feld nicht mehr vorhanden, so daß freie Elektronen parallel zu der Platte und deren Mitte gegenüberliegend angeordnet ist. Die Elektrode 21 kann etwa 15,2 cm lang und 0,76 mm im Durchmesser und die Elektrode 22 ebenfalls 15,2 cm lang und 5,1 cm breit nen Elektronen schnell ihre hohen Energien und 40 sein. Der Abstand kann etwa 2,5 cm betragen. Einkönnen daher keine Anregungsreaktionen mehr ein- führungsleiter sind vorgesehen, durch die eine ionisierende Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden erzeugt werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Spannungsquelle 24 mit den beiden Elektroden

reichen freien Elektronen ist, kann die Reaktion, die 45 verbunden. Die Spannungsquelle liefert vorzugsweise die Neonatome auf das Niveau E₂ anregt, weiterhin etwa 100 V Gleichspannung. In den Kreis ist des auftreten, auch nachdem die Ionisation des Heliums weiteren ein Strombegrenzungswiderstand 25 geunter Bildung freier Elektronen geendet hat. Solange schaltet.

eine ausreichende Zahl metastabil angeregter Helium- Um stehende Wellen zu erzeugen, weist der Hüllatome in dem Hüllgefäß vorhanden ist, ist die Be- 50 körper reflektierende Flächen 26 und 27 an gegensetzungsdichte des oberen der Niveaus, zwischen überliegenden Enden des Ionisationsraumes auf. Die denen die »negative« Temperatur besteht, weiterhin Flächen sind vorzugsweise etwa 20,3 cm voneinander größer als die des unteren Zustandes, und zwar entfernt.

wegen der noch fortdauernden Stoßanregung, durch Bei dieser Ausführungsform dient die Spannungs-

die Energie vom metastabilen Helium-Niveau auf das 55 quelle dazu, einige Heliumatome der Mischung zu entsprechende Neon-Niveau übertragen wird. Nach ionisieren. Die hierbei entstehenden energiereichen einer gewissen Zeitspanne (Größenordnung m/sec) freien Elektronen regen andere, nicht ionisierte wird bei nicht erfolgender erneuter Zuführung von Heliumatome auf den metastabilen Zustand an. Die Radiofrequenzenergie die Zahl der metastabil ange- Gegenwart dieser energiereichen Elektronen ist regten Heliumatome auf einen Wert verringert, bei 60 durch das elektrische Feld des Ionisationsraumes im dem die Neon-Anregung nicht länger aufrecht- wesentlichen auf die nähere Umgebung der Anode, erhalten werden kann. Damit aber die Strahlungs- vorzugsweise der Elektrode 21, begrenzt. Jedoch Emission des gasförmigen Mediums im wesentlichen werden nicht ionisierte Heliumatome durch das elekkontinuierlich erfolgt, sollte der Impulsabstand so ge- irische Feld nicht beeinflußt und können daher frei regelt werden, daß der nachfolgende Impuls auftritt, 65 diffundieren. Folglich besteht eine Neigung, daß in bevor die Anregung des Neons aufgehört hat. Der dem benachbart der Elektrode 22 gelegenen Teil des schnelle Anstieg der Zahl der metastabil angeregten Ionisationsraumes eine Konzentration nicht ionisier-Heliumatome, der von der hohen Elektronendichte ter Atome entsteht, von denen sich eine ausreichende

nicht mehr erzeugt werden. Wenn die während der Impulsdauer stetige Erzeugung energiereicher Elektronen aufgehört hat, verlieren die noch vorhande-

leiten. Da jedoch die Lebensdauer der angeregten metastabilen Zustände E₁ des Heliumatoms um mehrere Größenordnungen größer als die der energie-

Zahl Neonatome im angeregten Zustand E₂' befindet, und die selektive Fluoreszenz bzw. Lichtverstärkung tritt wie beschrieben auf.

Verschiedene Elektrodenausbildungen können verwendet werden. So kann z. B. jede der beiden Elektroden ein Draht sein. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ©in lokalisierter Bereich hoher elekirischer Feldstärke entsteht. Wenn Ausbildungen dieser Art verwendet werden, ist eine Gleich-

zustand befindlichen Atomen her. Zum Beispiel erzeugen einige Curie Strahlungsenergie, die von Polonium 210 herrühren, genug α-Teilchen, um 10^1β metastabil angeregte Heliumatome pro Sekunde zu erzeugen.

Die Verwendung radioaktiver Strahlungsquellen zum Erzeugen metastabil angeregter Heliumatome hat verschiedene Vorteile. Hierbei ist zunächst nicht nötig, eine äußere Spannung an das selektiv fluoresi i h lih di

, g

stehender Wellen im selektiv fluoreszenten Medium verwendet werden, wie dargestellt, eben sind, ist es wichtig, sicherzustellen, daß sie mit einem hohen Genauigkeitsgrad parallel zueinanderliegen.

Zu diesem Zweck ist eine geeignete Maßnahme die folgende: Die Flächen werden zuerst durch übliehe Verfahren so genau wie möglich, z. B. unter Verwendung eines Autokollimations-Teleskops, parlll ill d di Flh h

g, pg

spannungsquelle weniger vorteilhaft als Wechsel- io zente Medium anzulegen. Es ist daher möglich, die Spannungsquellen es sind, vorausgesetzt, daß die Vorrichtung als abgeschlossene Einheit zu bauen, die Frequenz der verwendeten Wechselspannung aus- frei von äußeren, anzuschließenden Einrichtungen reichend niedrig ist, d. h., daß eine Schwingungs- ist. Dieser Umstand ist insbesondere bei Fernüberperiode im Vergleich zur Relaxationszeit der freien tragungssystemen vorteilhaft. Zusätzlich treten bei Elektronen groß ist, so daß eine räumliche Trennung 15 Abwesenheit einer Ionisierungsspannung energieder freien Elektronen durch das elektrische Feld reiche Elektronen nicht oder zumindest nicht in so möglich wird. hoher Dichte auf, wie diese bei der durch eine an-

Es gibt verschiedene sekundäre Probleme beim gelegte Spannung im Effekt erhöhten Plasmatempe-Aufrechterhalten eines wirksamen Betriebes eines ratur vorhanden ist. Des weiteren erzeugen radio-Lichtverstärkers der in Fig. 1 dargestellten Art. 20 aktive Quellen einen Zustand, der dem Nachglimmen Wenn die reflektierenden Flächen, die zum Erzeugen der oben beschriebenen Impulsentladungstechnik

gleicht. Daher ermöglicht die Verwendung radioaktiver Quellen einen kontinuierlichen Betrieb.

Als eine weitere Maßnahme kann die Tatsache 25 herangezogen werden, daß bei der strahlenden Elektronen-Ionen-Rekombination das Elektron vom Ion vorzugsweise unter Bildung eines hochangeregten Atoms eingefangen wird, wonach dieses in seinen

g p p Grundzustand durch Emission einer Strahlungs-

allel eingestellt. Dann werden die Flächen um ortho- 30 kaskade zurückkehrt. In einem Medium, in dem diegonale Achsen mit unterschiedlichen Frequenzen bei ser Effekt die vorherrschende Quelle der Anregung einer sehr geringen Geschwindigkeit in Schwingungen ist, kann eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwiversetzt, bis die selektive Fluoreszenz bzw. Licht- sehen zwei tiefer liegenden Energieniveaus eintreten, verstärkung durch die Aussendung eines parallel vorausgesetzt, daß die Entleerungshäufigkeit des ausgerichteten Lichtstrahles hoher Intensität bemerk- 35 oberen dieser beiden Niveaus kleiner als die des unbar wird. Die Schwingungen können durch Antrieb teren ist.

Ein derartiges Ergebnis kann mit einer HeliumQuecksilber-Mischung erreicht werden. In dieser p Mischung ist bei ionisiertem Quecksilber die Ionen-

tional sind, an die vertikalen und horizontalen 40 dichte besonders groß infolge ionisierender Zu-Platten eines Oszillographen und durch Intensitäts- sammenstöße zwischen Quecksilberatomen und im dli d ll (2³5j)-Zustand befindlichen Heliumatomen. Ins-

besondere besteht ein Energieniveaupaar des atomaren Quecksilbers, das für die Erzeugung einer Um-45 kehr der Besetzungsverteilung geeignet ist, aus dem (7¹5)-Zustand und dem (6¹ F)-Zustand. Der Abstand zwischen diesen Niveaus entspricht dem Licht einer Wellenlänge von 10180 A. Mit einem derartigen Medium ist die Verwendung einer pulsierenden EntEnergie, z. B. α-Teilchen, die von radioaktiven Iso- 50 ladung besonders vorteilhaft, da die hierbei erreichte topen herrühren, besetzt werden. sofortige Thermisierung oder Abbremsung der

Die Erzeugung metastabiler Atome tritt größten- energiereichen Elektronen die direkte Anregung des teils über indirekte Vorgänge auf, die aber nichts- tiefer liegenden Quecksilberniveaus durch Elekdestoweniger sehr wirksam sind. Bei Helium ist die tronenstoß, die der Umkehr der Besetzungsverteilung direkte, durch Partikeln hoher Energie erfolgende 55 entgegenwirkt, verringert. Darüber hinaus tritt eine Anregung auf die Erzeugung angeregter Monoplett- Rekombination stärker mit thermischen Elektronen Zustände des Heliums und Heliumionen und freier als mit energiereichen auf. Eine Helium-Quecksilber-Elektronen mittlerer Energie begrenzt. Die Erzeu- Mischung ermöglicht auch Betriebsbedingungen, bei gung von Triplett-Niveaus (entweder der meta- denen die eigentlich selektiv fluoreszent strahlenden, stabilen Triplett-Zustände oder der Triplett-Zustände, 60 in der Minderheit vorliegenden Ionen vorwiegend in die durch Übergang auf das 2³5"-Niveau ausstrahlen) atomarer anstatt molekularer Form vorliegen. Dies rührt von der Anregung durch Elektronen mittlerer ist wünschenswert, da der dissoziative Rekombi-Energie her, ferner von der Rekombination zwischen nationsvorgang, der bei molekularen Ionen auftritt, Ionen und Elektronen, von Austauschstößen zwi- die Anregung unerwünschter, tiefer liegender atoschen auf Monoplett-Zustände angeregten Atomen 65 marer Niveaus begünstigt.

und freien Elektronen oder von unelastischer Stoß- Der Wirkungsquerschnitt der gewünschten nichtÜbertragung zwischen in angeregten Monoplett- strahlenden Übertragung beim Zwei-Körper-Stoß ist Zuständen befindlichen Atomen und im Grund- am größten, wenn die Resonanzenergieunterschiede

gg

der Flächen mittels magnetostriktiver Wandler erzeugt werden. Durch Anlegen der Wandlerspannungen, die den momentanen Stellungen der Flächen proporil id di ikl d hil

modulation des Oszillographenstrahles mit dem Lichtverstärkerausgang können die Stellungen der beiden Reflektoren für einen optimalen Betrieb genau bestimmt werden.

Es gibt auch verschiedene andere Mechanismen, mit deren Hilfe metastabile Niveaus durch Stoßvorgänge besetzt werden können. Insbesondere können solche Niveaus durch Stöße mit Partikeln hoher

zwischen den Anfangs- und Endzuständen der Elektronen am geringsten sind. Die größte Übertragungswahrscheinlichkeit tritt demnach auf, wenn diese Energiedifferenz in der Größenordnung der kinetischen Energie der Atome bei Raumtemperatur oder kleiner als diese ist. In vielen Fällen kann der Vorteil dieses großen Wirkungsquerschnitts durch die Wirkung des umgekehrten Vorganges und durch den entsprechenden Mechanismus für die Entleerung des angeregten Ziustandes des anfänglichen Trägers der Energie zunichte gemacht werden. Die schädliche Wirkung des umgekehrten Vorganges kann durch ausreichende Kühlung des Gases beseitigt werden, wodurch sichergestellt ist, daß die mittlere kinetische Energie kleiner als der Resonanzenergieunterschied ist, oder durch Auswählen von Übertragungsvorgängen, die bei Betriebstemperatur irreversibel sind.

Alternativ hierzu ist auch ein Betrieb mit einer einzigen Gasart durch Wahl eines Gases möglich, dessen Energiesystem durch ein Niveau hoher Energie und durch eine Gruppe nahe beieinander liegender Niveaus niedriger Energiewerte gekennzeichnet ist, so daß die unteren Niveaus der Gruppe als Basis für den Abbau der Besetzungsdichte eines höheren Niveaus der Gruppe dienen.

So ist z. B. Neon charakterisiert durch eine Gruppe nahe beieinander liegender Niveaus, nämlich 1S₂, 1S₃, 1S₄ und 1S₃, relativ geringer Energie, von denen die Niveaus 1 s₅ und 1 s₃ metastabil und die Niveaus 1S₄ und 1S₂ quasi metastabil sind, aber bei Drücken oberhalb von 100 mTorr ebenfalls metastabil werden. Demgemäß ist jeder dieser Zustände bei diesen Drücken langlebig. Zusätzlich kann jedes Niveau in einer Gasentladung stark besetzt werden.

Neon enthält außerdem eine weitere Gruppe nahe beieinander liegender Niveaus 2p₁₀, 2p₉. . .Ip₁, die Energiewerte haben, die höher sind als die der Niveaugruppe 1 s₅ ... 1S₂.

Bei Entladung niedriger Elektronendichten haben diese Niveaus geringe strahlende Lebensdauer und deshalb werden diese Niveaus nicht stark besetzt. Bei Vergrößerung der Elektronendichte auf einen Wert, bei dem die Häufigkeit unelastischer Elektronenstöße mit Neonatomen, die zur Anregung der 2p-Niveau-Gruppe führen, vergleichbar wird mit der Häufigkeit der strahlenden Entleerung derselben, können diese Niveaus jedoch ausreichend besetzt werden.

Wenn der Neongasdruck ebenfalls auf einen Wert ansteigt, bei dem der unelastische Stoß zweiter Art zwischen Atomen, die zu einer Übertragung der Anregung innerhalb dicht benachbarter Niveaus führen, wichtig wird, führt die Besetzungsverteilung bei den in geringem Abstand vorhandenen Niveaus, z. B. der Is- oder der 2p-Gruppe dazu, daß sie in den untersten Niveaus ein Maximum wird, während bei den höheren Niveaus innerhalb eines Satzes die Besetzungsdichte abgebaut wird. Im einzelnen neigt das ls^Niveau dazu, entleert zu werden, während das 2p_lo-Niveau dazu neigt, besetzt zu werden, wodurch die Besetzungsdichte des 2p_lo-Niveaus so gemacht werden kann, daß sie die des lSj-Niveaus übersteigt, mithin eine Umkehr der Besetzungsverteilung herbeigeführt werden kann, welche für selektive Fluoreszenz bzw. Lichtverstärkung geeignet ist.

Auch andere Gasmischungen können verwendet werden, die durch eine der beschriebenen Vorrichtungen eine Lichtverstärkung hervorrufen. Zum Beispiel kann Krypton als anregendes und Quecksilber als angeregtes Gas verwendet werden. Gleichermaßen ist es möglich, noch ein weiteres Gas zum Unterdrücken unerwünschter Anregungsvorgänge einzubringen. Zum Beispiel führt bei dem beschriebenen Helium-Neon-System die Zugabe von Argon, vorzugsweise bei einem Druck von ungefähr l°/o des Neondruckes, zu einer bemerkenswert höheren Leistungsausbeute.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker, der ein gasförmiges selektiv fluoreszentes Medium mit mindestens einem Hilfsgas mit einer metastabilen Energiestufe oberhalb des Grundzustandes und dem eigentlichen selektiv fiuoreszenten Gas mit wenigstens zwei Energiestufen oberhalb des Grundzustandes enthält, wobei der Abstand der höheren der beiden Energiestufen von dem Grundzustand im wesentlichen auf den Abstand der metastabilen Energiestufe des Hilfsgases von ihrem Grundzustand abgestimmt ist und wobei eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen den beiden Stufen des selektiv fluoreszenten Gases aus dem Energievorrat des ionisierten Hilfsgases gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der entgegenwirkende ungünstige Einfluß der energiereichen freien Elektronen auf die Umkehrung der Besetzungsverteilung in der selektiv fluoreszenten Gaskomponente des gasförmigen Mediums herabgemindert wird entweder mittels pulsweisea· HF-Anregung oder durch Anwendung eines starken inhomogenen, die Elektronen abziehenden elektrischen Feldes.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen einer impulsweise erfolgenden Entladung im gasförmigen Medium, und zwar unter Wahl eines Impulsabstandes, der größer ist als die Uberfuhrungsdauer der bei der Entladung erzeugten freien, energiereichen Elektronen in thermische Elektronen.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dem Erzeugen einer stetigen Entladung im gasförmigen Medium dienende Einrichtung unter Verwendung von Elektrodenformen, die für den Aufbau eines stark inhomogenen Feldes ausgelegt sind.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anordnung des selektiv fluoreszenten Mediums innerhalb eines optischen Resonators, der bei der selektiv fluoreszenten Strahlung resonant ist, sowie durch eine Einrichtung zum Auskoppeln eines Teiles der Resonanzstrahlung.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 3, gekennzeichnet durch 'die Anordnung des optischen Resonators im Bereich geringer Feldstärke des inhomogenen Feldes.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Resonatorraum, der zum Unterdrücken nicht erwünschter Resonanzschwingungen durchlässig für diese ausgebildet ist.

7. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine alternativ

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mit Hilfe einer Quelle radioaktiver Strahlen erfolgende metastabile Anregung des Hilfsgases zum Vermeiden der Gegenwart energiereicher Elektronen.

8. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle radioaktiver Strahlen eine «-Strahlenquelle, zweckmäßig Polonium 210, vorgesehen ist.

9. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas Helium und das selektiv fluoreszente Gas Neon ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 132192; USA.-Patentschrift Nr. 2 929 922.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 730/144 11.64 © Bundesdruckerei Berlin