DE1225785B - Optischer Sender oder Verstaerker mit fluessigem Medium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIs

Deutsche Kl.: 21g-53/00

Nummer: 2225 785

Aktenzeichen: St 22205 VIII c/21 g

Anmeldetag: 3. Juni 1964

Auslegetag: 29. September 1966

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker mit flüssigem Medium, bei dem ein organisches Medium in Lösung verwendet wird, das durch Strahlungsenergie zur stimulierten Fluoreszenz angeregt wird, und das zum Zwecke der Kühlung umlaufen kann.

Licht entsteht bekanntlich durch Elektronenübergänge in einem Atom oder Molekül von einem energiereicheren Energiezustand zu einem energieärmeren Energiezustand. Während' bei den bisher üblichen Lichtquellen, z. B. einer Glühlampe oder einer Gasentladung, das Licht durch die völlig regellos verteilte Erzeugung von Photonen hervorgerufen wird, ohne daß irgendein Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt der Emission der einzelnen Photonen besteht, werden dagegen diese Energieübergänge bei der selektiven Fluoreszenz synchron ausgelöst. Beim richtigen Betrieb eines optischen Verstärkers erfolgt die Lichtemission überwiegend in einer einzigen kohärenten Phase, da eine große Anzahl Atome oder Moleküle gleichzeitig von einem höheren zu einem niedrigeren Energiezustand übergehen.

Die bekannten optischen Verstärker verwenden als Medium für die selektive Fluoreszenz Festkörper oder Gase. Diese bekannten optischen Verstärker weisen jedoch noch einige wesentliche Nachteile auf; so sind sie beispielsweise mit erheblichen Kühlungsschwierigkeiten behaftet. Es sind zwar schon optische Verstärker mit Festkörpern bekannt, bei denen eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist. Bei diesen Anordnungen wird die Kühlflüssigkeit um den Festkörper geleitet. Wirkungsvoller ist die Kühlung indessen bei einem optischen Sender oder Verstärker mit flüssigem Medium, bei dem ein organisches Medium in Lösung verwendet wird, das durch Strahlungsenergie zur stimulierten Fluoreszenz angeregt wird, und das zum Zwecke der Kühlung umlaufen kann. Die Erfindung sieht nun vor, daß das organisch gelöste bzw. suspendierte Medium photochemisch in einen .-energiereicheren Energiezustand gebracht wird, auf Grund dessen es zu einer endothermen chemischen Reaktion befähigt wird, worauf das durch diese Reaktion im angeregten Zustand entstehende Reaktionsprodukt exotherm unter selektiver Fluoreszenzstrahlung in den nicht angeregten Zustand dieses Reaktionsproduktes übergeht, welches dann seinerseits in den nicht angeregten chemischen Ausgangszustand des organischen Mediums rasch zurückreagiert, wobei die Reaktionszeit des angeregten Mediums kleiner als dessen mittlere Lebensdauer ist.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung von in Flüssigkeiten gelösten oder suspendierten Medien wird Optischer Sender oder Verstärker
mit flüssigem Medium

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,

Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Als Erfinder benannt:

Dr. Carl-Otto Leiber, Stuttgart

es ermöglicht, die durch ein Kühlsystem geleitete Flüssigkeit einem Reservoir zuzuleiten, von dem dann die Küvette des optischen Verstärkers gespeist wird. Dadurch läßt sich eine besonders intensive Kühlung erreichen. Die erfindungsgemäße Anordnung hat den weiteren Vorteil, daß die Flüssigkeit mit dem in ihr enthaltenen Medium leicht ausgewechselt werden kann, so daß ein und dieselbe Anordnung ohne neue Justierarbeiten z. B. zur Ausführung von Reihenversuchen oder zur Änderung der ausgesandten Wellenlänge verwendet werden kann.
An Hand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele sei nun die Erfindung näher erläutert.

In F i g. 1 ist ein allgemeines Schema für den Reaktionsablauf wiedergegeben. Die -vorzugsweise organische Verbindung wird in einer geeigneten Flüssigkeit gelöst oder suspendiert und in eine Küvette gebracht, wie sie von den optischen Verstärkern mit Gas als Medium bekannt ist. Das Ausgangsmedium A wird durch die Strahlung h ν An in den elektronisch ange-

regten Zustand A versetzt und wird dadurch z. B. mit dem Wasser, in welchem es gelöst ist, reaktionsfähig. Die für diese Reaktion erforderliche Zeit T muß mit

der mittleren Lebensdauer τ₀ der Moleküle A vergleichbar sein, d. h. etwa dieselbe Größenordnung besitzen, damit mindestens ein Teil der angeregten MoIe-

küle A die Reaktion ausführt. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn diese Reaktionszeit wesentlich kleiner, z. B. um zwei Größenordnungen kleiner, als die mittlere

Lebensdauer der angeregten Moleküle A ist.
Auf Grund der Reaktion gehen die angeregten

Moleküle A in das Folgeprodukt B über, welches unter Emission der Strahlung h vpi in den energetisch tieferen Zustand B übergeht. Von diesem Zustand B erfolgt eine schnelle Reaktion zum Grundzustand A zurück. Es ergibt sich also der in der F i g. 1 aufgezeigte Kreisprozeß.

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In F i g. 2 wird für den in F i g. 1 gezeigten Kreisprozeß das entsprechende Energiestufenschema aufgezeigt. Durch die Strahlung von hvAn werden die MoIe-

küle A in den angeregten Zustand A gebracht. Im an-

*
geregten Zustand A erfolgt, eine chemische Reaktion

zum fluoreszenzfähigen Photoprodukt B. Dieser Übergang erfolgt, wie aus dem in = F i g. 2 aufgezeigten Energiestufenschema hervorgeht, strahlungslos. Die

angeregten Moleküle B gelangen unter Abgabe der

Energiequanten h vfi in den B entsprechenden Grundzustand B. Um eine möglichst hohe Inversion zu erzielen, soll B sehr rasch, d. h. vergleichbar oder schneller als die mittlere Lebensdauer des angeregten

* ■

Folgeproduktes B von B in den Ausgangszustand A wieder zurückreagieren. Es wird also mit der erfindungsgemäßen Anordnung ein optischer Verstärker mit vier Niveaus, wie dies auch von optischen Verstärkern, mit Festkörpern oder Gasen bekannt ist, erzielt.

Im folgenden seien nun als Beispiele einige Medien aufgeführt, die geeignet sind, in gelöstem oder suspendiertem Zustand in einem optischen Verstärker verwendet zu werden. .

Beispiel 1

8-Cyano-(2)-naphthol in konzentrierter wäßriger Lösung vom pH-Wert um 4 wird in die Küvette des optischen Verstärkers gebracht und durch die Strah-

lunghVAn in den elektronisch angeregten Zustand^ versetzt. Das 8-Cyano-(2)-naphthol ist im angeregten

*
Zustand A wesentlich saurer als im Grundzustand A,

Die Reaktionszeit T des Protonentransportes ist sehr viel kurzer als die Lebensdauer des angeregten MoIe-

küls A, so daß nur die Emission des Folgeproduktes B beobachtet werden kann. Es ergibt sich also folgendes Reaktionsschema, wobei

OH

A =

A =

O
OCH,

OCH,

R =

R*OH-H,O

(T₀)

VAn

ROH-H₂O

R* O" + H₃O⁺

flVFl

RO" + H₃O⁺

Wie aus diesem Reaktionsschema hervorgeht, geht ROH-H₂O durch Absorption der Anregungsstrah- hing h ν An in den angeregten Zustand R* OH · H₂O, dessen mittlere Lebensdauer τ₀ beträgt, über und reagiert in der Reaktionszeit T mit dem Wasser in das Folgeprodukt R* 0~ + H₃O⁺, welches seinerseits unter Abgabe der Fluoreszenzstrahlung h vfi in den ihm entsprechenden Grundzustand R 0~+ H₃O⁺übergeht. Endlich reagiert dieses sehr rasch zum Ausgangsmolekül ROH-H₂O zurück. Die Reaktionszeit Γ ist bei diesem Ausführungsbeispiel wesentlich kleiner als die mittlere Lebensdauer τ₀ des angeregten Moleküls

as R* OH · H₂O. Die abgegebene Strahlung h vfi liegt im grünen Teil des Spektrums.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel wird Salizylsäuremethylester in inerter Lösung, z. B. in Methylcyclohexan, als fluoreszierendes Medium verwendet.

Durch die Strahlung h ν An wird der Salizylsäuremethyl-

*
ester in den angeregten Zustand A gebracht, wobei die Hydroxylgruppe des Salizylsäuremethylesters stärker sauer und die Carboxylgruppe stärker basisch wird.

Im elektronisch angeregten Zustand A findet ein innermolekularer Protonenübergang statt. Das Folgepror

*
dukt B geht unter Abgabe der Strahlung h vfi in den.

ihm entsprechenden Grundzustand B über, welcher seinerseits rasch in den Grundzustand A zurückkehrt. Dabei entspricht

O~

B =

OCH,

B =

OCH,

OH

Reaktionsschema T

OCH,

OH

OCH₃

Die Reaktionszeit T ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel vergleichbar mit der mittleren Lebens-

*
dauer des angeregten Salizylsäuremethylesters A. Die

abgegebene Strahlung h vfi liegt bei diesem Ausführungsbeispiel im blauen Spektralbereich.

Beim dritten Ausführungsbeispiel wird eine sehr fluide Lösung von Pyren als Fluoreszenzmedium verwendet. Als Lösungsmittel für das Pyren eignet sich beispielsweise Pentan oder Hexan. Durch die anregende Strahlung h ν An wird ein Teil der Pyrenmole-

*
küle A + A in den angeregten Zustand A versetzt, die

mit den nicht angeregten Pyrenmolekülen A innerhalb der Reaktionszeit T zu dem Dimerisierungsprodukt (A *A) reagieren, welches seinerseits unter Abgabe der Fluoreszenzstrahlung h vfi in seinen nicht angeregten Zustand (A A) übergeht, welches im Grundzustand nicht beständig ist und rasch in den Ausgangszustand (A + A) wieder zerfällt. Das Verhältnis der Reaktionszeit T zur mittleren Lebensdauer der ange-

*
regten Pyrenmoleküle A läßt sich weitgehend durch

die Temperatur und Viskosität der Lösung variieren. Die von den angeregten Molekülen (A *A) abgegebene Strahlung h vfi liegt im blauen Spektralbereich.

Reaktionsschema
2 +A > (A*A)

h V_Fi

A+A

(A A)

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In der F i g. 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung wiedergegeben. Mit 1 ist die Küvette des optischen Verstärkers bezeichnet, in dem die Flüssigkeit! mit dem darin enthaltenen Medium untergebracht ist. Die Endflächen 3 der Küvette sind parallel zueinander und mit einer teildurchlässigen Schicht versehen. Die Flüssigkeit 2 wird der Küvette 1 über die Pumpe und Kühlsystem 4 über das Reservoir 5 zugeführt. Die Strahlungsquelle 6 regt die in der Flüssigkeit gelösten oder suspendierten Moleküle an.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker mit flüssigem Medium, bei dem ein organisches Medium in Lösung verwendet wird, das durch Strahlungsenergie zur stimulierten Fluoreszenz angeregt wird, und das zum Zweck der Kühlung umlaufen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das organische gelöste bzw. suspendierte Medium photochemisch in einen energiereicheren Energiezustand gebracht wird, auf Grund dessen es zu einer endothermen chemischen Reaktion befähigt wird, worauf das durch diese Reaktion im angeregten Zustand entstehende Reaktionsprodukt exotherm unter selektiver Fluoreszenzstrahlung in den nicht angeregten Zustand dieses Reaktionsproduktes übergeht, welches dann seinerseits in den nicht angeregten chemischen Ausgangszustand des organischen Mediums rasch zurückreagiert, wobei die Reaktionszeit des angeregten Mediums kleiner als dessen mittlere Lebensdauer ist.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das angeregte Reaktionsprodukt durch Anlagerung angeregter und nicht angeregter Moleküle entstanden ist.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches Medium 8-Cyano-(2)-naphthol in H₂O mit einem pH-Wert 4 verwendet wird.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches Medium Salicylsäuremethylester in Methylcyclohexan verwendet wird.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches Medium Pyren in Pentan oder Hexan verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 360 305;
Symposium Proceedings, Bd. XIII: »Optical Masers« (Polytechnic Press of the Polytechnic Institute of Brooklyn), New York 1963, S. 417 bis 422.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1172 374.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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