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Optischer Verstärker oder Sender (Gaslaser) Zusatz zum Patent:
1195 408 Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker
mit gasförmigem stimulierbarem Medium (Gaslaser), bei dem die Umkehrung der Besetzungsverteilung
durch Stoß der Atome oder Moleküle des zu stimulierenden Mediums mit weitgehend
auf einheitliche Geschwindigkeit gebrachten Elektronen bewirkt wird, insbesondere
nach dem Hauptpatent 1195 408.
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Eine selektive Anregung, d. h. die Anregung eines stimulierbaren
Gases durch Zusammenstoß der Gasatome mit Elektronen einheitlicher Geschwindigkeit,
ist bereits beschrieben worden. Bei dieser Anordnung werden in einem Feld zwischen
einer Elektrode und einem Gitter Elektronen auf weit-ehend einheitliche, kinetische
Energie gebracht.
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Unter einem »stimulierbaren Medium« bzw. einem »zu stimulierenden
Medium« ist im Sinne der Erfindung ein solches Medium zu verstehen, in dem eine
Strahlungsverstärkung nach dem Prinzip der sogenannten stimulierten Emission möglich
ist bzw. vorzunehmen vorgesehen ist.
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Eine weitere. Anordnung zur selektiven Anregung eines stimulierbaren
Gases durch Elektronenstoß wurde in dem Patent 1195 408 vorgeschlagen. Bei
der dort beschriebenen Art der selektiven Anregung werden die Gasatome oder -moleküle
durch Stöße mit Elektronen, die im elektromagnetischen Feld einer Wellenleitung
nach Art einer Verzögerungsleitung auf zumindest weitgehend einheitliche Geschwindigkeit
beschleunigt worden sind, angeregt. Die Wellenleitung besitzt eine Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit,
die etwa gleich der Geschwindigkeit der Elektronen ist, die die zur selektiven Anregung
des stimulierbaren Gases nötige kinetische Energie haben.
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Zur selektiven Anregung ist es erforderlich daß die stoßenden Elektronen
eine ganz bestimmte Energie
haben, in der m die Masse und v die Geschwindigkeit der Elektronen bezeichnet.
Diese kinetische Energie muß gerade mit der Energie übereinstimmen, die erforderlich
ist, um die Gasatome oder -moleküle aus dem Grundzustand in den Ausgangstern des
Laserüberganges anzuheben. Statt dieser unmittelbaren Anregung aus dem Grundzustand
in den Ausgangstern des zu stimulierenden übergangs kann auch in besonders gelagerten
Fällen eine selektive Anregung der Gasatome aus z. B. einem bereits mit großer Wahrscheinlichkeit
besetzten Zustand und/oder eine selektive Anregung in einen energetisch oberhalb
des zu stimulierenden Ausgangszustandes liegenden Anregungszustand erwünscht sein.
Durch geeignete Ausbildung der Wellenleitung ist es möglich, den in dem Gas befindlichen,
insbesondere aus einer zusätzlichen Elektronenquelle stammenden Elektronen in an
sich bekannter Weise eine bestimmte Geschwindi.-. keit zu geben. Parallel zur Laufrichtung
der auf der Wellenleitung laufenden Welle bilden sich Vergrößerungen und Verkleinerungen
der Dichte der Elektronen aus, wie sie z. B. von Wanderfeldröhren her bekannt sind.
Die in dem Gas enthaltenen Elektronen haben daher in der Mehrzahl nahezu die gleiche
Geschwindigkeit in Richtung der Wellenleitung wie sie die Welle auf der Wellenleitung
hat. Elektronen, die durch Stöße mit Gasatomen, insbesondere durch Stöße, bei denen
sie Energie, z. B. ihre gesamte kinetische Energie, an das Gas abgegeben haben und
damit Geschwindigkeit in Richtung der Wellenleitung verloren haben, holen diesen
Geschwindigkeitsverlust sehr schnell wieder auf. Allgemein braucht -aber neben der
Geschwindigkeitskomponente der Elektronen in Richtung der Wellenleitung keine weitere
Komponente der Geschwindigkeit der Elektronen berücksichtigt zu werden. Wird die
Gasdichte so gewählt, daß die mittlere Zeit zwischen zwei Stößen eines Elektrons
mit einem Gasatom größer als die Zeit ist, die die Elektronen benötigen, um ihren
Geschwindigkeitsverlust aufzuholen, so werden vorwiegend nur Elektronen mit der
Energie
vorhanden sein, worin v die Geschwindigkeit der auf der Wellenleitung laufenden
Welle ist. Die Zeit, die die Elektronen zum Aufholen eines Geschwindigkeitsverlustes
benötigen, hängt von der im Gasvolumen herrschenden elektrischen reldstärke der
auf
der Wellenleitung laufenden Welle ab. Je größer die Feldstärke gemacht wird, um
so schneller holen die Elektronen ihre Geschwindigkeit wieder auf. Die zu wählende
Gasdichte ist auch von der Intensität der Welle abhängig. Untersuchungen haben ergeben,
daß zu Gasdrücken von 1/1,), bis 1 Torr passende Feldstärken der auf der
Wellenleitung laufenden Welle im Gas ohne Schwierigkeiten erreicht werden können.
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Da bekanntlich die Wahrscheinlichkeit der übertragung kinetischer
Energie von Elektronen bei ihrem Zusammenstoß mit Gasmolekülen oder -atomen zur
Anregung derselben dann sehr groß ist, wenn die kinetische Energie mit der Anregungsenergie
übereinstimmt, wird vorzugsweise nur ein ganz bestimmter Terin des stimulierbaren
Gases angeregt. Man erkennt. daß auf diese Weise die selektive Anregung schon bei
einem einzigen Gas, insbesondere bei einem beliebigen Gas, durchgeführt werden kann,
wenn der untere der beiden zu dem anzuregenden Übergang gehörenden Terme besetzt
ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, bei einem optischen
Sender oder Verstärker, bei dem Atome oder Moleküle des Gases durch Stoß mit auf
weitgehend einheitliche Geschwindigkeit gebrachten Elektronen angeregt werden, beispielsweise
bei einer Anordnung mit Kathodenstrahlanregung oder bei einer solchen nach dem Hauptpatent
eine Erhöhung der Verstärkung zu erzielen.
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Eine andere Aufgabe ist die folgende: In einem Gas sollen strahlende
Übergänge von einem höheren Niveau auf ein tiefergelegenes, sogenanntes metastabiles
Niveau für die Durchführung eines Prozesses der Strahlungsverstärkung durch stimulierte
Emission in diesem Gas nutzbar gemacht werden.
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Diese Aufgaben werden durch eine Anordnung zur Erzeugung und/oder
Verstärkung elektromagnetischer, insbesondere optischer Strahlung gelöst, bei der
die Strahlung durch stimulierte Emission angeregter Gasatome oder -moleküle verstärkt
wird, die auch als optischer Sender oder Verstärker (Gaslas#r) bezeichnet wird,
und in der die Umkehrung der Besetzungsverteilung durch Stoß der Atome oder Moleküle
des stimulierbaren Gases mit weitgehend auf einheitliche Geschwindigkeit gebrachten
Elektronen, insbesondere nach dem Hauptpatent 1195 408 auf einheitliche Geschwindigkeit
gebrachten Elektronen bewirkt wird, und die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet
ist, daß dem zu stimulierenden Medium mindestens ein weiteres gasförmiges Medium
hinzugemischt ist, das einen möglichen Termübergang aufweist, dessen Energie kleiner
ist als die kinetische Energie der auf einheitliche Geschwindigkeit gebrachten Elektronen,
und der Energieresonanz aufweist mit einem Übergang des zu stimulierenden Mediums
aus der unteren Stufe, d. h. dem Endterm des zu stimulierenden Energieüberganges,
oder aus einer der energetisch unter dieser Stufe gelegenen unteren Energiestufen,
die im Betriebsfalle infolge der ausgelösten, stimulierten Übergänge besetzt werden,
in eine energetisch noch tiefer liegende Stufe, so daß eine wirksame Verringerung
der Besetzung dieser unteren Anregungsstufe bewirkt werden kann.
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Unter Energieresonanz ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, daß
die übertragbare Energie des Euer-(Y e abgebenden Teilchens gerade mit einem möci
C lichen Energiesprung im Termschema des beim Zu-C sammenstoß Energie aufnehmenden
Teilchens weitgehend übereinstimmt. Der Energiesprung muß jedoch bei dem anzuregenden,
Energie aufnehmenden Teilchen stets von einem normalerweise mit einer Wahrscheinlichkeit
von wenigstens mehr als 0,5 besetzten unteren Energieniveau ausgehen können,
bezogen auf das obere Niveau des Energiesprunges.
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Die Erfindunggeht von folgender Überlegung aus. Für den Prozeß der
Strahlungsverstärkung durch stimulierte Emission, d. h. für das überwiegen
der stimulierten Emission gegenüber der Absorption, ist es notwendig, daß die Zahl
der im energetisch höheren Niveau des zu stimulierenden Übergangs angeregten Atome
oder Moleküle größer ist als die Zahl der Atome oder Moleküle, die in dem zu dem
zu stimulierenden Übergang zugehörigen energetisch tiefer liegenden Niveau angeregt
sind, d. h., daß zwischen den beiden Termen des Übergangs eine sogenannte
Umkehrung der Besetzungsverteilung herrscht. Das Maß dieser Umkehrung der Besetzungsverteilung
wird aber bei Betrieb des optischen Senders oder Verstärkers durch die zu stimulierenden
Übergänge stark herabgedrückt, wenn die im Endtenn des Laserübergangs angeregten
Atome oder Moleküle nicht genügend schnell in einen anderen Anregungszustand, z.
B. in den Grundzustand übergehen. Dies tritt vorzugsweise dann ein, wenn dieser
Endterm ein sogenannter metastabiler Zustand ist.
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In'dem vorliegenden optischen Sender oder Verstärker ist nun erfindungsgemäß
eine zusätzliche Gaskomponente vorgesehen, die dafür sorgt, daß die in diesen Termen
angeregten Atome oder Moleküle des zu stimulierenden Gases schneller in einen energetisch
tiefer liegenden Anregungszustand oder in den Grundzustand übergehen. Die Gaskomponente
ist durch die Forderung nach Energieresonanz gemäß der Erfindung so ausgewählt,
daß die Anregungsenergie dieser im Endterm oder im darunterliegenden Term angeregten
Teilchen des zu stimulierenden Gases mit großer Wahrscheinlichkeit auf die Teilchen
der zusätzlichen erfindungsgemäßen Gaskomponente übergeht.
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Es sind bereits optische Sender oder Verstärker mit mehreren Gaskomponenten
bekanntgeworden. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist der sogenannte Helium-Neon-Laser.
Bei diesem optischen Sender oder Verstärker wird das zu stimulierende Gas durch
sogenannte Stöße zweiter Art mit einer Gasentladung angeregten Heliumatomen selektiv
angeregt.
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Es sind bereits Versuche gemacht worden, bei diesen letztgenannten
optischen Sendern oder Verstärkein eine Steigerung der Verstärkung dadurch zu erzielen,
daß man ihnen eine weitere Gaskomponente hinzugab, zu dem Zweck, daß die Endterme
beschleunigt geleert werden, d. h. die Atome oder Moleküle nach Strahlungsabgabe
schneller in den Grundzustand gebracht werden. So ist z. B. versuchsweise bei einem
sogenannten Helium-Neon-Laser Argon zur Löschung der in dem metastabilen Zustand
angeregten Neonatome als dritte Gaskomponente, sozusagen als Löschgas, dem Gemisch
hinzugefügt worden. Entgegen den Erwartungen hat sich aber gezeigt, daß auf diese
Weise keine Steigerung der Verstärkun- erreicht werden konnte, sondern eher ein
Ab-
sinken der Verstärkung eintrat.
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Entgegen diesem Stand der Technik haben jedoch Untersuchungen ergeben,
daß bei den optischen Sendem oder Verstärkern mit gasförmigem stimulierbarem
Medium,
bei denen die Anregung des zu stimulierenden Gases durch Stoß mit weit-ehend auf
einheitliche Geschwindigkeit gebrachten Elektronen, insbesondere durch eine auf
einer Verzögerungsleitung laufende Welle beschleunigte Elektronen bewirkt wird,
doch eine Steigerung der Verstärkung durch Zugabe einer weiteren zusätzlichen Gaskomponente
erreicht werden kann.
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Zum besseren Verständnis sollen die für die Erfindung wesentlichen
physikalischen Zusammenhänge an speziellen Beispielen der erfindungsgemäßen Anordnung
erläutert werden.
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Das zu stimulierende Gas sei Neon, das durch selektive Anregung, nach
dem Hauptpatent, in einem der 2p54S-Terine angeregt wird, die in der Fig.
1
in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet sind. Durch stimulierte Emission
gemäß dem Übergang 2 geht ein Neonatom aus dem Tenn 1 in einen 2
p5 3 p-Term, bezeichnet mit 3, über. Durch einen weiteren übergang
4 gelangt das Neonatom in die Anregungsstufe 2 p5 3 S, mit 5 bezeichnet.
Diese Stufe ist bekanntlich metastabil. 6 ist der Grundzustand des Neonatoms.
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Die in der Stufe 5 angeregten Neonatome haben bekanntlich eine
hohe Lebensdauer, so daß stets eine große Anzahl derartig angeregter Neonatome im
Gas der im Betrieb befindlichen Anordnung vorhanden sind. Wie Untersuchungen ergaben,
geht ein für die Strahlungsverstärkung durch stimulierte Emission beträchtlich großer
Anteil dieser angeregten Atome durch Elektronenstoß oder durch Reabsorption aus
5
wieder in den Zustand 3 über, wodurch die für die Höhe der Verstärkun-
der Anordnung wesentliche Umbesetzung unerwünschterweise verringert wird. Im Fall
der erfindungsgemäßen Zugabe von Wasserstoff zum Neongas kann jedoch ein in diesem
Zustand angeregtes Neonatom seine Anregungsenergie durch einen Stoß zweiter Art
an ein Wasserstoffmolekül abgeben. Die Dissoziationsenergie eines Wasserstoffmoleküls,
zusammengenommen mit der lonisationsenergie eines der beiden dabei auftretenden
Atome, ist ziemlich genau gleich der Anregungsenergie des metastabilen Neonatoms.
Dieser Energiesprung ist in der Figur mit dem Terinübergang 8 angedeutet.
Die gute übereinstimmung dieser Energien ist wesentlich für die erfindungsgemäße
Erzielung einer Erhöhung der Verstärkung der Anordnung. Die hier erwähnten, zu stimulierenden
Übergänge 2 des Neons sind im übrigen die gleichen, die auch in einem sogenannten
Helium-Neon-Laser erzeugt werden können.
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An Stelle von Wasserstoff kann dem Neon, entsprechend einem weiteren
speziellen Ausführungsbeispiel, bei Verwendung der Einrichtung des Hauptpatents,
auch Argon zugegeben werden. Beim Argongas stimmt die Ionisationsenergie mit der
Energie des metastabilen Neonzustandes 5 nahezu überein. In diesem Falle
würde die Ionisationsenergie dem übergang entsprechen. Es sei hervorgehoben, daß
bei Benutzung der Einrichtung des Hauptpatents bei diesen Beispielen keine Verminderung
der Stärke des Prozesses der Umkehrung der Besetzungsverteilung auftritt, da die
Wasserstoffmolekille bzw. die Argonatome wegen der fehlenden Energieresonanz mit
den im periodischen Feld der Wendel beschleunigten Elektronen nicht in störendem
Maße angeregt werden.
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Die Erfindung ist aber in keiner Weise auf die beiden angeführten
Beispiele beschränkt. Man erreicht sogar eine noch wesentlich größere Steigerung
der Verstärkung durch die erfindungsgemäße Zugabe einer weiteren Gaskomponenten
zu dem zu stimulierenden Gas in den Fällen, in denen der Endterm des zu stimulierenden
übergangs ein metastabiler Term oder ein sonstiger unmittelbar über dem Grundzustand
liegender Term ist. In den Fällen, in denen dieser Endterin des zu stimulierenden
übergangs metastabil ist, wird sogar die, für den Betrieb des optischen Senders
oder Verstärkers notwendig einzuhaltende Bedingung der Umbesetzung Überhaupt erst
durch dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht. Hierdurch wird es möglich, derartige
übergänge für neue optische Sender oder Verstärker nutzbar zu
machen.
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Die gemäß der Erfindung zusätzlich vorzusehende Gaskomponente wird
in einer Menge hinzugegeben, daß ihre Konzentration einige Prozent beträgt. Die
günstigste Konzentration hängt unter anderem vom Gesamtdruck des der Entladung ausgesetzten
Gases und von den geometrischen Abmessungen des jeweiligen Entladungsgefäßes ab.
Im übrigen ist der Fachmann ohne weiteres in der Lage, durch einfache Versuche,
bei Kenntnis der Erfindung, das günstigste Mischungsverhältnis des jeweiligen zu
stimulierenden Gases und jeweiliger dazugehöriger zusätzlicher Komponenten zu ermitteln.
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Im Prinzip kann nach der Lehre des Hauptpatents jeder Strahlung liefernde
übergang im Termschema eines Gases zur stimulierten Emission herangezogen werden,
sofern das Produkt aus der übergangswahrscheinlichkeit und der Umbesetzung
A N des gewünschten übergangs auch während der Durchführung der Strahlungsverstärkung
genügend groß ist gegenüber den jeweiligen Produkten aus den Übergangswahrscheinlichkeiten
und den Umbesetzungen der jeweiligen übrigen übergänge, die von dem gleichen, durch
Anregung besetzten Ausgangsterm des zu stimulierenden übergangs ausgehen. Die Umbesetzung
AN ist die Differenz der Besetzungszahlen glichen zwischen oberem
und unterem Term des frag Übergangs, und zwar unter Betriebsbedingungen. Besondere
Bedeutung hat das erfindungsgemäße Verfahren des Zusatzes eines der Erfindung gemäßen
Gases dann, wenn dieses Produkt für den gewünschten zu stimulierenden übergang im
Fall des Fehlens des erfindungsgemäß zusätzlich vorzusehenden Gases, etwa in der
gleichen Größenordnung ist oder nur wenige Größenordnungen größer ist als die anderen
Produkte, die zu übergängen vom oberen Term aus gehören. In diesem Fall nämlich
erhöht die Zugabe des erfindungsgemäßen Gases durch die Vergrößerung der Umbesetzung
AN die Verstärkung besonders stark. Dies wird erreicht durch die Vergrößerung
des Produkts aus übergangswahrscheinlichkeit und Umbesetzung des gewilnschten überganges
im Verhältnis zu den übrigen konkurrierenden Produkten.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen an den im folgenden näher
beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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In der F i g. 2 ist 11 ein Rohr aus elektrisch isolierendem
Material, insbesondere ein Glasrohr, in dem sich das stimulierbare Gas, angenommen
Neon, befindet. In dem Neongas wird der Term 2 p5 4 s, der eine Anregungsenergie
von etwa 19,8 eV hat, selektiv angeregt. Um diese selektive Anregung durchzuführen,
müssen die in 1 befindlichen freien Elektronen auf eine Geschwindigkeit von
etwa 1/loo der Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Dies wird durch eine auf gleiche
Geschwindigkeit verzögerte, auf dem
Wellenleiter, der Wendel 12,
laufende elektromagnetische Welle bewirkt. Die Welle wird mit den Wendeln
13 bzw. 14 ein- bzw. ausgekoppelt. 12 und 13
sowie 12 und 14 stellen
dabei sogenannte gekoppelte Wendeln dar, die in bekannter Weise so ausgebildet sind,
daß zwischen ihnen die Energie der Welle über-Ereht C . 13 ist mit dem Koaxialkabel
15 an den Hochfrequenzgenerator 17, 14 ist mit 16 an den Abschlußwiderstand
18 angeschlossen. Die Frequenz des Generators 17 und die Wendel 12
sind aufeinander so abgestimmt, daß im Innern der Wendel noch kein übermäßig großer
Abfall der Feldstärke in radialer Richtung auftritt. Beispielsweise fällt bei
30 MHz und einem Durchmesser der Wendel von etwa 1 cm die axiale Feldstärke
in der Achse der Wendel nur auf etwa 0,7 des Wertes der Feldstärke am Rande
der Wendel ab. 19 und 20 sind Platten, mit denen das Rohr 11 verschlossen
ist und die die verstärkte Strahlung möglichst vollständig durchlassen; sie werden
zweckmäßigerweise in einem Winkel zur Achse des Rohres 11 angeordnet, der
gleich dem Brewster-Winkel ist. 21 und 22 sind Spiegel, zwischen denen sich eine
hin- und herlaufende Strahlung 23 verstärkt durch stimulierte Emission ausbildet.
Der Spiegel 22 ist teildurchlässig, so daß ein Teil der zwischen 21 und 22 hin-
und herlaufenden Strahlung als kohärente Strahlung 24 ausgekoppelt wird.
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Die als Folge des stimulierten übergangs in dem Term. 2
p5 3 S angeregten Neonatome können bei Stößen zweiter Art mit Wasserstoffmolekülen
in den Grundzustand übergehen. Die dabei entstehenden Wasserstoffatome rekombinieren
vorzugsweise an der Gefäßwand, z. B. 11. Es empfiehlt sich zur Steigerung
der Rekombinationsrate, diese Wände zu kühlen, z. B. mit Luft oder Wasser. An Stelle
von Wasserstoff kann dem optischen Sender oder Verstärker mit Neon zur Erzielung
der gleichen Wirkung, auch Argon hinzugegeben werden. Bei Stößen zweiter Art mit
den metastabilen Neonatomen werden die Argonatome ionisiert.
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Bei einem anderen, gemäß dem Hauptpatent auf-Crebauten, optischen
Sender oder Verstärker, der an Stelle des zu stimulierenden Gases Neon Argon als
zu stimulierendes Gas enthält, wird zur Leerung der metastabilen 4S-Niveaus des
Argons erfindungsgemäß beispielsweise Sauerstoff hinzugefügt. Wie der Wasserstoff
im optischen Sender oder Verstärker mit Neon, wird der Sauerstoff bei diesem optischen
Sender oder Verstärker mit Argon durch die Stöße zweiter Art mit den metastabilen
Argonatomen dissoziiert und eines der beiden Sauergtoffatome in den Tennen 2 pl
S, oder 2 pl D2 angeregt. Die hierfür erforderliche Quantenenergie
ist wieder etwa so groß wie die des metastabilen Argonatoms, wodurch auch bei diesem
Ausführungsbeispiel eines optischen Senders oder Verstärkers mit der erfindungsgemäßen
zusätzlichen Gaskomponente eine wirksame Verringerung der Besetzungsdichte des metastabil
angeregten Argons sichergestellt ist.