DE1299367B - Optischer Sender oder Verstaerker (Maser und Laser) mit chemischer Besetzungsumkehr - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen _r Umkehrung der Besetzungsverteilung bezeichnet optischen Sender oder Verstärker (Maser und Laser) wird.

mit chemischer Besetzungsumkehr zur stimulierten Es sind viele Möglichkeiten zur Erzeugung einer Ausstrahlung kohärenter elektromagnetischer Wellen umgekehrten Besetzungsverteilung durch Zufuhr mit einem gasförmigen oder flüssigen stimulierbaren 5 elektrischer oder optischer Anregungsenergie vorge-Medium aus Atomen oder Molekülen. schlagen und ausgeführt worden. In den meisten Fäl-Befindet sich ein wirksames Teilchen des stimu- len verbleibt jedoch beim Anregen ein großer Teil der lierbaren Mediums auf einem Energieniveau über Teilchen im energetischen Grundzustand. Handelt es dem Grundniveau (angeregter Zustand), so existiert sich um die Anregung von Atomen, so ergeben die eine definierte Wahrscheinlichkeit dafür, daß es nach io Übergänge in den Grundzustand wegen der Absorpeiner bestimmten Zeit auf das Grundniveau zurück- tion durch die noch auf dem Grundniveau befindfällt, wobei elektromagnetische Strahlung ausge- liehen Teilchen keine Verstärkung. Da, wenigstens für sandt wird. Die Wahrscheinlichkeit besitzt eine kon- atomare Prozesse, Übergänge im ultravioletten Bestante und eine variable Komponente. Die konstante reich fast immer den Grundzustand mit einschließen Komponente ist im wesentlichen unabhängig von der 15 müssen und aus praktischen Gründen auch einIntensität der einfallenden Strahlung, während die schließen, ist ein ultravioletter, atomarer Strahler ausvariable Komponente der Wahrscheinlichkeit für den geschlossen, wenn die Umkehr der Besetzungsvermit einer Emission verbundenen Übergang in einen teilung durch optische Anregung auf höhere Enertieferen Energiezustand von der Intensität der mit giestufen erreicht werden soll. Darüber hinaus hat den Teilchen (bei der Übergangsfrequenz) in Wech- 20 die optische Anregung Nachteile, welche sie für selwirkung tretenden Strahlung abhängt. Das Vor- manche Zwecke ungeeignet macht. Beispielsweise ist handensein einer Strahlung mit der für den quant- es beim optischen Anregen schwierig, Lichtquellen energetischen Übergang passenden Frequenz erhöht mit ausreichend hoher Intensität zu schaffen, welche daher die Ubergangswahrscheinlichkeit von höheren ununterbrochen Licht liefern; beim elektrischen Anauf tiefere Energiestufen unter Aussendung von 25 regen ist die Wärmeabfuhr ein Problem. In jedem Strahlung. Die konstante Komponente der Übergangs- Fall ist es unwahrscheinlich, daß eine umgekehrte Wahrscheinlichkeit ist bestimmend für die spontane Besetzungsverteilung im Hinblick auf die Grund-Emission von Strahlung; diese spontane Emission niveaukonfiguration durch optisches oder elektrisches kann gerade in Anwesenheit von Strahlung mit der Anregen erreicht werden kann. Übergangsfrequenz stattfinden. In diesem Fall steht 30 Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer nach dem jedoch die emittierte Strahlung in keinem kohären- Prinzip der stimulierten Emission von Strahlung ten Phasenzusammenhang zu der einfallenden Strah- wirkenden Einrichtung ein Verfahren und eine Anhing. Andererseits vergrößert jedoch die einfallende Ordnung zur Erzeugung einer umgekehrten Bestrahlung mit der Übergangsfrequenz die variable Setzungsverteilung durch Entleeren oder Ausschöpfen Komponente der Ubergangswahrscheinlichkeit, wo- 35 eines tieferen Energieniveaus, welches das Grundbei aber die emittierte Strahlung in einem definier- niveau sein kann, anzugeben.

ten Phasenzusammenhang zu der einfallenden Strah- Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, die Umlung steht. In diesem Faß handelt es sich um stimu- kehrung der Besetzungsverteilung durch eine direkte, lierte Emission. Beim optischen Sender besitzt das selektive, chemische Reaktion zu erzeugen, die emittierte Strahlung darstellende Photon die 40 Gemäß der Erfindung ist zur Lösung dieser Auf-Übergangsfrequenz und kann daher ein angeregtes gäbe vorgesehen, daß aus einem beliebig angeregten Nachbaratom zur Aussendung von Strahlung in stimulierbaren Medium die in dem energetisch niedgleicher Richtung und mit gleicher Phase auslösen riger liegenden Zustand eines stimulierbaren Über-(stimulieren). Äußere Spiegel begrenzen einen gangs befindlichen Atome oder Moleküle oder Atome optischen Resonator, in dem dieser Kaskadenprozeß 45 oder Moleküle, die aus dem energetisch höher liegenmöglich gemacht wird, den Zustand bereits in einen tiefer liegenden Zustand Ersichtlich ist daher ein Teilchenkollektiv in übergegangen sind, zur Entleerung oder Ausschöpeinem angeregten Zustand als Quelle einer elektro- fung dieses unteren Zustandes durch chemische Remagnetischen Verstärkung zu betrachten. Das Pro- aktion mit einem Reaktionspartner, der Atome oder blem wird allerdings durch die Tatsache kompliziert, 50 Moleküle des anderen Zustandes bevorzugt, in Form daß Teilchen in dem tieferen von zwei Energiezustän- einer chemischen Verbindung abgefangen werden, den, beispielsweise im Grundniveau, Strahlung der Mit anderen Worten ist eine Vielzahl von Teilchen Übergangsfrequenz absorbieren. Die Wahrschein- auf wenigstens zwei Energieniveaus verteilt, wovon lichkeit dafür ist gleich der für die stimulierte Emis-. das tiefer liegende Energieniveau wenigstens teilweise sion auf dem höheren Energieniveau. Diese 55 entleert oder ausgeschöpft wird. Absorption ist mit einer Anhebung der Teilchen auf Generell gesprochen, wird gemäß der Erfindung ein höheres Energieniveau verbunden. Um eine die Umkehrung der Besetzungsverteilung derart erVerstärkung zu erhalten, muß daher ein Überschuß zeugt, daß das Grundniveau und ein oder mehrere von Teilchen auf einem höheren Energieniveau, ver- zusätzliche des tiefsten Energieniveaus selektiv entglichen mit denjenigen^ auf einem tieferen Niveau, 60 leert oder ausgeschöpft werden. Aus Gründen der vorhanden sein; dieser Zustand muß während der Einfachheit soll der Vorgang zunächst an Hand der Strahlungsaufnahme aufrechterhalten werden. Da selektiven Ausschöpfung des Grundniveaus erklärt nach der Boltzmann-Statistik bei thermischem werden; es wird jedoch ausdrücklich bemerkt, daß Gleichgewicht die Anzahl von Teilchen auf einem sowohl das Grundniveau als auch ein oder mehrere beliebigen Energieniveau immer größer als die 65 aufeinanderfolgende höhere Energieniveaus über dem Anzahl der Teilchen auf dem nächsthöheren Grundniveau selektiv ausgeschöpft werden können, um Niveau ist, stellt der oben beschriebene Zustand den Zustand der umgekehrten Besetzungsverteilung einen Nichtgleichgewichtszustand dar, welcher als zwischen zwei höheren Energieniveaus zu erzeugen.

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Die Ausschöpfung des Grundniveaus ζ. B. wird Das Jod wird durch eine elektrische Entladungsvordurch eine bevorzugte chemische Reaktion erzielt, richtung 16 am Einlaßkanal 14 angeregt, während welche schneller mit dem Teilchen auf dem Grund- der Zäsiumdampf durch den Einlaßkanal 17 eintritt, niveau als mit denen höherer, angeregter Zustände Die beiden Reaktionspartner vereinigen sich und abläuft. Wenn eine Entladung in einem Gas A ein 5 strömen entlang des Rohres 11 zu dem Auslaßkanal bestimmtes Verhältnis (A*/A) zwischen angeregten 18 an seinem anderen Ende 12. Die Reaktion beAtomen (A*) und nichtangeregten Atomen (A), das ginnt auf der Höhe der Einlaßkanäle 14 und 17.
kleiner als Eins ist, erzeugt, wird ein Gas B einge- Weiterhin kann ein geeigneter dritter Stoff in dem führt, für das die Reaktion A +B -+■ AB schneller Zweistoff system verwendet werden. Üblicherweise abläuft als die Reaktion A*+B-*- A* B. Anderer- io dient der dritte Stoff als chemisch inaktiver Energieseits können die beiden Reaktionen so lange im wandler und -träger für die Reaktionspartner und gleichen Verhältnis ablaufen, wie der dissoziative den angeregten Teil des stimulierbaren Mediums. Zerfall der Verbindung A*B wesentlich schneller als Typische Stoffe mit chemisch inaktiven Eigenschaften derjenige der Verbindung A B verläuft. Die letztere und hoher Wärmeübertragung sind Schwefelhexa-Bedingung der schnelleren Dissoziation wird durch 15 fluorid und die Edelgase (He, Ar, Kr usw.). Die Verein zweiatomiges Molekül A B erfüllt, dessen Poten- Wendung eines dritten Stoffes dieser Art erleichtert tialmulde des Grundzustandes tiefer als die seiner auch die Kontrolle der Konzentration der Reaktionsangeregten Zustände ist. Tatsächlich darf die Reak- partner und ihres Strömens durch das System. Auch t\onA*+B->-A*B auch etwas schneller als die in Fällen, in denen die umgekehrte Besetzungsver- ReaktionA+B-*-AB verlaufen, wenn nur der 20 teilung nach relativ langen Perioden nicht aufrechtdissoziative Zerfall von A*B->A*+B wesentlich erhalten wird, kann ein stetiges Ausgangssignal erschneller als der dissoziative Zerfall von A B-> A +B halten werden, wenn die Gasflußmenge so reguliert verläuft. wird, daß sie mit der Dauer der in ihr erzeugten

Es werde nun beispielsweise das Gassystem eines Besetzungsumkehr übereinstimmt. Damit wird im optischen Senders betrachtet. Zunächst wird durch 25 Effekt eine stetige Besetzungsumkehr erzielt, da irgendeine geeignete Technik, wie Strahlungsanregung neues Material mit umgekehrter Besetzungsverteilung im Mikrowellen- oder optischen Bereich oder Gas- nachgeliefert wird, wenn die stimulierte Emission die entladung, ein Teil der Atome des Gases A auf das invertierten Zustände des vorher eingetretenen stimudarauffolgende höhere Energieniveau über dem lierbaren Mediums verbraucht hat. Es wird also eine Grundzustand angeregt. Das sowohl angeregte als 30 stetige stimulierte Wellenabstrahlung ermöglicht,
auch nichtangeregte Atome enthaltende Gas A wird Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sowohl nun mit einem zweiten Gas .B in Wechselwirkung für Molekularverstärker (Maser) als auch für gebracht, welches derart ausgewählt ist, daß es vor- optische Sender oder Verstärker (Laser) geeignet, zugsweise selektiv mit den nichtangeregten Atomen Wenn die zur Auslösung der Kaskade einer stimudes Gasest reagiert, wodurch die gewünschte Um- 35 lierten, kohärenten elektromagnetischen Strahlung kehrung der Besetzungsverteilung zwischen dem verwendete Strahlung aus einer äußeren Quelle ersten angeregten Zustand und dem Grundzustand stammt, arbeitet die Anordnung als Verstärker; rührt erhalten wird; das Gas A bildet in diesem Fall die die ursprüngliche auslösende Strahlung aber von der stimulierbare Komponente im Medium. Gemäß der eigenen spontanen Strahlung der Anordnung selbst Erfindung kann es sich sowohl um gasförmige als 4° her, so arbeitet sie als Oszillator oder Sender,
auch um flüssige Medien handeln, wenn nur die Ist das Verhältnis der Besetzungsumkehr genügend reagierenden Komponenten A und B geeignet ausge- hoch, so kann eine gute Wirkung schon durch den wählt werden. Typische und bevorzugte Reaktions- einmaligen Durchtritt der elektromagnetischen Strahpartner sind die Alkalimetalle Lithium, Natrium, lung durch das stimulierbare Medium erreicht wer-Kalium, Rubidium oder Zäsium als Reagenz B mit 45 den. In den meisten Fällen wird das Hüllgefäß jedoch den stimulierbaren Halogengasen Fluor, Chlor, Brom so ausgebildet, daß die Strahlung stirnseitig mehrfach oder Jod als Reagenz A. In einem gasförmigen System reflektiert wird und daher mehrfach das stimulierliegen die Alkalimetalle natürlich als Dampf vor. bare Medium durchläuft. Damit wird die Wahrschein-Ein Teil der Atome des Halogengases werden wenig- lichkeit erhöht, daß ein durch das stimulierbare Mestens auf das erste Energieniveau über dem Grund- 50 dium tretendes Photon auf ein angeregtes Atom zustand angeregt, indem sie einer elektrischen Ent- trifft, so daß der Wirkungsgrad genügend hoch wird, ladung ausgesetzt werden. Diese Zusammensetzung Derartige Hüllgefäße sind an sich bekannt; einfache der Reaktionspartner A und B bildet eine bevor- Anordnungen dieser Art bestehen aus zwei ebenen, zugte Gruppe von Stoffen als Grundlage für das er- parallelen, reflektierenden Spiegeln, welche das findungsgemäße Verfahren, da die Verbindung A B 55 stimulierbare Medium stirnseitig begrenzen. Weniggegenüber der Verbindung A*B eine relativ tiefe stens einer dieser Spiegel ist teildurchlässig, so daß Potentialmulde besitzt und da die Übergangsfrequenz ein Teil der stimulierten Strahlung nach einem oder für den Übergang vom ersten Energieniveau in den mehreren Durchgängen aus dem System austreten Grundzustand im ultravioletten Bereich liegt; eine kann. Arbeitet die Anordnung als Verstärker, so ist stimulierte Strahlung dieser Frequenz besitzt hohes 60 der reflektierende Spiegel auf der Eingangsseite von technisches Interesse und war bisher nur schwer zu höherer Durchlässigkeit oder besitzt eine Öffnung, so erreichen. daß die Eingangsstrahlung am einen Ende des Hüll-

Zur Vereinigung der beiden Reaktionspartner gefäßes eintreten und die Ausgangsstrahlung am

kann irgendeine geeignete Technik zur Anwendung anderen Ende austreten kann. Besitzt das zylin-

kommen. So kann z. B. für ein gasförmiges Zäsium- 65 drische Rohr 11 Spiegel an seinen Enden 12 und 13,

Jod-System, wie die Figur zeigt, ein zylindrisches T- so sind die Einlaß- und Auslaßkanäle 14, 17 und 18

oder Y-förmiges Rohr 11 mit Einlaßkanälen 14 und für das Medium natürlich vorzugsweise an der das

17 an einem seiner Enden 13 Verwendung finden. Rohr bildenden Mantelfläche angebracht. Die Stufe

und der Grad der durch elektrische Entladung oder Mikrowellen zu erzeugenden Anregung im stimulierbaren Medium, die Strömungsmenge und die Konzentration des stimulierbaren Mediums und des anderen Reaktionspartners und die Charakteristik des stimulierbaren Mediums selbst sind die den Grad der Besetzungsumkehr des Systems bestimmenden Parameter. Obwohl jedes Besetzungsumkehrverhältnis größer als Eins theoretisch ausreicht, um einen Überschuß von stimulierter, kohärenter Strahlung zu erreichen, sind in der Praxis höhere Verhältnisse erforderlich, um Verluste durch Reflexion, Absorption in den Fenstern, achsenentfernter Strahlungsanteile und ähnliches zu kompensieren.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß es mit anderen Verfahren zur Erzeugung einer Besetzungsumkehr, wie mit dem elektrischen, optischen oder chemischen Anregen, kombiniert werden kann, so daß, wenn ein oder beide Anregungsverfahren zur Kompensation ao von Verlusten im Gehäuse eine ungeeignete oder gerade noch geeignete Besetzungsumkehr erzeugen, die beiden Verfahren zusammen eine geeignete Größe der Besetzungsumkehr erreichen lassen. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch im Zusammenhang mit Energieübertragungsanregung, wie sie beispielsweise in einem optischen Helium-Neon-Sender zur Anwendung kommen, wobei die auf die Atome eines Stoffes übertragene Energie durch Atomzusammenstöße auch auf die Atome des anderen Stoffes übertragen wird und diese in den angeregten Zustand bringt. Ersichtlich kann diese Art der Energieübertragung gleichzeitig mit der Ausschöpfung von nichtangeregten Atomen des zweiten Stoffes stattfinden, um einen höheren Grad der Besetzungsumkehr zu erreichen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch auf Reaktionen anwendbar, die nicht, wie oben beschrieben, atomaren Charakter haben. Beispielsweise kann die allgemeine Reaktion A+BC-^-AB+C und A* + BC-+AB* + C zur Anwendung kommen, wenn nur die erstere schneller verläuft als die letztere.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker (Maser und Laser) mit chemischer Besetzungsumkehr zur stimulierten Ausstrahlung kohärenter elektromagnetischer Wellen mit einem gasförmigen oder flüssigen stimulierbaren Medium aus Atomen so oder Molekülen, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem beliebig angeregten stimulierbaren Medium die in dem energetisch niedriger liegenden Zustand eines stimulierbaren Übergangs befindlichen Atome oder Moleküle oder Atome oder Moleküle, die aus dem energetisch höher liegenden Zustand bereits in einen tiefer liegenden Zustand übergegangen sind, zur Entleerung oder Ausschöpfung dieses unteren Zustandes durch chemische Reaktion mit einem Reaktionspartner, der Atome oder Moleküle des unteren Zustandes bevorzugt, in Form einer chemischen Verbindung abgefangen werden.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Besetzungsumkehr durch selektive Ausschöpfung oder Entleerung eines Energieniveaus derart vorgenommen wird, daß das beliebig angeregte stimulierbare Medium mit einem mit diesem chemisch reagierenden Stoff in Wechselwirkung gebracht wird, der mit dem stimulierbaren Medium so reagiert, daß die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Umsetzung für Teilchen des stimulierbaren Mediums mit niedrigerem Energieniveau größer ist als die für Teilchen mit höherem Energieniveau.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als stimulierbares Medium ein Element der Halogengruppe Chlor, Brom, Jod oder Fluor verwendet wird.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als chemischer Reaktionspartner für das stimulierbare Medium ein Stoff aus der Gruppe der Alkalimetalle verwendet wird.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator von einem Hüllgefäß

(11) gebildet wird, das stirnseitig von zwei mehr oder weniger teildurchlässigen Spiegeln begrenzt ist, das an seinem einen Ende (13) einen Einlaßkanal (14) für das stimulierbare Medium aufweist, in das ein weiterer Einlaßkanal (17) für den chemischen Reaktionspartner des stimulierbaren Mediums dem Einlaßkanal (14) gegenüber einmündet und an dessen anderem Ende

(12) ein Auslaßkanal (18) für das stimulierbare Medium, den Reaktionspartner und die Reaktionsprodukte angebracht ist.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaßkanal (14) Mittel (16) zur Anregung des stimulierbaren Mediums vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen