DE1539097B2 - Optischer Sender oder Verstärker mit einer Gasmischung (Gas-Laser) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Sender oder Verstärker mit gasförmigem stimulierbarem Medium sogenannte Gas-Laser.

Während der Vorteil dieser optischen Sender oder Verstärker darin liegt, daß die Emmissionslinienbreite der stimulierten Strahlung regelmäßig kleiner ist als diejenige von optischen Sendern oder Verstärkern, deren stimulierbares Medium ein Festkörper ist, haben sie den Nachteil eines vergleichsweise niedrigen Leistungsausganges, der üblicherweise einige Milliwatt beträgt, und eines vergleichsweise kleinen Wirkungsgrades, der üblicherweise einen kleinen Bruchteil eines Prozentes beträgt.

Ein Typus eines optischen Senders oder Verstärkers mit stimulierbarem gasförmigem Medium, der erhöhten Leistungsausgang und Wirkungsgrad verspricht, ist derjenige, der häufig als Molekül-Schwingungs-Rotations-Zustands-Laser bezeichnet wird, weil die stimulierte Strahlung einem Übergang zwischen Molekülrotationszuständen zugeordnet ist, die zu, verschiedenen Molekülschwingungszuständen gehören. So enthält beispielsweise eine bekannte für einen derartigen optischen Sender oder Verstärker geeignete Gasmischung Kohlendioxid oder Stickstoffoxid als stimulierbares Gas und molekularen Stickstoff als Energieübertragungsgas (Hilfsgas).

Bei der Suche nach leistungsfähigeren und wirksameren Formen für einen derartigen optischen Sender oder Verstärker wurde gefunden, daß die Zusammensetzung der Gasmischung wichtig ist, und zwar insbesondere im Hinblick auf eine Optimalisierung der ge wünschten Energieübertragungsprozesse.

So ist beispielsweise eine wirksamere Anregung von zu Molekülschwingungen angeregtem Stickstoff zur Erhöhung des Wirkungsgrades wünschenswert. Ebenso ist ein höherer Gesamtgasdruck innerhalb der eigentlichen Verstärkungszone des optischen Senders oder Verstärkers zur Erhöhung des Leistungsausgangs wünschenswert. Ferner sollte verhindert werden, daß irgendwelche chemische Reaktionsprodukte, die innerhalb der Verstärkungszone entstanden sind, den Verstärkungsmechanismus nicht nennenswert beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Sender oder Verstärker mit gasförmigem stimulierbarem Medium zu schaffen, der verbesserten Wirkungsgrad und Leistungsausgang besitzt.

Die Erfindung besteht darin, daß der stimulierbaren Gasmischung ein elektronegativer Zusatz beigegeben ist.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß die Beigabe einer chemisch elektronegativen Komponente, z. B. Sauerstoff, zur Gasmischung eines Molekül-Schwingungs-Rotations-Zustands-Lasers, bei der zu Molekülschwingungen angeregter Stickstoff als das Hilfsgas verwendet ist, höhere Gesamtdrücke im stimulierbaren Medium, erhöhten Wirkungsgrad und erhöhten Leistungsausgang ermöglicht.

Ferner beruht die Erfindung auf der Entdeckung, daß die Beigabe einer die Molekülschwingungsanregung der elektronegativen Komponente unterdrückende Komponente, z. B. Wasserdampf, den Wirkungsgrad und den Leistungsausgang noch weiter erhöht.

Durch solche Zusätze konnte ein Dauerstrich-Leistungsausgang erreicht werden, der mehr als eine Größenordnung höher liegt als die bisher höchsten von optischen Sendern oder Verstärkern mit gasförmigem stimulierbarem Medium erreichten. So lieferte ein erfindungsgemäß ausgebildeter optischer Sender oder Verstärker mit Direktentladung im Dauerstrichbetrieb etwa 16 Watt stimulierte Strahlung bei einem Wirkungsgrad von mehr als 4 °/₀.

Beim Erhalt eines höheren Leistungsausganges bei einem optischen Sender oder Verstärker gemäß der Erfindung hat sich eine äußere Kühlung der Entladungszone zur Erniedrigung der Molekülrotationstemperatur des stimulierbaren Gases unterhalb seines

ίο Wertes bei Fehlen einer Anregung als vorteilhaft erwiesen.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine halbschematische Darstellung, teilweise geschnitten, einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 2 ein Energiezustandsdiagramm nebst zugeordneten Kurven zur Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien.

Ein entsprechend der Erfindung betriebener optischer Sender oder Verstärker besitzt eine Verstärkungszone mit einem Rohr 20, innerhalb dessen die Verstärkungswirkung erhalten wird, eine Vorrichtung zum Zuführen einer Gasmischung, die bestimmte, nachstehend noch im einzelnen erläuterte Zusätze enthält, und eine Einrichtung zum Anregen der Gasmischung, so daß stimulierte Strahlungsemission erhalten werden kann. Die Gasmischung wurde als kontinuierliche Gasströmung von entsprechenden Quellen 41 bis 44 für Kohlendioxid, Stickstoff, Sauerstoff bzw. Wasserdampf bereitgestellt. Bei verschiedenen Versuchen wurden Teile des Stickstoffs, Sauerstoffs und des Wasserdampfs durch Einströmenlassen feuchter Raumluft geliefert. Für diese Versuche können die Quellen 42, 43 und 44 zweckmäßig als eine Quelle 46 für Hilfsgase beschrieben werden, obgleich in einigen Versuchen eine beträchtliche Stickstoffzufuhr aus einem Vorratsbehälter vorgesehen war.
In jedem Fall wurden die Gase durch Mischzonen 32 und die Einlaßvorrichtung 12 hindurch in die Verstärkungszone eingeleitet. Die »verbrauchten« Gase wurden mit Hilfe einer Pumpe 31 aus dei Verstärkungszone abgezogen und einem Gasabzug zugeführt.
Die Gasmischung wurde durch eine elektrische Entladungsanordnung angeregt, die zweckmäßig in einer Zweigleitung der Einlaßvorrichtung 12 untergebracht war. Im einzelnen wies die Entladungsvorrichtung oxydbeschichtete Kathoden 14 auf, die in angeschmolzenen, benachbart zu den Enden des Rohres 20 gelegenen Fortsätzen 19 untergebracht waren, ferner eine Anode, die in einem angeschmolzenen Fortsatz 17 des Rohres 20 untergebracht war, Gleichspannungsquellen 13, deren positive Seite über (nicht dargestellte) Strombegrenzungswiderstände mit der Anode 15 und deren negative Seite mit den Kathoden 14 verbunden waren, sowie Heizstromquellem22, die an die Kathoden 14 angeschaltet waren. Zur Anregung des Stickstoffs können auch andere Anordnungen, z. B. Hochfrequenzentladung, vorgesehen sein.

Zur Erhöhung der Besetzungsinversion des stimulierbaren Übergangs ist es wünschenswert, die Differenz zwischen der sogenannten Molekülrotationstemperatur und der Molekülschwingungstemperatur des Kohlendioxids zu erhöhen. Zu diesem Zweck war das Rohr 20 von einem Kühlmantel 21 umgeben, der an eine Kühlmittelzufuhr 26 sowie an einen Kühlmittelabzug 27 angeschlossen war. Bei den h ier im einzelnen beschriebenen Experimenten wurde Lei-

tungswasser bei 15⁰C als Kühlmittel verwendet; aber Kühlmittel, die in der Lage sind, die Molekülrotationstemperatur des Gases noch weiter unter Raumtemperatur herabzudrücken, waren noch vorteilhafter. Das Kühlmittel bestimmte die Temperatur der Wandung des Rohres 20 und setzte daher die Molekülrotationstemperatur des Kohlendioxids herab. Es hatte den Anschein, daß die Molekülschwingungstemperatur durch das Kühlmittel nicht wesentlich beeinflußt wurde.

Zur Erzeugung von Schwingungen ist es wichtig, die Verstärkungszone in einem optischen Resonator unterzubringen. Bei der in Rede stehenden speziellen Ausführung wurde der Resonator durch ein Spiegelpaar 33, 34 gebildet, wobei der letztere konkav war und einen Krümmungsradius von 11 m besaß, während der erstere konvex ausgebildet war und einen Krümmungsradius von 10 m besaß. Diese Ausbildung diente zur Vergrößerung des Eigenwertvolumens, so daß die gesamte Gasmischung innerhalb der Verstärkungszone für die Verstärkungswirkung verwendet werden kann. Die Spiegel hatten einen Abstand von 240 cm. Die Spiegel wurden von entsprechenden Fassungen 35 bzw. 36 gehalten und waren mit im Vakuum niedergeschlagenem Gold bis zur Lichtundurchlässigkeit beschichtet. Durch eine im Mittelpunkt des konkaven Spiegels 34 gelegene 12,5 mm große Öffnung wurde Energie aus dem Resonator ausgekoppelt.

Soll die Anordnung als Geradeausverstärker betrieben werden, so ist der Resonator unnötig, die Spiegel können daher entfallen. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Spiegel außerhalb der Verstärkungszone anzuordnen, in welchem Falle unter dem Brewsterschen Winkel angeordnete Fenster, die beispielsweise aus kristallinem Zinksulfid, Bariumdifluo/id oder Kaliumchlorid aufgebaut sind, zur Begrenzung der Verstärkungszone verwendet werden. Soll der optische Sender oder Verstärker als sogenannter Ring-Laser verwendet werden, so werden hierzu drei oder mehr Spiegel zur Bildung des Ringes verwendet.

Das Rohr 20, das die Verstärkungszone des optischen Senders oder Verstärkers der F i g. 1 begrenzte, war ein Glasrohr. Hierfür kann auch, falls gewünscht, ein Quarzrohr oder ein Rohr aus nichtleitendem Kunststoff verwendet werden. Das Glasrohr 20, das den Abstand zwischen den Spiegeln 33 und 34 überbrückte, hatte einen Innendurchmesser von 25 mm. Wie beobachtet wurde, erstreckte sich die effektive Verstärkungszone zwischen den Einmündungsstellen der Einlaßvorrichtung 12 in das Rohr 20 und war etwa 2 m lang.

Die Kathoden 14 waren oxydbeschichtete Kathoden mit Nickelträger und enthielten Bariumkarbonat und Strontiumkarbonat in Anteilen von 55 bzw. 45%· Den Nickelträgern waren in sehr kleinen Mengen als Aktivator dienende Verunreinigungen, z. B. Silizium, Titan, Aluminium und Magnesium, zugefügt.

Selektive Fluoreszens wurde bei einer Reihe verschiedener Wellenlängen erhalten, und zwar einschließlich der im P-Zweig gelegenen Rotationsübergänge P(14) bis P(26), in erster Linie P(IS), P(20) und .P(22). Der stärkste Übergang, derP(20) entspricht, trat bei 10,5915 Mikrometer auf.

Für jede Gasmischung wurde der Leistungsausgang des optischen Senders oder Verstärkers mit Hilfe einer hinter der Durchlaßöffnung des Konkavspiegels 34 gelegenen, kalibrierten Thermosäule gemessen. Es sollte selbstverständlich sein, daß die stimulierte Ausgangsstrahlung zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten bietet und daß die kalibrierte Thermosäule durch irgendeine gewünschte Verbrauchervorrichtung 25, z. B. einen elektrooptischen Modulator, der auf ein Informationssignal anspricht, ersetzt werden kann. Der 5 optische Sender oder Verstärker ist insbesondere für Übertragungszwecke brauchbar, weil atmosphärische Luft bei 10,6 μίτι vergleichsweise nur schwach absorbiert, also geringe Dämpfung darbietet. Der bei 10,6 μιη gelegene Wellenlängenbereich wird allgemein als ein

ίο »atmosphärisches Fenster« bezeichnet.

Für ein Betriebsbeispiel galten die folgenden Daten: Es wurde Kohlendioxid eines Partialdruckes von 0,4 Torr mit Raumluft eines Partialdruckes von etwa 1,0 Torr sowie mit zusätzlichem Stickstoffgas eines Partialdruckes von etwa 1,0 Torr gemischt. Hierbei betrug die Zusammensetzung der Raumluft etwa 0,7 Torr Tm₂, 0,3 Torr O₂ und 0,04 Torr H₂O. Leitungswasser von 15°C wurde durch den Kühlmantel 21 geschickt. Bei Verwendung von Stromquellen als die Stromquellen 13, die je 50 mA bei 4000 V lieferten, entspricht insgesamt etwa 400 W, wurde mit der kalibrierten Thermosäule eine Dauerstrichausgangsleistung von 16,2 Watt gemessen. Andere Versuche, bei denen durch den Kühlmantel 21 Alkohol als Kühlmittel unter Temperaturen und Geschwindigkeiten hindurchgeschickt wurde, die die Molekülrotationstemperatur der Gasmischung innerhalb des Rohres 20 bis auf —40⁰C herabsetzte, wurde verbesserter Wirkungsgrad und Leistungsausgang erhalten, und zwar in direkter Beziehung zu dem Betrag, um den die Rotationstemperatur des Gases unter die Nichtanregungstemperatur der Gasmischung gedrückt wurde.

Wurde die Eingangsluft über Kalziumchlorid zur

Entfernung des Wasserdampfes getrocknet, so erhielt

35' man bei 15°C Leitungswasser als Kühlmittel einen Leistungsausgang von 12 Watt.

Zu Vergleichszwecken sind Messungen an einer nahezu optimalen Kohlendioxid-Stickstoff-Mischung ohne weitere Zusätze durchgeführt worden. Bei einem Stickstoffpartialdruck und einem Kohlendioxidpartialdruck von je etwa 0,4 Torr und bei Verwendung von 15°C kaltem Leitungswasser als Kühlmittel wurden 4,5 Watt Ausgangsleistung erhalten.

Es sei insbesondere darauf hingewiesen, daß der Stickstoffpartialdruck in der Mischung ohne Zusätze wesentlich kleiner war als in den vorher beschriebenen Mischungen mit Zusätzen, und wurde er auf oberhalb etwa 1,0 Torr ohne gleichzeitige Zugabe von Zusätzen erhöht, so erhielt man geringere Werte für die Ausgangsleistung. Für das System ohne Zusätze beobachtete man bei Stickstoffdrücken zwischen 0,4 und 1,0 Torr etwa konstanten Leistungsausgang und Wirkungsgrad. Die Zusätze Sauerstoff und Wasserdampf gestatteten jedoch eine weitere Erhöhung des Stickstoffpartialdrucks, die von einer entsprechenden Erhöhung der Ausgangsleistung begleitet war.

Verschiedene theoretische Erwägungen können zur Erläuterung dieser beobachteten Ergebnisse herangezogen werden.

Für die erste dieser Erwägungen wird auf F i g. 2 Bezug genommen. Diese Figur zeigt den Molekülschwingungszustand ν = 1 sowie zwei weitere höher angeregte Zustände von Stickstoff, sämtlich mit Bezug auf den Grundzustand von Stickstoff. Gleichzeitig sind die interessierenden Molekülschwingungszustände von Kohlendioxid mit Bezug auf dessen Grundzustand (00⁰O) dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Molekülschwingungszustand ν = 1 für Stickstoff bei 2330,7 cm"¹

in sehr enger Koinzidenz mit dem (O0°l)-Molekülschwingungszustand von CO₂ bei 2349,16 cm"¹ steht. Folglich kann eine Kollision zweiter Art einen großen Querschnitt wegen der nahezu vollkommenen Koinzidenz besitzen. Das untere Laserniveau (1O⁰O) ist andererseits vom (v = I)-Zu stand des Stickstoffs um mehr als 900 cm"¹ entfernt, folglich ist der Querschnitt für ein Anregen der sich im Grundzustand befindlichen C0₂-Moleküle auf das untere Laserniveau sehr viel kleiner. Darüber hinaus ist die Anregung von (00⁰O)-CO₂-Molekülen in den Zustand (10°0) eine Reaktion, die optisch verbotene Übergänge aufweist. Wenn daher die angeregten Stickstoffmoleküle Energie auf die Kohlendioxidmoleküle übertragen, findet eine selektive Anregung im Grundzustand befindlicher CO₂-MoIeküle zu den (OO°l)-Zuständen statt. Darüber hinaus sind, weil die Lebensdauer der (OO°l)-Zustände größer ist als die Lebensdauer der (10°0)-Zustände, die erforderlichen Bedingungen für stimulierbare Emission auf Grund von (00⁰I)-(IO⁰O)-U bergängen erfüllt. Die kürzere Lebensdauer des unteren Zustands ist dem Umstand zugeordnet, daß sich die Besetzung des unteren Zustands auf den Grundzustand entleert, und zwar unter spontaner, in Kaskadenform erfolgender Emission, wie dies in F i g. 2 schematisch angedeutet ist.

Ein kritischer Punkt in dem soeben beschriebenen Prozeß ist die wirksame Anregung des Stickstoffmolekülschwingungszustands (v = 1). Es ist bekannt, daß es relativ schwierig ist, diesen Zustand direkt durch Elektronenstoß anzuregen. Demgemäß ist es mit den beobachteten Resultaten verträglich, daß die Elektronenentladung im Rohr 20 die höheren Anregungszustände von Stickstoff durch Stoßreaktion anregt. Die Besetzungsdichte dieser kurzlebigen angeregten Zustände entleert sich dann über spontane strahlende Übergänge auf den (v = 1)-Zustand, wie gezeichnet. Dieser Zustand wird daher besetzt.

Unwirksamkeit könnte aus folgendem Grunde auftreten. Die Elektronendichte in der Entladung als Funktion der Elektronenenergie ist durch die Kurve 51 für eine CO₂-N₂-Mischung ohne Zusätze angegeben. Die Spitze dieser Kurve liegt zwischen dem Zustand (v = 1) und den höheren Anregungszuständen. Und die Energie, die vom angelegten elektrischen Feld zur Beschleunigung dieser Elektronen mittlerer Energie aufgebracht worden ist, ist verschwendet, weil diese Elektronen keinen der Stickstoffzustände anregen können und daher aus der Verstärkungszone herauslaufen können, ohne daß sie bei der Anregung von Stickstoff oder des oberen Laserniveaus des Kohlendioxids von Nutzen gewesen wären.

Es ist auch bekannt, daß Sauerstoff ein elektronegatives Element ist und daher ein vergleichsweise großes Elektronen-Einfangvermögen besitzt. Dieses Vermögen wird mit Hilfe des sogenannten Elektronen-Einfangkoeffizienten beschrieben.

Sauerstoff kann relativ energiearme Elektronen besser einfangen als energiereiche Elektronen. Ferner finden die meisten Einfänge statt, bevor viel Feldenergie zur Beschleunigung dieser eingefangenen Elektronen aufgewendet worden ist. Auch ist die Wahrscheinlichkeit einer weiteren Beschleunigung ohne einen darauffolgenden Einfang durch Sauerstoff um so größer, je langer ein Elektron ohne Einfang beschleunigt worden ist. Folglich wird die mittlere Elektronenenergie oder, wie sie manchmal auch bezeichnet wird, die Elektronentemperatur zu höheren Energiewerten verschoben, bis die Anregung der höheren Anregungszustände von Stickstoff zur Ausbildung eines Gleichgewichts führt, wie dies in der gestrichelt gezeichneten Kurve 52 der F i g. 2 dargestellt ist. Darüber hinaus würde diese Tendenz von Sauerstoff oder allgemein einem elektronegativen Element, die Elektronentemperatur anzuheben, der Tatsache Rechnung tragen, daß der gesamte Stickstoffdruck nutzbringend erhöht werden kann, weil nunmehr eine ausreichende Anzahl energiereicher Elektronen für die Anregung der

ίο höheren Anregungszustände praktisch des gesamten Stickstoffs vorhanden sind, und zwar trotz der erhöhten Anzahl Elektron/Molekül-Kollisionen, die die Elektronenenergie zu reduzieren sucht.

Für den oben beschriebenen Effekt wird angenommen, daß die Halogene, nämlich Fluor, Chlor, Brom und Jod in gleicher Weise wirksam sind, da sie sämtlich elektronegative Substanzen mit hohen Elektronen-Einfangkoeffizienten sind. Andere Substanzen, z. B. Schwefelhexafluoride und Difiuordichlormethane (Freone), die gleichfalls diese Eigenschaften besitzen, können zu demselben Zweck verwendet werden, so fern sie nicht die Elektroden zerstören oder an diesen zerstört werden.

Die Erhöhung von Leistungsausgang und Wirkungsgrad infolge einer Wasserdampfzugabe kann zu einem Teil auch einer Wechselwirkung zwischen dem Sauerstoff, der durch Elektronenkollision zu Molekülschwingungen angeregt worden ist, und dem Wasserdampf zugeschrieben werden; hierbei wird die Anregung des Sauerstoffs zu Molekülschwingungen über einen optisch erlaubten Übergang im Wasserdampf unterdrückt und folglich die Tendenz des angeregten Sauerstoffs blockiert, das untere Laserniveau im Kohlendioxid anzuregen. Im einzelnen kann das an-

35/ geregte Sauerstoffmolekül, O₂ (ν = 1), das Kohlendioxid auf das untere Laserniveau durch folgende Reaktion selektiv anregen:

O₂* (v = 1) + CO₂ (00⁰O)
-> O₂ (v = 0) -f CO₂ (1O⁰O) -f 168 cm-⁴ (1)

Folglich ist die Gegenwart von O* (v = 1) auf die

stimulierte Emission auf Grund des (do⁰l)-(10⁰0)-Übergangs in CO₂ schädlich. Eine Zugabe von Wasser hilft den Zustand O₂* (v = 1) über folgende Reaktion zum Verschwinden zu bringen:

O₂* (v = 1) + H₂O (000)

-> O₂ (v = 0) + H₂O(O 1 0) - 39 cm-⁴ (2)
50

H₂O (0 1 0) entleert sich sehr rasch über folgenden strahlenden Übergang:

H₂O (0 1 0) < H₂O (0 0 0) + hv (1595 cm"⁴) (3)

ebenso über Stöße mit anderen Molekülen.

Jedoch unabhängig von der Gültigkeit der vorstehend skizzierten Gedankenkette als Erklärung für die beobachteten Resultate können andere Effekte des Sauerstoffs und Wasserdampfs gleichfalls eine Rolle in der Anordnung nach F i g. 1 spielen.

Ein solcher Effekt ist die Fähigkeit einer Sauerstoff-Wasserdampf-Mischung, bei mäßigen Temperaturen möglicherweise schädliche Verunreinigungen innerhalb des Rohres 20 zu Verbindungen zu oxydieren, die durch die Gasströmung leicht weggeschwemmt werden können oder sich auf den Verstärkungsmechanismus nicht schädlich auswirken. Bei diesem Prozeß stellt Wasserdampf einen Katalysator dar.

Von der chemischen Theorie her würde zu erwarten sein, daß die Zusätze Sauerstoff und der Katalysator Wasserdampf im System dazu neigen, das Gleichgewicht zwischen CO und CO₂, das immer in einem solchen System vorhanden ist, in Richtung auf einen größeren CO₂-Anteil zu verschieben, der seinerseits am Verstärkungsmechanismus teilnimmt. Es kann gleichfalls für die Verstärkungswirkung nützlich sein, die im System vorhandene Kohlenmonoxidmenge zu reduzieren.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die Reinigungswirkung der Zusätze Sauerstoff und Wasserdampf die schädlichen Wirkungen der meisten oxydierbaren Kohlenstoffverbindungen reduzieren kann. Andere oxydierbare Verbindungen in einem derartigen optischen Sender oder Verstärker können auch in den die Oxidkathode aktivierenden Verbindungen zu sehen sein, wie diese in den Kathoden 14 der F i g. 1 vorhanden sind. _t

Es ist insbesondere erwähnenswert, daß die geeignete Kombination von Sauerstoff und Wasserdampf, die nicht nur zur optimalen Regenerierung zersetzten Kohlendioxids dient, sondern auch zur wirksameren Anregung von molekularem Stickstoff, den Erhalt eines erhöhten Leistungsausgangs in einem statischen System erlauben sollte, d. h. in einem System, bei dem kein dauernder Gasdurchfluß durch das Laserrohr 20 stattfindet. Ein derartiges statisches System, bei dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden, erlaubt es, die Kosten eines praktischen, für die Massenfertigung geeigneten optischen Senders oder Verstärker, der auf der Basis des 10,6^m-Übergangs in Kohlendioxid arbeitet, wesentlich zu senken.

Hinsichtlich weiterer theoretischer Erwägungen sei ausgeführt, daß weitere günstige Wirkungen der Zusätze Sauerstoff und Wasserdampf in den Ausführungsformen der F i g. 1 und 2 vorhanden sein können. Beispielsweise kann atomarer, also nichtmolekularer Stickstoff in der Gasmischung vorhanden sein. Zu Molekülschwingungen angeregte Stickstoffmoleküle, die zur Übertragung der Energie auf das obere Laserniveau des Kohlendioxids nützlich sind, können aus dem atomaren Stickstoff wie folgt erzeugt werden:

7,5 eV)
(5)

Beide Reaktionen können gleichzeitig ablaufen, sie können die Menge des zu Molekülschwingungen angeregten Stickstoffs beträchtlich erhöhen, weil etwa 1 % des im Rohr 20 vorhandenen Stickstoffs in Abwesenheit des Sauerstoffzusatzes als atomarer Stickstoff vorliegen würde.

Auf Grund sämtlicher vorstehender Erwägungen erscheint es, daß der Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Verstärkungszone größer als 0,1 Torr sein sollte, damit ein wesentlicher Effekt bei der Erhöhung des Wirkungsgrades auftritt, er sollte aber kleiner 0,5 Torr bleiben. Für einen nennenswerten zusätzlichen Effekt, herrührend vom Wasserdampf, sollte dessen Partialdruck innerhalb der Verstärkungszone größer als 0,01 Torr sein, aber kleiner als 0,1 Torr bleiben. Der Kohlendioxiddruck sollte größer als 0,1 Torr sein, aber kleiner als 1,0 Torr bleiben. Schließlich sollte der Stickstoffdruck größer als 0,1 Torr sein, aber kleiner als 10,0 Torr bleiben.

2 N + O₂ -> 2 NO + (~ 6,5 eV)
2 NO + 2 N -» 2N₂ (v = 1) H- O₂ + (-

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung würde eine N₂-N₂O-Gasmischung zusammen mit Sauerstoff und Wasserzusätzen verwenden, wobei die Anregung des Stickstoffoxids für stimulierte Emission im wesentlichen in der gleichen Weise ausgeführt würde, wie dies bei der Anregung von Kohlendioxid für stimulierte Emission der Fall war.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einer Gasmischung als stimulierbarem Medium, die ein Molekül mit einem stimulierbaren Molekül-Schwingungs-Rotations-Übergang aufweist, das durch ein durch äußere Energiezufuhr anregbares Hilfsgas auf den oberen Zustand des stimulierbaren Übergangs angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasmischung ein elektronegativer Zusatz beigegeben ist.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronegative Zusatz Sauerstoff enthält.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasmischung ein weiterer zweiter Zusatz zur Unterdrückung einer Anregung des elektronegativen Zusatzes zu Molekülschwingungen beigegeben ist.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zusatz einen ersten Energiezustand besitzt, der durch den Molekülschwingungs-Energieübergang vom elektronegativen Zusatz anregbar ist, ferner einen zweiten Energiezustand besitzt, der tiefer als der erste Energiezustand liegt, sowie von diesem durch einen optisch erlaubten Übergang anregbar ist.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zusatz Wasserdampf ist.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck von Sauerstoff größer als 0,1 Torr und der des Wasserdampfs größer als 0,01 Torr ist.

7. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das stimulierbare Molekül aus der Gruppe der Gase Kohlendioxid und Stickstoffoxid ausgewählt ist und bei dem das Hilfsgas aus Stickstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronegative Zusatz aus einem aus der Gruppe der Gase Sauerstoff, Fluor, Chlor, Brom und Jod ausgewählten Gas besteht und der zweite Zusatz Wasserdampf ist.

8. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Gas einen Partialdruck größer als 0,1 Torr und kleiner als 1,0 Torr besitzt, der Stickstoff einen Partialdruck größer als 0,1 Torr und kleiner als 10,0 Torr, der Wasserdampf einen Partialdruck zwischen 0,01 und 0,1 Torr und Sauerstoff als der elektronegative Zusatz einen Partialdruck zwischen 0,1 und 0,5 Torr hat.

9. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoff einen Partialdruck größer als 1,0 Torr besitzt.

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