DE1589070B2 - Optischer sender oder verstaerker - Google Patents

Description

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einrichtung oxidbeschichtete Kathoden 14 auf_s die in erster Linie bei P (18), P (20), P (22). Der stärkste kolbenartigen Blindfortsätzen 19 des Leitungssystems Übergang, der P (20) entspricht, trat bei 10,5915 μΐη 12 benachbart den Enden des Rohres 20 untergebracht auf. Die Ausgangsleistung der stimulierten Strahlung waren. Die Anode 15 war innerhalb eines kolben- wurde mit Hilfe einer kalibrierten Thermosäule geartigen Blindfortsatzes 17 des Rohres 20 unterge- 5 messen, die hinter der öffnung des Konvexspiegels 33 bracht. Gleichstromquellen 13 waren mit ihrem Plus- angeordnet war.

pol über Strombegrenzungswiderstände 16 mit der Es sollte sich verstehen, daß für die stimulierte AusAnode 15 und mit ihrem Minuspol mit den Kathoden gangsstrahlung zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten 14 verbunden. Außerdem waren Heizstromquellen 22 bestehen und daß die kalibrierte Thermosäule durch mit den Kathoden 14 verbunden. io die im Einzelfall gewünschte Anwendungsvorrichtung

Zur Erhöhung der mit der Anregung bewirkten Um- 25 ersetzt werden kann, z. B. durch einen elektro-

kehrung der Besetzungsverteilung zwischen dem oberen optischen Modulator, der auf ein Informationssignal

und unteren Energieniveau, die der stimulierten Strah- anspricht. Die Erfindung ist insbesondere für Über-

lung zugeordnet sind, ist es wünschenswert, die Diffe- tragungszwecke brauchbar, insoweit die Atmosphäre

renz zwischen der sogenannten Rotationsschwin- 15 bei 10,6 μπι vergleichbar geringe Dämpfung besitzt,

gungstemperatur und der Vibrationsschwingungstem- Der Wellenlängenbereich um 10,6 μηι herum, wird

peratur des Kohlendioxids zu erhöhen. Zu diesem allgemein als ein sogenanntes »atmosphärisches Fen-

Zweck wurde das Rohr 20 mit einem Kühlmantel 21 ster« bezeichnet.

umgeben, durch den ein Kühlmittel von einer Quelle 26 Beste Ergebnisse erhielt man bei Verwendung einer zu einem Abfluß 27 hindurchgeschickt wurde. Bei den 20 Gasmischung mit 0,33 Torr Kohlendioxiddruck, nachstehend im einzelnen beschriebenen Versuchen 1,0 Torr Stickstoffdruck und 6,0 Torr Heliumdruck, wurde Wasser bei 15°C als Kühlmittel verwendet, es Das Kühlmittel war Wasser bei 15°C. Jede der Quellen ; eignet sich aber auch jedes andere Kühlmittel, das in 13 lieferten 120 Milliampere Strom bei 4400 Volt, die der Lage ist, die Rotationsschwingungstemperatur des Leistung betrug daher etwa 1058 Watt. Mit der kali-Gases unter Raumtemperatur zu drücken, z. B. Me- 25 brierten Thermosäule wurde die Ausgangsleistung im thanol bei -78⁰C. Das Kühlmittel bestimmte die Dauerstrichbetrieb zu 133 Watt bestimmt. Der Ge-Wandtemperatur des Rohrs 20 und drückte daher die samtwirkungsgrad war 12,5 %·
Rotationsschwingungstemperatur des Kohlendioxids Nachstehend sind verschiedene Beispiele angegeben, herab. Es schien, daß die Vibrationsschwingungstem- von denen das Beispiel 8 das soeben beschriebene ist. peratur durch das Kühlmittel nicht nennenswert be- 30 Die nachfolgenden theoretischen Erwägungen beeinflußt wurde. ruhen zumindest teilweise auf diesen beobachteten

Zum Erhalt von Schwingungen ist es wesentlich, die Ergebnissen. Im linken Teil der F i g. 2 sind die rele-Wechselwirkungszone in einem optischen Resonator vanten Energiezustände von Kohlendioxid eingeunterzubringen. Beim in Rede stehenden Ausführungs- zeichnet. Die stimulierte Emission findet auf Grund beispiel wurde der Resonator durch ein Paar Spiegel 33 35 eines Übergangs von einem der Rotationsschwingungsund 34 gebildet; zur Vergrößerung des Schwingungs- energiezustände des O0°l-Vibrationsschwingungsenervolumens war der Spiegel 34 ein Konkavspiegel mit giezustands von Kohlendioxid auf einen der Rotations-50 m Krümmungsradius und der Spiegel 33 ein Kon- schwingungsenergiezustände des 10°0 - Vibrationsvexspiegel mit 48,5 m Krümmungsradius, so daß die schwingungsenergiezustands von Kohlendioxid statt gesamte Gasmischung innerhalb der Wechselwirkungs- 40 Im Mittelteil der F i g. 2 sind die im Zusammenhang zone für Laserwirkung ausgenutzt werden konnte. Für mit der Erfindung interessierenden Energiestufen von die insoweit erhaltenen besten Resultate wurde die Stickstoff dargestellt. Im rechten Teil der F i g. 2 sind Energie aus dem Resonator über eine in der Mitte des die interessierenden Energiestufen von Helium darge- \ Konvexspiegels 33 eingebrachte Öffnung von 15 mm stellt.

Durchmesser ausgekoppelt. Der Spiegelabstand betrug 45 Die Spannung der erzeugten Anregungsentladung 300 cm, und die Spiegel wurden in entsprechend ausge- reicht aus, das Helium praktisch vollständig zu ionibildeten Fassungen 36 bzw. 35 gehalten. Die Spiegel sieren. Die Ionisationsenergie von Helium ist 24,6 eV. waren bis zur Undurchlässigkeit mit Gold beschichtet, Nichtsdestoweniger geht ionisiertes Helium schnell in das im Vakuum niedergeschlagen wurde. Der Durch- metastabile Heliumatome über, deren Energie bei messer der Auskoppelöffnung kann sich von jeder 50 19,8 eV liegt. Die Energiedifferenz geht durch Fluorunteren Grenze bis zu 25 mm ändern, wobei immer eszenz und Erwärmung des Gases verloren. An dieser noch wesentlich verbesserte Resultate im Vergleich zu Stelle ist es wesentlich, zu bemerken, daß der Anteil des bekannten, zu Vibrationsschwingungen angeregten metastabilen Heliums, der von den Wänden des Rohrs Gasmischungen erhalten wurden. 20 ferngehalten werden kann, eine relativ lange

Das die Wechselwirkungszone begrenzende Rohr 20 55 Lebensdauer besitzt und atomaren Stickstoff ent-

der Ausführungsform nach F i g. 1 war ein Glasrohr, sprechend folgendem Wechselwirkungsprozeß erzeu-

obgleich hierfür auch andere Rohre vorgesehen werden gen kann:

können, z. B. ein Quarzrohr oder ein Rohr aus nicht- u.* _i_ ow h- „ _i_ ass „ m
leitendem Kunststoff. Das zwischen den Spiegeln 33 ^{He 19}'^{8 eV + 2N}* ~ ^He ° ^{eV + 4N19}'^{8 eV (1)}
und 34 verlaufende Glasrohr 20 hatte einen Innen- 60 Da die Dissoziationsenergie eines Stickstoffmoleküls durchmesser von 76,2 mm. Hinsichtlich der eigentlich genau gleich der Hälfte der Energie eines metastabilen wirksamen Wechselwirkungszone wurde beobachtet, Heliumatoms ist, läuft dieser Prozeß nahezu volldaß sich dieselbe zwischen den Eintrittsstellen des ständig ab und führt zu den oben beschriebenen beLeitungssystems 12 in das Rohr 20 erstreckte, sie war achtlichen Ausgangsleistungen und Wirkungsgraden, etwa 2,5 m lang. 65 Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß das bei 9,9 eV liegende

Stimulierte Emission wurde bei einer Reihe von Energieniveau von atomarem Stickstoff wesentlich

Wellenlängen erhalten, unter anderem bei den P-Zweig- oberhalb des Energiewertes des oberen Laser-Niveaus

Rotationsschwingungsübergängen P (14) bis P (26), in von Kohlendioxid liegt. Nichtsdestoweniger fallen die

Stickstoffatome im Rahmen einer Stufenprozeßreihe über höhere Vibrationsenergieniveaus und dann über die Energieniveaus v = 4, v = 3, ν = 2 und ν = 1 auf den Grundzustand von Stickstoff zurück, wobei jedes Mal auf die Kohlendioxidmoleküle genau derjenige Energiebetrag übertragen wird, der zur Anregung des 00⁰I Vibrationsschwingungsniveau erforderlich ist, das das obere Laser-Niveau ist. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Vibrationsschwingungsniveaus von ν = 1 bis ν = 4 hinsichtlich der Energie sämtlich äquidistant sind und daß auch das Niveau ν = 1 den gleichen Energieabstand vom nicht angeregten Grundzustand des Stickstoffs hat. Die Vibrationsschwingungsniveaus ν = 5 bis etwa ν = 40 liegen zwischen dem Niveau ν = 4 und dem Niveau des atomaren Stickstoffs und haben wenig Energie. Der Prozeß ist überraschend wirksam, weil nur ein kleiner Energiebetrag des Kaskadenübergangs verlorengeht. Die Erfindung liefert daher ein neuartiges wirksames Mittel zum Anregen des Energieniveaus bei 9,9 eV von atomarem Stickstoff.

Ferner erfordert das Rohr anschließend einen Innendurchmesser, der größer ist, als etwa 50 mm, damit kein nennenswerter Anteil des metastabilen Heliums, dessen Lebensdauer für eine Ionisierung des Stickstoffs groß genug ist, durch Stöße auf die Wand des Rohrs 20 deaktiviert wird. Die Druckverhältnisse sind für optimal günstige Wirkung des Heliums kritisch. Bei einer Abwandlungsform der Erfindung wird Stickstoffoxidul als das aktive Gas an Stelle von Kohlendioxid verwendet. Wegen der engen Übereinstimmung bestimmter Energieniveaus von Stickstoffoxidul, die für stimulierte Emission brauchbar sind, mit den entsprechenden Energieniveaus von Kohlendioxid, gelten alle im Vorstehenden im Zusammenhang mit Kohlendioxid gemachten Erwägungen auch bei Stickstoffoxidul. Vorausgegangene Versuche mit optischen Sendern oder Verstärkern mit Kohlendioxid und Stickstoffoxidul zeigen, daß diese Gase ausreichend ähnlich sind, so daß die brauchbaren Bereiche der Stickstoffoxiduldrücke in Kombination mit Stickstoff und Helium annähernd die gleichen sind, wie die entsprechenden Druckbereiche für Kohlendioxid. In ähnlicher Weise werden die brauchbaren Druckbereiche für Helium und Stickstoff annähernd die gleichen, wie die vorstehend beschriebenen sein.

Druck (Torr)

1	2	3	Beis 4	piele 5	6	7
0,5 2,5	0,2 1,0 4,67	0,35 1,0 5,0	0,4 1,0 3,5	0,35 1,00 4,00	0,33 1,0 5,0	0,33 1,0 5,0
10 15	10 15	H-» N) O) Ol	10 15	10 15	15 15	15 15
2700 2700	3800 3800	3800 3700	3800 4000	4000 3600	4800 3900	4700 4000
87 87	160 140	160 170	180 170	150 185	136 196	130 150
474	1140	1237	1124	1265	1415	1210
15,0 3,2	55,0 4,8	53,6 4,3	82,5 7,1	103 8,2	116 8,2	108 9,0

CO₂

N₂

He

Durchmesser der Öffnung im Spiegel

(in mm)

Kühlmitteltemperatur (in ⁰C)

Anregungsspannung:

Anregungsstrom:

Anregungsleistung:
W₁ -f W₂ (Watt) ..

Ausgangsleistung:
W₁ + W₂ (Watt) ...

Wirkungsgrad (in %)

4400
4400

1058

■ Bei allen Beispielen war die Zuflußgeschwindigkeit der Gasmischung 3 Liter/Sek., der Kühlmitteldurchfluß 37,8 Liter/Minute und die Kathoden-Gesamtheizleistung 200 Watt (je 100 Watt).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

i Oöb> U / U 1 2 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Patentansprüche: zu Vibrationsschwingungen angeregten Gas als stimu lierbarem Medium die Laser-Wirkung zu erhöhen und

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem größere Ausgangsleistungen zu erzielen,
stimulierbaren Medium aus einer Stickstoff und 5 Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch Kohlendioxid oder Stickstoff und Stickstoffoxidul gelöst, daß die Gasmischung bei dem eingangs geenthaltenden Gasmischung in einem Entladungs- nannten optischen Sender noch Helium enthält und rohr und mit einem optischen Resonator, der für daß der innere Durchmesser des Entladungsrohrs einen VibrationsschwingungS'/Rotationsschwin- mindestens 50 mm beträgt.

gungs-Übergang des gewählten Mediums in Reso- io Eine der Grundlagen der Erfindung ist die Ent-

nanzist,dadurch gekeηnzeichnet, daß deckung, daß metastabiles Helium ein wirksames

die Mischung noch Helium enthält und daß der Mittel zur Anregung von Stickstoff ist, um über diese

innere Durchmesser des Entladungsrohrs minde- Zwischenstation das obere Laser-Niveau 00⁰I von

stens 50 mm beträgt. Kohlendioxid zu besetzen. Während verbreitet er-

2. Optischer Sender oder Verstärker nach An- 15 kannt worden ist, daß Helium in einigen anderen spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partial- optischen Sendern oder Verstärkern mit stimulierdruck von Kohlenoxid oder Stickstoffoxidul zwi- barem Gasmedium ein wünschenswertes Hilfsgas ist, sehen 0,2 und 0,4 Torr, der Partialdruck des Stick- war es bisher nicht möglich, hiervon einen günstigen Stoffs zwischen 1,0 und 1,5 Torr und der Partial- Effekt in dem zu Vibrationsschwingungen angeregten druck des Heliums zwischen 3,0 und 10,0 Torr 20 System zu erhalten, bei dem Stickstoff als Energieliegt, transportgas und ein aus der Gruppe Kohlendioxid und

3. Optischer Sender oder Verstärker nach An- Stickstoffoxydul ausgewähltes Gas als aktives Gas spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein verwendet ist. Mit der Erfindung wird ein hoher Grad Druckverhältnis von Stickstoff zu Kohlendioxid einer günstigen Wechselwirkung erhalten, und zwar oder Stickstoffoxidul von 4:1 gewählt ist. 25 durch Reduzieren der Gefäßwanddeaktivierung von

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem metastabilem Helium auf einen kritischen Wert. Erder Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, reicht wird dies durch die Verwendung eines das gasdaß das stimulierbare Medium aus einer Helium- f örmige stimulierbare Medium umschließenden Rohrs, Kohlendioxid-Stickstoff-Mischung besteht und daß dessen Durchmesser zumindest 50 mm ist, wobei die der 00°l — 10°0 Übergang der Vibrationsenergie 30 Druckbereiche für Helium, Stickstoff und das aktive für die kohärente Strahlung bei 10,5915 μπι ge- Gas, für welche maximal günstige Wechselwirkung erwählt ist. halten wird, extrem eng und recht kritisch sind. Bei

einem Ausführungsbeispiel ist der Rohrdurchmesser

im eigentlichen Verstärkungsbereich zumindest 50 mm,

35 wobei der Druck des aktiven Gases zwischen 0,2 und 0,4 Torr liegt, ferner der des Stickstoffs zwischen 1,0

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sen- und 1,5 Torr und der des Heliums zwischen 3,0 und der oder Verstärker mit einem stimulierbaren Medium 10,0 Torr.

aus einer Stickstoff und Kohlendioxid oder Stickstoff Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich-

und Stickstoff oxidul enthaltenden Gasmischung in 40 nung beschrieben; es zeigt

einem Entladungsrohr und mit einem optischen Reso- Fig. 1 eine halbschematische Darstellung eines

nator, der für einen Vibrationsschwingungs-/Rota- Ausführungsbeispiels der Erfindung und
tionsschwingungs-Übergang des gewählten Mediums F i g. 2 ein Energieniveau-Schema zur Erläuterung

in Resonanz ist. der Erfindung.

Es ist bekannt (Applied Physics Letters, Bd. 6, Nr. 1, 45 Bei dem in F i g. 1 dargestellten optischen Sender S. 12 und 13), bei einem Laser ein Gasgemisch aus N₂ oder Verstärker mit gasförmigem stimulierbarem Me- und N₂O zu verwenden. Es ist ferner nicht mehr neu dium ist ein Rohr 20 vorgesehen, das die Wechsel-(Physical Review Letter, Bd. 13, Nr. 21, S. 617 bis wirkungszone umschließt und in der eigentlichen Ver-619), in einem Laser ein N₂ — CO₂ Gasgemisch zu Stärkungszone einen Durchmesser von zumindest verwenden. Der vorgenannten Literaturstelle ist auf 50 50 mm besitzt. Hieran angeschlossen sind Vorrichtun-S. 618 auch zu entnehmen, einen optischen Resonator gen zum Einführen und Aufrechterhalten der entzu verwenden, der für einen Vibrationsschwingungs- sprechenden Gasmischung sowie zum Anregen dieser Rotationsschwingungs-Übergang des gewählten Me- Gasmischung mit einer Gleichstromentladung bei diums in Resonanz ist. Ferner ist ein optischer Sender einer für eine Ionisation des Heliums ausreichend oder Verstärker mit Stickstoff als stimulierbarem Me- 55 hohen Spannung.

dium für kohärente Strahlung vorgeschlagen worden, Im einzelnen wurde hierzu die Gasmischung durch

welcher zur Erzeugung vorwiegend ultravioletter einen kontinuierlichen Durchfluß erzeugt, und zwar Strahlung Edelgas zu dem Stickstoff enthält, wobei der ausgehend von geeigneten Quellen 41, 42 und 43 für Edelgasdruck im Bereich von 10 bis 500 Torr liegt und Kohlendioxid, Stickstoff bzw. Helium. Die verschieder Stickstoffanteil nicht wesentlich mehr als 1 % be- ⁶° denen Gase wurden über Mischzonen 32 und ein Einträgt, laßleitungssystem 12 in die Wechselwirkungszone ein-

Mit derartigen Lasern kann eine stimulierbare gebracht, und die verbrauchten Gase wurden aus der Strahlungsemission bei Linienbreiten erhalten werden, Wechselwirkungszone mit Hilfe einer Pumpe 31 zu die allgemein kleiner sind als sie bei optischen Sendern einem Gasabfiuß 40 abgezogen,
oder Verstärkern mit stimulierbarem Festkörper- 65 Die Gasmischung wurde mit Hilfe einer elektrischen medium erhalten werden können. Die im Dauer-Be- Entladungseinrichtung angeregt, die der Einfachheit trieb erhältliche Ausgangsleistung ist aber Vergleichs- halber in einem Zweig des Einlaßleitungssystems 12 weise klein. untergebracht war. Im einzelnen wies die Entladungs-