DE1589984A1 - Einrichtung zur Erzeugung kohaerenter elektromagnetischer Strahlung - Google Patents
Einrichtung zur Erzeugung kohaerenter elektromagnetischer StrahlungInfo
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Description
703 BDBLINGEN/WDRTT. ■ 8INDELFINGEH STRASSE 49
Anmelder in :
Amtliches Aktenzeichen Aktenzeichen der Anmelderin
ή KQQQQA
Böblingen, 12. Dezember 1967 gg-ha
International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504 Neuanmeldung
YO 9-67-065
YO 9-67-065
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer
Strahlung mit einem über eine Pumpenergiequelle anregbaren Medium.
Es sind bereits Einrichtungen zur optischen Anregung organischer Medien
vorgeschlagen worden. Dabei wird das aktive organische Medium dadurch zur Strahlung angeregt, daß als Pumpenergiequelle ein Rubin-Laser verwendet
wird, da dieser die notwendige grosse Energie zur Anregung derartiger Medien hervorbringen kann. Es ist in diesem Zusammenhang auch bereits
als möglich erwähnt worden, anstelle des Rubin-Lasers eine andere, kohärentes
Licht abgebende Lichtquelle als Pumpenergiequelle zu verwenden. Es müssen dann jedoch die
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Bedingungen erfüllt sein, daß die Energie des Lichtes genügend hoch und die Anstiegszeit aus serordentlich gering ist.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Einrichtung zur Erzeugung
kohärenter elektromagnetischer Strahlung anzugeben, die eine möglichst einfache und billige Pumpenergiequelle benötigt, obwohl organische
Medien zur Strahlung angeregt werden sollen.
Gemäss der Erfindung wird eine Einrichtung derart vorgeschlagen, daß
ein längliches Resonanzgefässx das zur Strahlung anregbare Medium enthält
und als Pumpenergiequelle der zwischen dem Resonanzgefäss und
einem dieses umgebenden weiteren Gefäß gebildete Zwischenraum dient, der die Entladung sz one für einen angeschlossenen, kurzzeitig entladbaren
Kondensator bildet.
Insbesondere wird vorgeschlagen, daß das Resonanzgefäß aus einem Quarzzylinder besteht, den zur Bildung einer Entladungszone kreis ringförmigen
Querschnitts ein zweiter Quarzzylinder koaxial umgibt,
und daß die Entladungszone mit einem geeigneten Gas gefüllt ist. Weiterhin
wird vorgeschlagen, daß die Entladung des Kondensators durch Steuerung des Gasdruckes ausgelöst wird.
Eine möglichst kurze Anstiegszeit des Anregungsinapulses wird dadurch
Eine möglichst kurze Anstiegszeit des Anregungsinapulses wird dadurch
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erzielt, daß der der Pumpenergiequelle entsprechende äquivalente
R-L-C-Kreis im Gebiet kritischer Dämpfung betrieben ist. Als anregbares Medium wird organischer Farbstoff, insbesondere Xanthen-Farbstoff verwendet.
Vorteilhaft ist es, wenn der Anregungsimpuls aus der Pump energiequelle eine Anstiegszeit in der Grössenordnung von Zehntel Mikrosekunden und eine Energie von weniger als 100 J aufweist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemässen Einrichtung
ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen :
gekennzeichneten Ausschnitt,
gemässen Einrichtung dienende» Darstellungen der Energiezustände,
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Fig. 3 eine Absorptionskurve und eine Fluoreszenzkurve
für den Farbstoff Fluoreszein,
Fig. 4 den Verlauf der Intensität am Ausgang der Anregungs
quelle und der Strahlungsquelle und
Figuren 5 und 6 das Absorptionsvermögen in Abhängigkeit von der
Frequenz für zwei verschiedene Farbstoffe.
In Fig. 1 ist ein Quarzzylinder 2 dargestellt, dessen Wandstärke etwa
einen Millimeter beträgt. Die Stirnflächen des 10 cm langen Quarzzylinders sind mit Fenstern 4 und 6 abgeschlossen. Der anzuregende Farbstoff
wird über den Stutzen 3 in den Zylinder gefüllt. Zwei Spiegel m und m?
vervollständigen das Kernstück der Strahlungsquelle, wobei der Spiegel m total reflektiert und der Spiegel m teilweise durchlässig ist. Der
Quarzzylinder 2 ist koaxial von einem zweiten Quarzzylinder 8 umgeben, der etwas kürzer als der Zylinder 2 ist und eine Wandstärke von etwa 3
Millimeter aufweist. Auf diese Weise entsteht zwischen den beiden Quarzzylindern
eine kreisringförmige Entladungszone 10 mit einer Dicke von
etwa einem Millimeter. Zentral und koaxial zum äusseren Quarzzylinder 8 gelegen ist ein Plattenkondensator 12 angeordnet, der bei niedriger
Induktanz eine Kapazität von 0, 5 ,u F aufweist.
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An die Anschlüsse 14 und 16 des Kondensators 12 ist über die Leitungen 13 und 15 eine Hochspannungsquelle 17 angeschlossen,
die den Kondensator auflädt.
Kupferflansche 18 und 18' verbinden die Anschlüsse 14 und 16 über Flansche 17 und 19 mit zwei zugeordneten Ringelektroden 20 und
20' aus Wolfram. Ringe 22, 24 und 22', 24' dienen der Halterung der
beiden Quarzzylinder 2 und 8 und dichten die Entladungszone 10 ab.
Diese Entladungszone erhält eine geeignete Gasfüllung unter geeignetem
Druck, beispielsweise Luft unter einem Druck von 300 mmHg und Argon unter 100 mmHg. Der Gasdruck muss so gewählt sein, daß
die Zone 10 über der Entladungs schwelle gehalten wird. Über eine Röhre
26 steht eine nichtdargestellte Vakuumpumpe durch die im Flansch enthaltenen Kanäle 28 mit der Entladungszone 10 in Verbindung. Ist
der Kondensator 12 auf eine geeignete Spannung, beispielsweise 14 000 Volt aufgeladen, wird die Vakuumpumpe in Betrieb gesetzt und Gas aus der
Entladungs zone 10 abgepumpt. Sobald der Gasdruck etwa 60 mmHg beträgt, findet in der Entladungs zone 10 zwischen den Zylindern 2 und 8 eine
impulsförmige Entladung statt. Diese Entladung liefert die erforderliche Pumpenergie,
Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, ergibt sich aus dem Verlauf f der Aus-
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gangsintensität der Pumpenergiequelle, daß die Grundbreite des Anregungsimpulses etwa O, 9 M see. beträgt und daß die Spitze
etwa bei 0, 4 #u see. erreicht wird. Der Verlauf 1 der Intensität
der angeregten Ausgangs strahlung zeigt eine Grundbreite von etwa 0,7 /U see. Ausserdem ist diesem Verlauf zu entnehmen, daß die
Anregung bereits beginnt abzunehmen, bevor die Pumpenergie ihr Maximum erreicht. Zum Zwecke der Strahlungsanregung wird eine
hohe Energie und ein steiler Anstieg des Pumpenergieimpulses angestrebt. Die Fig. 4 zeigt, daß diese Bedingungen mit der beschriebenen
Einrichtung erreicht werden.
Im folgenden ist eine Aufstellung von Xanthen - Farbstoffen mit ihren
Lösungsmitteln angegeben. Weiterhin sind in dieser Aufastellung die molare Konzentration der gelösten Farbstoffe, die Schwellwerte
der elektrischen Eingang senergien und Ausgangsenergien und die Farbe der angeregten Strahlen enthalten.
Farbstoff Lösungs- Molare
mittel Konzentration
Schwell- Ausgangswerte d. energie
el. Eingangsenergie
el. Eingangsenergie
Farbe und Wellenlänge
Acridin | Äthyl | Äthyl | "ίο"4 |
rot | alkohol | alkohol | |
Rhodamin | Äthyl | . 4 10" |
|
alkohol O. | Jt | ||
Wasser | "Ίο-4 | ||
D2° | |||
Natrium - | |||
Fluoreszein Wasser D2° |
|||
Natrium - | |||
Fluores- |
16 J (8000V) ~
10 Milli J
orange
(6015&)
12 J (7000V) ~ Milli J gelb (5850Ä*)/
zein
Rhodamin Äthyl B alkohol
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10
36 J(12,000V) nicht gemessen
30J(11, 000V) ". MiUi J
12 J(7000V) 80MiUi J
12 J(7000V) 80MiUi J
grün (5500Jl)
grün (5500A*) rot - orange
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Ee zeigt sich, daß der Farbstoff bereits mit einer Pumpenergie
von weniger als 12J zur Strahlung angeregt werden kann. Der in der Aufstellung angegebene Schwellwert (36J) stellt immer noch
eine relativ kleine Pumpenergie dar.
Es sei nunmehr auf die Fig. 2 verwiesen, die dem Verständnis der
Strahlungsanregung bei Xanthen-Färb stoffen dient. Der grösste Teil
der in der Entladung s zone 10 entstehenden Pumpenergie wird vom Farbstoff absorbiert. Dadurch erfolgen Übergänge der Farbstoff -
moleküle vom untersten Energieband S des Grundzustandes in ver-
■~5η
schiedene Energiebänder S' , S' * ,/bis ö . höher angeregter.
Nachfolgende nichtstrahlende Übergänge bringen dann alle Moleküle
in das unterste Energieband S' des ersten angeregten Zustandes. Eine stimulierte Emission erfolgt bei einem Übergang vom Energieband
S' . auf angeregte Energieniveaus des Grundzustandes. Infolge der bekannten Franck-Condon-Verschiebung wird die Ausgangswellenlänge
vom Gebiet maximaler Absorption (bei Fluoreszein etwa 4940 A) nach 5270 A verschoben, so daß ein günstiges Gewinn/Verlust-Verhältnis
erzielt wird.
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Beim hier betrachteten Vorgang sind angeregte Singulett-T riplett-Ubergänge
unerwünscht, da durch sie die Besetzung des ersten Energieniveaus des ersten angeregten Singulett-Zustandes S' vermindert wird
und folglich auch die Besetzungsumkehr zwischen diesem Zustand und
den verschiedenen angeregten Energieniveaus des Singulett-Grundzustandes
reduziert wird.
^ Von noch grösserer Bedeutung ist, daß die sich im Triplett-Zustand T
befindlichen Moleküle dazu neigen, eine Absorption hervorzurufen, durch
die der mit einer starken Besetzung im Energieband S' verbundene Gewinn vermindert wird. Es besteht die Notwendigkeit für eine sehr
rasche Pumpenergie-Anregung, da eine bestimmte Anzahl angeregter Moleküle im untersten Triplett-Zustand T (siehe Fig. 7) anfallen wird.
Dieser Zustand ist metastabil, da während der notwendigen Zeitdauer des Anstieges der Pumpenergie bis zum Maximalwert ein nichtstrahlender
Abfall vom untersten angeregten Zustand S' erfolgt. Allgemein sind
Übergänge vom untersten Triplett-Zustand T zu den höheren Triplett-Zuständen
T' , T' ' bis T bevorzugt zugelassen. Diese Übergänge können im gleichen Spektralgebiet erfolgen, in welchem auch das Singulett-Singulett-Fluoreszenzmaximum
liegt. Die während der Zeit, in der die Besetzungsdichte des ersten angeregten Singulett-Zustandes auf den Wert
n.(invertierte, an der Schwelle erforderliche Besetzung pro Volumeneinheit)
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ansteigt, erreichte Besetzungsdichte η des Triplett-Zustandes
kann tatsächlich einen Gesamtverlust hervorrufen, der an-de-»· eine
Strahlungsanregung unmöglich macht. In diesem Zusammenhang ist eine genaue Kenntnis der relativen Stärke der Triplett-Triplett-Übergänge
und der Singulett-Singulett-Übergänge sehr wesentlich. Obwohl Triplett-Triplett-Spektren bis jetzt nur für relativ wenige organische
Moleküle bestimmt wurden, sind von Zanker und Miethke für eine Anzahl
von Farbstoff-Moleküle bereits hervorragende Untersuchungen vorgenommen
worden (siehe Figuren 5 und 6).
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen dienen im folgenden als Richtlinien.
Fig. 5 zeigt ein Singulett-Singulett-und Triplett-Triplett-Absorptionsspektrum
von Acr-tdin Orange bei -183 C und Fig. 6 zeigt ein ähnliches
Absorptionsspektrum für Fluoreszein.
An Hand der Figuren 5 und 6 lässt sich abschätzen, daß bei einer dem Fluorezenzmaximum entsprechenden Frequenz die absolute Grosse
des Verlustes infolge von Triplett-Triplett-Übergängen etwa l/lO des
Gewinnes infolge von Singulett-Singulett-Übergängen betragen würde, wenn
im untersten Triplett-Zustand und im ersten angeregten Singulett-Zustand
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gleiche Besetzungen vorherrschen würden. Es zeigt sich, daß ;
das Fluoreszenzmaximum etwa 1000 cm zur langwelligen Seite
des Singulett-Singulett-Absorptionsmaximums hin liegt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die in den Figuren 5 und 6 dargestellten
Spektren bei -183 C auf genommen wurden; die entsprechenden Spektren bei Raumtemperatur wären beträchtlich breiter und würden sich mehr
überlappen. In einem bestimmten Fall sei angenommen, die Pumpenergie steige linear mit der Zeit an und erreiche ihren Maximalwert
™ nach etwa 0, 5 ,n see. Nimmt man weiterhin an, der Maximalwert der
Energie der Strahlenquelle entspreche dem Schwellwert der Pumpenergie
P, so ist die Dichte η der sich im Triplett-Zustand befindenden
Moleküle (n./4) k , χ 10 , wobei k , die Abfallrate der nichtl ο χ ST
strahlenden Übergänge vom ersten angeregten Singulett-Zustand S'
in den Triplett-Zustand T entspricht. Setzt man einen Wirkungsgrad
der Fluoreszenz des Farbstoffes von 90 % voraus, vernachlässigt man
die nichtstrahlenden Übergänge zwischen dem ersten angeregten Singulett- | Zustand und den Grundzuständen und nimmt man schliesslich eine Standzeit
der Fluoreszenz von 5 Nanosekunden an, so erhält man für k ,
ο Τ
etwa einen Wert von 2x10 /see. . Für η ergibt sich dann ein Wert
von 5n.; der Triplett-Triplett-Verlust ist gleich der Hälfte des Singulett-Singulett-Gewinnes.
Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich also I ein Grenzfall. Um die Notwendigkeit einer wesentlich über den theoretisch
möglichen Minimum liegenden Pumpenergie sicher zu vermeiden, sollte
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die Anstiegszeit der Pumpenergiequelle nicht über eineigen Zehnteln
Mikrosekunden liegen. Ein Hochleistungs-Rubin-Laser weist eine
Anstiegszeit von 10 Nanosekunden auf, was ein Grund dafür ist, daß
mit ihm infrarotstrahlende Farbstoff-Las er angeregt werden können.
Das wesentlichste Ergebnis der hier angestellten Überlegungen ist
daher, daß eine Strahlenquelle, die Strahlen mit einer Energie in einer Grössenordnung von 100 kW liefert und die diese Energie innerhalb weniger Zehntel /u/sec. erreicht, eine geeignete Pumpenergiequelle zur i
Anregung von sogenannten organischen Farbstoff-Lasern darstellt.
Obwohl sämtliche mit der bier beschriebenen erfindungsgemässen
Strahlenquelle anregbaren Farbstoffe zur Gruppe der Xanthen-Farbstoffe gehören, soll diese Tatsache keine Beschränkung der Erfindung
darstellen. Wie bereits ausgeführt, sind für die Anregbarkeit von Farbstoffen folgende Punkte wesentlich:
Die nichtstrahlende angeregte Singulett-Triplett-Abfallrate und ebenso
das Verhältnis von Triplett-Triplett zu Singulett-Singulett-über gangs-Wahrscheinlichkeiten müssen gering sein. Die für die Anregbarkeit eines
Farbstoffes notwendige Bedingung bei vorgegebener Anstiegszeit des Anregungsimpulses ergibt eich aus der nachstehenden Ungleichung
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KSlT TT'
Dabei ist «V die Anstiegszeit des Anregungsimpulses und E oo,
ρ oo
und J, , stellen das molare Absorptionsvermögen der Singulett-Singulett-Übergänge
und der Triplett-Triplett-übergänge bei einer Frequenz dar, bei der die Laserwirkung auftritt. Führt man die Grosse
des Fluoreszenzwirkungsgrades φ des Farbstoffes ein, so kann der
Ausdruck (1) geschrieben werden als
βττ·
In diesem Ausdruck stellt T die Abklingzeit der Fluoreszenz dar.
Ein weiterer Vorteil des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Strahlungsquelle besteht darin, daß der an
einem dünnwandigen Quarzzylinder untergebrachte Farbstoff den gegen die Wandung des Quarz Zylinders ausgeübten Druck aufnimmt, wenn in
Lad,
der kreisringförmigen Entfwmungszone 10 eine Entladung stattfindet.
der kreisringförmigen Entfwmungszone 10 eine Entladung stattfindet.
Ein möglichst dünnwandiger Zylinder 2 ist erstrebenswert, da auf diese
Weise möglichst wenig der dem Farbstoff zuzuführenden Pumpenergie verloren geht. Die Querschnittsfläche der Entladungszone 10 wird kleingehalten,
beispielsweise in der Grössenordnung O, 3 cm , damit der äquiva-
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lente R-L-C-Kr"eis der Strahlungsquelle etwa im Gebiet der kritischen
Dämpfung betrieben wird. Um auch die Induktivität der Strahlungsquelle
möglichst gering zu halten, sollte sich der Durchmesser der Kupferzylinder 18 und 18' möglichst wenig vom Durchmesser der kreisringförmigen
Entladungszone 10 unterscheiden.
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Claims (7)
1. Einrichtung zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer
Strahlung mit einem über eine Pumpenergiequelle anregbaren Medium, dadurch gekennzeichnet, daß ein längliches Resonanzgefäss
das zur Strahlung anregbare Medium enthält und als Pumpenergiequelle der zwischen dem Resonanzgefäss und einem
dieses umgebenden weiteren Gefäß gebildete Zwischenraum dient, der die Entladungszone für einen angeschlossenen, kurzzeitig
entladbaren Kondensator bildet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzgefäß aus einem Quarzzylinder (2) besteht,
den zur Bildung einer Entladungszone (10) kreisringförmigen Querschnitts ein zweiter Quarzzylinder (8) koaxial umgibt,
und daß die Entladungszone (10) mit einem geeigneten Gas gefüllt
ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung des Kondensators (12) durch Steuerung des Gasdruckes
ausgelöst wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Pumpenergiequelle entsprechende äquivalente R-L-C-Kreis
im Gebiet kritischer Dämpfung betrieben wird.
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5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das anregbare Medium aus einem organischen Farbstoff besteht.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anregbare Medium aus einem Xanthen -Farbstoff
besteht.
7. ' Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anregungsimpuls aus der Pumpenergiequelle eine Anstiegszeit in der Grössenordnung von Zehntel MikroSekunden
und eine Energie von weniger als 100 J aufweist.
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