DE1910784A1 - Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlen - Google Patents

Description

Eastman Kodak Company, 343 State Street, Rochester, Staat New York, Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlen, bei dem ein in einem Hohlraumresonator befindliches, aus in einem praktisch optisch transparenten iVirtsmaterial dispergierten, organischen Farbstoffen bestehendes Lasermedium mit Hilfe einer Strahlungsenergie der verschiedensten Wellenlängen ausstrahlenden Energiepumpquelle bestrahlt wird sowie die.in dem Lasermedium erzeugten V/eilen reflektiert und schließlich aus dem Hohlraumresonator austreten gelassen werden. Die Erfindung betrifft ferner .ein Lasermedium zur Durchführung des Verfahrens .

Als Laser (Akronym für "light amplification by stimulated emission of radiation") oder optischer Maser (Akronym für "microifave amplification by stimulated emission of radiation") wird bekanntlich eine Vorrichtung bezeichnet, in der ein als Laserstoff bezeichneter strahlungsempfindlicher Stoff durch von außen zugeführte Strahlungsenergie zur Erzeugung einer kohärenten Strahlung hoher Intensität sowie extrem enger Bandbreite in Form eines scharf gebündelten, als

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"Laserstrahl" bekannten Strahles angeregt wird. Die vom Laserstoff emittierte Laserstrahlung \ieist immer eine· längere Wellenlänge auf als die absorbierte, in der Regel als sog. "Pumpenergie" bezeichnete Anregungsstrahlung. Während des sog. "Pumpens" absorbieren einige Elektronen des Laserstoffes Energie und werden dadurch temporär aus ihrem normalen Grundzustand auf höhere Energieniveaus angehoben. Die auf diese Weise angeregten Elektronen kehren jedoch unter Freisetzung der absorbierten Pumpenergie in Form von Photonen oder Lichtquanten rasch in ihren energiearmen Grundzustand zurück. Ein bei diesem Vorgang spontan ausgestrahltes Photon kann den Übergang anderer angeregter Elektronen in ihren Grundzustand ψ unter vorzeitiger Emission weiterer Photonen auslösen. Dieser Vorgang wird als "Anregungsemission" (stimulated emission) bezeichnet. Sobald innerhalb des Laserstoffes genügend Elektronen durch Absorption von Pumpenergie auf einen höheren Energiezustand angehoben sind, erfolgt die Anregungsemission lawinenartig. Die dabei ausgestrahlten Photonen werden mit Hilfe von in einem Hohlraumresonator angeordneten Spiegeln durch das den Laserstoff enthaltende Lasermedium hin und her reflektiert, so daß die lawinenartig erfolgende Photonenemission erhöht und die Intensität der Strahlung unter Erzeugung eines Laserstrahles, der aus dem Hohlraumresonator austreten gelassen wird, gesteigert wird.

' Während Laserstrahlen ursprünglich nur von wissenschaftlichem Interesse für damit befaßte Fachleute war^Tiaben sie in den letzten Jahren eine große wirtschaftliche Bedeutung erlangt. So können z, B. die unter Erzeugung hoher Energiedichten scharf fokusäerbaren Laserstrahlen zum Bohren, Schweißen und Schneiden selbst der härtesten bisher bekannten Materialien verwendet werden. Ferner haben Laserstrahlen aufgrund ihrer extrem hohen Frequenz eine fast unbegrenzt hohe Kapazität für Informationsübermittlungen auf dem Gebiete des Nachrichtenwesens.

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Ferner hat sich die Verwendung von nach dem Kollimationsprinzip angeordneten und intensiven Laserstrahlen zur Durchführung extrem genauer Meß- und Kontrollmethoden, z. B. zum Zwecke des Messens, Ausrichtens und Überwa^chens, auf zahlreichen Gebieten der Wissenschaft, Technologie und Medizin als vorteilhaft erwiesen.

Zur Durchführung der bekannten Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlen haben sich Laserstoffe des verschiedensten Typs» sowohl Gase als auch z. B. seltene Erden und organische Farbstoffe, und zwar sottfohl in ionogener als auch in molekularer oder kombinierter Form, als geeignet erwiesen. Derartige Laserstoffe werden zweckmäßig in Kombination mit den verschiedensten sog. "Wirtsmaterialien", die gegenüber Strahlung des vom Laserstoff absorbierten sowie emittierten Wellenlängenbereichs optisch transparent sind, in Form von sog·. Lasermedien verwendet. Mit Hilfe verschieden zusammengesetzter, gasförmiger, fester sowie flüssiger Lasermedien können Laserstrahlen der verschiedensten Wellenlängen erzeugt werden. Nachteilig an den bekannten Lasern ist jedoch deren unzureichende Leistung und Energieausbeute sowie die damit verbundene mangelnde Wirtschaftlichkeit.

Die bekannten Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlen arbeiten mit extrem geringem Nutzeffekt, da die erforderliche Pumpenergie um mehrere Größenordnungen höher liegt als die zu erzielende Energie des erzeugten Laserstrahles. Dieses große Mißverhältnis zwischen Energiezufuhr und -auslMJro^{1 lun}2 ist teilweise darauf zurückzuführen, daß die bekannten Laserstoffe nur einen relativ geringen Anteil des von der Energiepumpquelle ausgestrahlten V'ellenlängenbereichs zu absorbieren vermögen. Ferner wird dieser nur ein schmales Band des von der Energiepumpquelle ausgestrahlten Spektrums ausmachende Strahlungsanteil oftmals praktisch vollständig nur an der Oberfläche des Lasermediums absorbiert, so daßder im Innern

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des Lasermediums befindliche Laserstoff bis zu einem hohen Prozentsatz durch die Pumpstrahlung überhaupt nicht angeregt wird.

Es hat sich ferner als nachteilig erwiesen, daß die vorteilhafte Laserstoffe darstellenden organischen Farbstoffe nur in Kombination mit flüssigen Wirtsmaterialien sowie nur bei Bestrahlung mit sehr kostenaufwendigen, an ultravioletter Strahlung reichen Blitzlichtlampen in vorteilhafter Weise verwendbar sind, da die ultraviolette Strahlung zu einem hohen Prozentsatz von derartigen Laserstoffen, nicht jedoch von den verwendeten flüssigen Wirtsmaterialien, absorbiert wird. In jüngster Zeit zeigte sich, daß organische Farbstoffe in vorteilhafter Weise auch mit bei Zimmertemperatur festen Wirtsmaterialien aus Kunststoffen zu billig herstellbaren Lasermedien verarbeitbar sind. Derartige feste Lasermedien besitzen jedoch den Nachteil, daß das aus Kunststoff bestehende Wirtsmaterial ultraviolette Strahlung absorbiert, so daß die Leistungsfähigkeit des aus organischen Farbstoffen bestehenden Laserstoffes, das heißt dessen Fähigkeit zur Erzeugung von Laserstrahlen, stark vermindert wird.

Nach den bekannten Verfahren können somit organische Vei>indungen bestimmten Typs, z. B. organische Farbstoffe, wie sie beispielsweise von Sorokin und Lankard in dem Artikel ' "Flashlamp Pumped Organic Dye Lasers", IBM Journal H) , (1966), Seite 16 2, beschrieben werden, oder metallorganische Chelatverbindungen, wie sie z. B. von Lempicki und Samelson in dem Artikel "Liquid Lasers", Scientific American, Juni 1967, Seiten 81 bis 89, beschrieben werden, in Form von festen Lasermedien mit Kunststoffen als Wirtsmaterial nur unter Vergleichsweise geringen Energieausbeuten verwendet werden. Es wurde auch bereits versucht, Strahlung einer

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anderen als der vom Laserstoff absorbierten Wellenlänge in der Weise zu nutzen, daß außen um einen stabförmig ausgebildeten Rubinlaser ein fluoreszierender Stoff angeordnet wurde, wie dies z. B. von Thompson in dem Artikel "Fluorescence Pumping of Lasers", Technical Progress Report 365 (U.S. Naval Ordnance) April 1964, beschrieben x^ird. Auch diese Anordnung hat £doch den Nachteil, daß die von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlungsenergie in nachteiliger Weise nur an der Oberfläche des Lasermediums abstforbiert. wird und zu einem hohen Prozentsatz durch Streuung oder unerwünschte Absorption durch das Wirtsmaterial verloren geht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, nach dem Laserstrahlen unter Verwendung von vergleichsweise billigen organischen Farbstoffen, gegebenenfalls unter Verwendung von festen Kunststoffen als Wirtsmaterial, unter Erzielung einer durch besonders gute Nutzung des von der Energiepumpquelle ausgestrahlten Spektrums sowie durch Anregung auch der im Innern des Lasermediums befindlichen Laserstoffe bedingten stark verbesserten Energieausbeute in besonders vorteilhafter und wirtschaftlicher Weise erzeugt werden können.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die angegebene Aufgabe in besonders vorteilhafter Weise dadurch lösbar ist, daß dem Lasermedium neben dem .Laserfarbstoff, d. h. demjenigen Farbstoff, dessen Elektronen unter Absorption von Pumpenergie auf ein höheres Energieniveau angehoben werden und unter Emission von Photonen nach kurzer Zeit wieder in den Energiegrundzustand zurückfallen, noch mindestens ein weiterer, als Pump-Färbstoff bezeichneter Farbstoff einverleibt wird, der Strahlung einer kürzeren als der vom Laserfärbstoff absorbierten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie Strahlung der vom Laserfarbstoff absorbierten

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Wellenlänge emittiert und auf diese V/eise als zusätzliche "innere" Strahlungsquelle wirkt. Absorbiert z..B. ein einen infraroten Laserstrahl erzeugender Laserfarbstoff Licht im roten Bereich des von einer weißes Licht mit relativ breitem Emissionsband erzeugenden Blitzlichtlampe ausgestrahlten Spektrums, so wird nach dem Verfahren der Erfindung die Wirksarokeit dieses Laserfarbstoffes in vorteilhafter Weise durch einen Pump-Farbstoff verbessert, der rotes Licht erzeugt, selbst aber z. B. Licht im gelben Bereicn des von der Blitzlichtlampe ausgestrahlten Strahlungsspektrums selektiv absorbiert. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß ein Teil der nach den bekannten Verfahren ungenutzten Pumpstrahlung in vorteilhafter Weise unter Verbesserung der Energieausbeute für den Laserfarbstoff nutzbar gemacht und ferner wird die Wirksamkeit des Laserfarbstoffes dadurch gesteigert, daß die vom Pumpfärbstoff absorbierte Strahlung nach Umwandlung in Strahlung eines vom Laserfarbstoff absorbierbaren Wellenlängenbereichs auch in das Innere des Lasermediums emittiert und dadurch aucli denjenigen Laserfarbstoffmolekülen zugänglich wird, die von der Strahlung der außerhalb des Lasermediums angeordneten Energiepumpquelle nicht erreichbar sind.

Zur v/eiteren Steigerung des Nutzeffektes können erfindungsgemäß dem Lasermedium mehr als ein Pumpfarbstoff einverleibt werden. Ein zweiter derartiger Pump-Farbstoff absorbiert z.B. ™ zweckmäßig Licht einer noch kürzeren als der vom ersten Pumpfarbstoff absorbierten Wellenlänge und erzeugt entx^eddr Strahlung der vom Laserfarbstoff absorbierten oder der vom ersten Pump-Farbstoff absorbierten Wellenlänge, wobei im letzteren Fall eine kaskadenförmige Nutzung der Pumpenergie erfolgt. Wird daher, um beim angegebenen Beispiel zu bleiben, einem einen rotes Licht absorbierenden sowie einen infraroten Laserstrahl erzeugenden Laserfarbstoff enthaltenden Lasermedium ein zweiter Pump-Farbstoff zugesetzt, der Licht im blaugrünen

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Bereich des von der Blitzlichtlampe ausgestrahlten Spektrums absorbiert, so kann dieser in gleich vorteilhafter Weise entweder rotes, für den Laserfarbstoff absorbierbares Licht, als auch gelbes, für den ersten Pump-Färbstoff absorbierbares Licht emittieren.

Erfindungsgemäß können somit Laserstrahlen höherer Intensität erzeugt werden, ohne daß die Intensität der ausserhalb des Lasermediums angeordneten Energiepumpquelle erhöht sowie ohne daß eine an ultravioletter Strahlung reiche Energiepumpquelle verwendet werden muß, Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens

dadurch zur Erzeugung von Laserstrahlen wird daher erfindungsgemäß stark verbessert, daß auch Energiepurapquellen, die nur Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums ausstrahlen, in vorteilhafter Weise verwendbar sind, daß ferner die von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Energie besser genutzt wird, daß sowohl außerhalb als auch innerhalb des Lasermediums Anregungsenergie "gepumpt" liird, so\iie daß als Laserstoffe vergleichsweise billige organische Farbstoffe, die sowohl in Form von flüssigen, gegebenenfalls durch Wärmeaustauscher zirkulierenden Lasermedien, als auch in Form von festen, Kunststoffe als iVirtsmaterial enthaltenden Lasermedien verwendbar sind, geeignet sind.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von" Laserstrahlen, bei dem ein in einem Hohlraumresonator befindliches, aus in einem praktisch optisch transparenten Wirtsmaterial dispergierten organischen Farbstoffen bestehendes Lasermedium mit Hilfe einer Strahlungsenergie der verschiedensten Wellenlängen ausstrahlenden Energiepurapquelle bestrahlt wird sowie die in dem Lasermedium erzeugten Wellen reflektiert und schließlich aus dem Hohlraumresonator austreten gelassen werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Lasermedium bestrahlt, das als organische Farbstoffe enthält;

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(1) mindestens einen sogenannten Laserfarbstoff, der von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer bestimmten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie kohärente monochromatische Strahlung einer längeren als der absorbierten Wellenlänge in Form eines Laserstrahles emittiert sowie

(2) mindestens einen sogenannten Pump-Farbstoff, der von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer kümeren als der vom Laserfarbstoff absorbierten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie Strahlung der vom Laserfarbstoff absorbierten Wellenlänge emittiert.

W Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Lasermedium zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus in einem praktisch optisch transparenten Wirtsmittel dispergierten organischen Farbstoffen, das gekennzeichnet ist durch einen Gehalt an

mindestens
(1)/einem sogenannten Laserfarbstoff, der von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer bestimmten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie kohärente monochromatische Strahlung einer längeren als der absorbierten Wellenlänge in Form eines Laserstrahles emittiert, sowie

(2} mindestens einem sogenannten Pump-Farbstoff, der von der " Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer kürzeren

als der vom Laserfarbstoff absorbierten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie Strahlung der vom Laserfarbstoff absorbierten Wellenlänge emittiert.

Die Erfindung wird durch die beigefügte Zeichnung näher veranschaulicht, in der darstellen:

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Fig. 1 eine vereinfacht dargestellte Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlen unter Verwendung eines festen Lasermediums und

Fig. 2 eine vereinfacht dargestellte Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlen unter Verwendung eines flüssigen Lasermediums.

Das in Fig. 1 dargestellte, stabförmig ausgebildete feste Lasermedium 10 wird von einer schraubenförmig ausgestalteten. Blitzlichtlampe 12, die durch die Elektroden 13 mit einer geeigneten Energiequelle verbunden werden kann, umgeben. Bei der Blitzlichtlampe 12 kann es sich um eine übliche bekannte Energiepumpquelle mit einer extrem kurzen Aufladungszeit (rise-time), die einen extrem hellen, rasch den Gipfel erreichenden Cfast-peaking) Blitz erzeugt, handeln. Die von der Blitzlichtlampe 12 erzeugte Strahlung wird von dem im Lasermedium 10 vorhandenen Laserstoff absorbiert, wobei Elektronen des Laserstoffes auf einen höheren Energiezustand angehoben werden. Die auf diese Weise angeregten Elektronen kehren sodann unter Emission von Photonen in ihren Grundzustand zurück. Die freigesetzten Photonen werden durch die Spiegel 14 und 16 mehrmals durch das Lasermedium TO reflektiert, wobei sie die vorzeitige Emission weiterer Photonen auslösen, so daß dieser Vorgang schließlich lawinenartig abläuft. Der Spiegel 16 ist partiell durchlässig ausgebildet, so daß ein Teil der lawinenartig freigesetzten Photonen unter Bildung eines Laserstrahles durch ihn hindurchtritt.

Das in Fig» 2- im Schema dargestellte Lasermedium 20 liegt in flüssiger Form in einem in geeigneter Weise ausgestalteten, transparenten Behälter 22 iror_e 3®r Behälter 22 weist Expansionsbiraen 24 &n£_B die ihn vor Beschädigungen durch thermische Stoßwellen ρ die £a dem flüssigen Lsssrmedii® 20 durch die Blitzliclitsr werisrsaefet ϊ·τθγ<Ι®κ_& sciifits©n₀ Gegebenenfalls

können die Expansionsbirnen 24 in üblicher bekannter Weise, an ein in der Fig. 2 nicht gezeigtes Leitungssystem, durch das das Lasermedium zu Kühl- und anderen Zwecken zirkuliert werden kann, angeschlossen sein. Bei der dargestellten Anordnung wird die Pumpenergie durch eine aus zahlreichen, in geeigneter Weise um den Behälter 22 angeordneten und durch die Elektroden 27 an eine Energiequelle anschließbaren Röhren 26 bestehende Blitzlichtlampe geliefert. Der Trollständig reflektierende Spiegel 28 sowie der partiell durchlässige Spiegel 30 bewirken in der angegebenen lieise die Reflektion der freigesetzten Photonen durch das Lasermedium. Sobald das Stadium des lawinenartigen Anstiegs der Photonenemission erreicht ist, tritt ein Teil der emittierten Photonen in Form eines Laserstrahles aus dem Laser aus.

Das in Fig. 1 dargestellte Lasermedium 10 besteht aus Laserund Pump-Färbstoffen, die in einem bei Zimmertemperatur festen Träger-oder "Wirtsmaterial¹¹ dispergiert sind. Demgegenüber ist das Wirtsmaterial des in Fig. 2 dargestellten Lasermediums bei Zimmertemperatur flüssig. In beiden Fällen dient das Wirtsmaterial dazu, den Laserfärbstoff in der Weise zu verteilen, daß dessen Elektronen in der angegebenen Weise die von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung absorbieren sowie in vorteilhafter Weise Photonen der Laserstrahlwellenlänge emittieren können. In vorteilhafter Weise ist das Wirtsmaterial gegenüber Strahlung der vom Laserfarbstoff sowie von den Pump-Farbstoffen absorbierten sowie emittierten Wellenlänge praktisch optisch transparent.

Die Versorgung des Lasermediums mit Pumpenergie kann in üblicher bekannter Weise durch elektrischen Strom₉ durch Elektronenbestrahlung oder durch Photonenbestrahlung,, d» he Belichtung, erfolgen. Als besonders vorteilhaft feat sich der letztgenannte Typ der Energiezuführung erwiesen» Für kontinuierlich emittierende Laser werden zum optischen Pumpen in

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der Regel Quecksilber- oder Xenon-Bogenlampen, oder auch energiereiche Wolfram-Glülifadenlampen verwendet. Pulsierend emittierende Laser werden in der Regel mit Hilfe von Xenon-Blitzlichtlampen optisch gepumpt. Bei den in den Fig. 1 und dargestellten Laseranordnungen kann der Einfahheit halber angenommen werden, daß es sich um pulsierend emittierende Laser handelt und daß die Lampen 12 und 26 Xenon-Blitzlichtlampen sind, die praktisch tfeißes Licht mit einem breiten Strahlungsspektrum emittieren.

Die in den Lasermedien nach der Erfindung vorliegenden Pump-Farbstoffe werden nach ihren Absorptions- und Emissionseigenschaften ausgewählt. Die Pump-Färbstoffe absorbieren, wie bereits erwähnt, Strahlung einer Wellenlänge, die der Laserfarbstoff nicht zu absorbieren vermag und mindestens einer der vorhandenen Pumpfarbstoffe, der als "erster" Pumpfarbstoff bezeichnet werden soll, emittiert Strahlung einer Wellen· länge, die der Laserfarbstoff zu absorbieren vermag. Der "zweite", "dritte" und jeder folgende Pump-Färbstoff kann entweder Strahlung einer Wellenlänge, die der Laserfarbstoff absorbiert, oder Strahlung einer Wellenlänge, die einer der anderen vorliegenden Pump-Färbstoffe absorbiert, emittieren, wie durch das folgende Schema erläutert wird:

Pump- kombi- nation	Farbstoffe	Absorptions- wellen länge	Emissions- wellen länge	Blitzlicht lampen- spelctrum enthält
1. Einfach- system	Pumpfarbstoff Laserfarbstoff	X1 X3	X3 XL	X1- X3
2. Mehrfach-1. Pumpfarbstoff system 2. Pumpfärbstoff additiv Laserfarbstoff	X1 X2 X3	X3 X3 XL	X1-X2-X3
3. IIehrfach-1. Pumpfarbstoff system 2. Pumpfärbstoff kaskaden-Laserfärb stoff	X1 X2 X3	X2 . X3 XL	X1-X2-X3

förmig

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"Ιί"

4. Mehrfach- 1. Pumpfarbstoff λ1 X2

system 2. Pumpfarbstoff X2 λ4 ιΐ ι? X^ χ4

kombiniert 3. Pumpfarbstoff λ3 λ4

Laserfarbstoff λ4 XL

Aus dem angegebenen Schema ergibt sich, daß das Energiepumpsystem sowohl additiv als auch kaskadenförmig oder in kombinierter Weise wirken kann. In jedem Falle wird* dem Laserfärbstoff ein größerer Anteil der zur Verfügung stehenden Pumpenergie nutzbar äs dies bei bekannten Verfahren der Fall ist, da sowohl ein größerer Anteil der von der außerhalb des Lasermediums angeordneten Energiepumpquelle emittierten Strahlung vom Lasermedium absorbiert und innerhalb des Lasermediums in Anregung?strahlung für den Laserfärbstoff umgewandelt, als auch ein größerer Anteil des vorhandenen Laserfarbstoffes, ■ nämlich auch die im Innern des Lasermediums vorliegenden Laserfarbstoffmoleküle, von Anregungsstrahlung getroffen wird.

Zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung sind praktisch alle Kombinationen von Laser- und Pump-Färbstoffen geeignet, sofern die verwendeten Farbstoffe bei den angewandten pH- und sonstigen Verfahrensbedingungen stabil und miteinander verträglich sind und \tf-eder miteinander noch mit dem Wirtsmaterial reagieren. Selbstverständlich muß der verwendete Laserfarbstoff zur Umwandlung der absorbierten Pumpenergie in Laserstrahlung befähigt sein, wohingegen die verwendeten Pump-Farbstoffe nicht notwendigerweise auch Laserfarbstoffe sein müssen.

Typische geeignete Laserfarbstoffe sind z. B. Acridine, beispielsweise Acridon und 9-Aminoacridin, ferner Aminonaphthalimide, z. B. Brilliant Sulpho Flavin, Cumarine, ζ. B. ß-Methylumbelliferon und Esculin sowie Xanthene, z. B. Acridinrot, Dinatriumfluoresceinsalz, 2^f ,7'-Dichlorfluorescein, Rhodamin B und Rhodamin 6G. Die angegebenen Farbstoffe sind sowohl als

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Laser- als auch als Pump-Farbstoffe verwendbar. Als Pump-Farbstoffe sind darüberhinaus auch andere, zur Erzeugung von Laserstrahlung nicht befähigte Acridine, Aminonaphthalimide, Cumarine und Xanthene geeignet. Weitere geeignete Pump-Farbstoffe sind ferner Stilbene sowie Methinfarbstoffe, z. B. Cyanine, Merocyanine, Styryle und Oxonole.

Zur Auswahl geeigneter Kombinationen von Laser- und Pump-Farbstoffen können z. B. die folgenden Überlegungen angestellt werden: L's ist bekannt, daß der Farbstoff Acridinrot zur Erzeugung eines Orange-Laserstrahles mit einer Wellenlänge von etwa 600 ΐημ befähigt ist. Es ist ferner bekannt, daß der Farbstoff Rhodamin ß einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge im langwelligeren roten Bereich von etwa 620 my zu erzeugen vermag. Diese Laserfarbstoffe können daher entweder flüssigen »V'irtsmaterialien, z. 3. Alkoholen, beispielsweise Äthanol oder Methanol, oder bei Zimmertemperatur festen i'Jirtsmaterialien, beispielsweise Polymethylmethacrylat, einverleibt werden.

Da. sowohl Acridinrot als auch Rhodamin B Strahlung einer etwa im. Zentrum des grünen Bereichs des Spektrums liegenden Wellenlänge, nämlich bei etwa 530 bis .570 ιημ absorbieren, muß ein geeigneter Pümp-Farbstoff in dem angegebenen Bereich des Spektrums fluoreszieren, um die Wirksamkeit derartiger Laserfarbstoffe erhöhen zu können. Es ist bekannt, daß der Xanthenfarbstoff Rhodamin 6G nahe seines Fluoreszenzgipfeis derartige Strahlung im grünen Bereich des Spektrums erzeugt. Die Läserwirkung von Acridinrot und/oder Rhodamin B kann daher durch Zusatz von Rhodamin 6G zu dem Lasermedium gesteigert werden, da Rhodamin 6G im Innern des Lasermediums zusätzliche Pumpe.nergie für die Laser farbstoffe emittiert, sowie ferner einen zusätzlichen Anteil der von der Energiepumpquelle ausgestrahlten Strahlung im blaugrünen Bereich des Spektrums bei etwa 500 ιημ absorbiert.

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In entsprechender Weise ist die folgende Farbstoffkombination verwendbar: 2 · ,7 *-i)i-chlor fluorescein erzeugt gelbe Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 560 my aufgrund der Absorption'von blau-grüner Strahlung im Wellenlängenbereich von 470 bis 550 my . Das angegebene Absorptionsbereich überlappt sich mit dem von einem anderen Xanthenfarbstoff, nämlich Fluorescein, emittierten Fluoreszenzspektrum. Da Fluorescein im Zentrum des blauen Bereichs des Spektrums bei 490 my stark absorbiert, stellt es einen vorteilhaften Pump-Färbstoff für den Laserfarbstoff 2*,7'-Di-chlorfluorescein dar. Einer derartigen Kombination kann ferner in besonders vorteilhafter Weise der im blauen Bereich des Spektrums emittierende Cumarin· ™ farbstoff 7-Hydroxycumarin zugesetzt werden, so daß eine kaskadenförmig pumpende Kombination gebildet wird, in der der Pump-Farbstoff 7-Hydroxycumarin den Pump-Farbstoff Fluorescein pumpt, der seinerseits den Laserfarbstoff 2¹,7'-Di-chlorfluorescein pumpt. Von einem eine derartige Farbstoffkombination enthaltenden Lasermedium wird praktisch die gesamte, vom blauen bis zum grünen Bereich des Spektrums reichende Energie einer außerhalb des Lasermediums angeordneten Energiepumpquelle ausgenutzt.

Diejenigen der angegebenen Laserfarbstoffe, die einen hohen Anteil der benötigten Anregungsenergie durch Absorption von ultravioletter Strahlung aufnehmen, können nach den bekannten Verfahren nur unter starkem Verlust an Wirksamkeit in Form von in Glasbehältern untergebrachten oder aus Kunststoffen bestehenden Wirtsmaterialien einverleibten Lasermedien verwendet werden, da sowohl Glas als auch Kunststoffe ultraviolette Strahlung stark absorbieren. Ferner können derartige Farbstoffe nach den bekannten Verfahren nur dann in vorteilhafter Weise als Laserstoffe verwendet werden, wenn sie mit teuren, an ultravioletter Strahlung reichen Energiepumpquellen

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bestrahlt werden, da die billigeren Energiepuinpquellen, ζ. Β. Wolframfadenlampen, vergleichsweise arm an ultravioletter
Strahlung sind. Die angegebenen Nacnteile werden jedoch durch das Verfahren der Erfindung behoben, da die erfindungsgemäße -Verwendung von Pump farbstoffen zu einer Umwandlung von Strahlung des sichtbaren Bereichs des Spektrums in für Laserfarbstoffe absorbierbare Pumpenergie führt, so daß in besonders vorteilhafter Weis weniger kostenaufwendige Energiepumpquellen sowie vergleichsweise billige feste Kunststoffe als Wirtsmaterialien verwendet werden können. Es zeigte sich, daß mit
Hilfe von Lasermedien nach der Erfindung die Wirksamkeit von Lasern sehr stark, beispielsweise um 950%, gesteigert werden kann.

In den Lasermedien nach der Erfindung können Pump-Farbstoffe sowie Laserfarbstoffe in den verschiedensten Konzentrationen vorliegen. Vorteilhafte Ergebnisse werden bei Mengenverhältnissen von 1:4 bis 6:1 erhalten. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das optimale Mengenverhältnis von Pump- zu Laserfarbstoff, bei dem die Laserwirksamkeit einen maximalen »iert aufweist, experimentell zu bestimmen. So zeigte sich z. B., daß die Intensität eines durch Rhodamiii B erzeugten Laserstrahles einen maximalen Wert erreicht, wenn dem Lasermedium der Pumpfarbstoff Rhodamin 6G in einem Verhältnis von 1:1
einverleibt wird, d. h. also, daß die Intensität des emittier-: ten Laserstrahles bei Vorliegen von "Rhodamin B und Rhodamiii 6G im Verhältnis von 1:1 viermal größer ist, als wenn der Laserfarbstoff Rhodamin B ohne zusätzlichen Pump-Färbstoff verwen- ^: det wird. Enthält das Lasermedium Rhodamin B und Rhodamin 6G im Verhältnis von 1:4, so wird die Intensität des ausgestrahlten Laserstrahles verdoppelt, beträgt das Verhältnis 6:1, so nimmt die Intensität des Laserstrahles um das 3 1/2-fache zu.

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Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern,

Beispiel T

Zur Erzeugung eines Laserstrahles wurde eine 10™ molare Lösung von Rhodamin B in Methanol mit Hilfe einer ähnlichen Spezial-Blitzlichtlampe bestrahlt, wie sie von Sorokin und Lankard in IBM Journal JHD (1966), Seite 162» beschrieben x«Lrd mit der Ausnahme, daß die Energieaufspeicherungskapa&itat

1 siF bei 20 kV betrug und die Farbstoffselle ©inen inneres Durchmesser von 4,763 ram (3/16"3 aufwiese Es wurde die durchschnittliche Energieausstrahlung dieser Lösung für 10 kV

* Blitze bestimmt. Sodann wurde die En-ergieausstsahliang ©rneut nach Zugabe steigender Mengen von Rhodamin 6G zur Läserlösung gemessen» Die* Bestimmungen erfolgten bei einer sa©lar@n Kong@ii träion an Rhodamin 6G von 10"⁵ _$ 2,5 χ 10"⁵, 5 χ 1G~^S _g 1(Γ⁴ _β

2 χ 10"⁴, 4 χ 10"⁴ sowie 6 χ 1θ"⁴ _β

Es wurde gefunden, daß die ausgestrahlte Energie des Laser=» mediums etwa in Abhängigkeit von der Quadratwurzel der Konzentration an Rhodamin öG so lange anstieg, bis das Lasermedium die beiden Farbstoffe, nämlich Rohdamin B and Rhodamin 6G, in gleicher Konzentration enthielt. Bei diesem Kongen« trationsverhältnis wurde vom Lasermedium viermal snehr Energie ausgestrahlt als von der ursprünglichen, von Rhodamin 6G ^ freien Rhodamin B»Lösung.

Wurde die Konzentration an Pump-Farbstoff Rhodamin 6'G noch weiter erhöht, so fiel die Energieausstrahlung langsam wieder ab. So betrug z. B. die EnergieausStrahlung des Lasermediums bei einer Konzentration von 10~⁴ M Rhodamin B sowie 6 χ 10"⁴M Rhodamin 6G nur noch das 3,5-fache der ursprünglichen Ausstrahlung.

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Beispiel 2

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß eine 10 molare Lösung von Acridinrot in Methanol als Laserfarbstoff sowie ©ine Blitilichtlampenentladung bei 18 kV verwendet wurde. Als Pump-Farbstof£ wurde Rhodamin 6G in molaren Konzentrationen von 5 χ 10, 10~ , 2 χ 10 , 5 χ 10 sowie 10 verwendet. Die eingestrahlte Blitzlichtenergie wurde so gesteuert, daß sie kurz oberhalb der Laserschwelle für Acridinrot in Methanol lag.

Bei Zugabe von Pump-Farbstoff erfolgte ein auffallend starker Anstieg an Laserausstrahlung» So bewirkte bereits die Zugabe von Rhodamin 6G zum Lasermedium in der geringsten untersuchten Konzentration von S χ 10"°M eine dreifach stärkere Energieausstrahlung _β

Beispiel 3

Das in Beispiel 2 beschriebene Verfahren wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß Äthanol als Lösungsmittel sowie Anregungsblitze von 15 kV, also von einem Energieniveau, das eindeutig oberhalb der Laserschwelle der Acridinrotlösung lag, verwendet wurden. Bei Verwendung von Rhodamin 6G in vergleichsweise geringen Konzentrationen, nämlich in Konzentrationen von 10~ M sowie 2.x 10 M wurde kein meßbarer Anstieg der Laserausstrahlung gefunden. Wurde jedoch die Konzentration an Pumpfarbstoff auf 5 χ 10" M erhöhtj so nahm die Ausstrahlungsenergie merkbar zu. Bei weiterer Erhöhung der Konzentrationjan Pump-Farbstoff stieg auch die Energieaüsstrahlung^^nd sobald sowohl Acridinrot als auch Rhodamin 6G in Konzentrationen von 10" M vorlagen, strahlte das Lasermedium 9₉5-mal mehr Energie aus als die ursprüngliche, an Ptunp-Farbstoff freie Laserlösung.

Beispiel 4 ■

Zur Herstellung einer Laserlösung wurden 100 ml einer 10™ molaren Lösung von 2¹,7'-Di-chlorfluorescein in Äthanol hergestellt und mit soviel Natriumhydroxyd versetzt, daß die sichtbare.Lumineszenz der erhaltenen Lösung einen maximalen Wert erreichte, was nach Zugabe von etwa 8 Tropfen O₈2n-NaOH-Lösung der Fall war. Sodann wurde 1 Liter Äthanol so lange mit geringen Mengen der angegebenen Laserlösung versetzt, bis das erhaltene Lasermedium bei Bestrahlung mit Blitzen von 15 kV die Laserschwelle erreicht hatte, was bei einer

-S Farbstoffkonzentration von 3 χ 10 M eindeutig der Fall war»

Unter Verwendung des erhaltenen Lasermediums viurde das in B©i spiel 1 beschriebene Verfahren unter Verwendung von Fluores·= cein-Dinatriumsalz als Pump-Farbsto£f wiederholte Di© Laser» strahlenergie wurde bei Verwendung von Lsermediea., die Fluorescein in Konzentrationen von 10~ , 2 χ 1O₈ Sx 10° 10 sowie 2 χ 10 M enthielten, bestimmte Bei Verwendung d@s Pump-Farbstoffes Fluorescein in der höchst®B der aag©g©b©n©n Konzentrationen, stieg die JLaseraiissiralilwag um das H₈4»£aeh@₀ bezogen auf die mit Fluorescein freien Lasermedie Wertec

Beispiel 5

Nach dem in Beispiel 4 beschriebenen Verfahren mi cein-Dinatriumsalz als Laserfarbstoff in Äthanol in soldier Konzentration gelöst, daß der Grenzschwellenwert, bei dsm der Laserfarbstoff Laserstrahlen erzeugte, soeben erreicht war. Diese Grenzkonzentration wurde zu 5 χ 10 M Laserfarbstoff pro Liter Lösung gefunden. Als Pump-Farbstoff wurde 7-Hydroxycumarin in Form einer äthanolischen Lösung, die so viel Natriumhydroxyd enthielt, daß die sichtbare Fluoreszenz einen maximalen Wert aufwies, verwendet* Der Pump-Farbstoff

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wurde der Laserfarbstofflösung in verschiedenen Mengen zugesetzt. Die Cumarinkonzentration im Lasermedium reichte von IO H bis 4 χ 10*\l1 Bis zu einer Cumarinkonzentration von Z χ 10 M konnte kein Anstieg der Laserausstrahlung festgestellt werden. Bei einer Gumarinkonzentration von 4 χ 10 M war jedoch die Energieausstrahlung 5₉4-fach höher als bei Verwendung sinss Lasermediums₈ das kein Cumarin als Pump-Farbstoff enthielt« .

Beispiel 6

Die in Beispiel 5 beschriebene !Combination ¥on Farbstoffen wurde in einem wsitereE Versuch als Pump-Färbstoffkombination in einem Lasermedium, das als Laserfarbstoff 2'»7'-Di-chlorfluorescein enthielte verwendet Nach dem in Beispiel 4 beschriebenen Verfahren wuväe zunächst eine 4 χ 10 M 2\7'-Di-

-S
chlorfluorescein sowie S χ 10 M Fluorescein-Dinatriumsalz enthaltende Lösung hergestellt» worauf die Laserenergie des erhaltenen Lasermediums bestimmt wurde.

Bas Lasermedium wurde sodann mit steigpnden Mengen 7-Hydroxycumarin als zxieitem Pump-Färb stoff versetzt, wobei für jede der angewandten Konzentrationen die Laserenergie des Lasermediums gemessen wurde. Die Konzentration an 7-Hydroxycumarin

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reichte von 10 II bis 4x10 M. Bei einer Cumarinkonzentration von 2 χ 10m wurde die Energieausstrahlung um das 2,6-fache, bezogen auf die mit Fluorescein als einzigem Pump-Färbstoff erhaltenen Vierte, gesteigert. Bezogen auf die mit einem nur den Laserfarbstoff Di-chlorfluorescein enthaltenden Lasermedium erhaltene Ausstrahlung betrug die durch den Zusatz der angegebenen beiden Pump-Farbstoffe erzielte Steigerung der Energieausstrahlung etwa 900%,

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Claims (17)

Pate ntansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlen, bei. dem ein in

Γ' einem Hohlraumresonator befindliches, aus in einem praktisch optisch transparenten Wirtsmaterial dispergieren organi» sehen Farbstoffen bestehendes Lasermedium mit Hilfe einer Strahlungsenergie der verschiedensten Wellenlängen aus·= strahlenden Energiepumpquelle bestrahlt wird sowie die in dem Lasermedium erzeugten Wellen reflektiert und schließlieh aus dem Hohlraumresonator austreten gelassen werden_s dadurch gekennzeichnet, daß man ein Lasermedium bestrahlte das als organische Farbstoffe enthält2

(1) mindestens einen sogenannten Lasenz^Farbstoff, der von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung eiaer bestimmten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie kohärente monochromatische Strahlung einer längeren als der absorbierten Wellenlänge in Form eines Laserstrahles emittiert, sowie

(2) mindestens einen sogenannten Pump-Farbstoff, der von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer kürzeren als der vom Laserfarbstoff absorbierten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie Strahlung der vom Laserfarbstoff absorbierten Wellenlänge emittiert*

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* daß man als zweite und folgende Pump-Farbstoffe solche verwendet, die von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer kürzeren als der vom Laser farbstoff und. ersten Pump-Farbstoff absorbierten Wellenlänge selektiv absorbieren sowie Strahlung der vom Laserfarbstoff oder von einem der anderen vorhandenen Pump-Farbstoffe absorbierten

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Wellenlänge emittieren.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Laser- und Pump-Farbstof£e in einem Wirtsmaterial dispergiert, das gegenüber Strahlung der von den Farbstoffen absorbierten sowie emittierten Wellenlängen praktisch optisch transparent ist,

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man ein bei Raumtemperatur flüssiges Wirtsmaterial verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als flüssiges Wirtsmaterial einen Alkohol verwendet.

6. Verfahren nach Ansprüchen T bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man ein bei -Raumtemperatur festes Wirtsmaterial verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als festes Wirtsmaterial Polymethylmethacrylat verwendet.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch .gekennzeichnet, daß man als Laserfarbstoff einen Acridin-, Aminonaphthalimid-, Cumarin- oder Xanthenfarbstoff verwendet.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Pump-Farbstoff einen Acridin-, Aminonaphthalimid-, Cumarin-, Methin-, Stilben- oder Xanthenfarbstoff verwendet.

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10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Laserfarbstoff Rhodamin B und als Pump-FarbstQff Rhodamin 6G verwendet.

11. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Laserfarbstoff Acridinrot und als Pump-Farbstoff Rhodamin 6G verwendet.

12. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Laserfarbstoff 2',7'-Di-Chlorfluorescein und als Pump-Farbstoff Fluorescein-Dinatriumsalz verwen-

" det.

13. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Laserfarbstoff Fluorescein-Dinatriumsalz und als Pump-Farbstoff 7-Hydroxycumarin verwendet.

14. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Laserfarbstoff 2',7'-Di-chlorfluorescein und als Pump-Färb stoffe Fluorescein-Dinatriumsalz soiiie 7-Hydroxycumarin verwendet.

15. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeich-' net, daß man unter Verwendung von Äthanol als Wirtsmaterial sowie Acridinrot als Laserfarbstoff den Laserund Pump-Farbstoff in solcher Konzentration verwendet, daß die Mengenverhältnisse 1:4 bis 6:1 betragen. ■

16. Lasermedium zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 15, bestehend aus in einem praktisch
optisch transparenten Wirtsmaterial dispergierten organischen Farbstpffen, gekennzeichnet durch einen Gehalt an:

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(1) mindestens einem sogenannten Laserfarbstoff, der von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer bestimmten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie kohärente monochromatische Strahlung dner längeren als der absorbierten Wellenlänge in Form eines Laserstrahles emittiertj sowie

(2) mindestens einem sogenannten Pui^rFarbstoffj der von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer küteeren als der vom Laserfarbstoff absorbierten Wellenlänge selektiv absorbiert sowie Strahlung der vom Laserfarbstoff absorbierten Wellenlänge emittiert.

17. Lasermedium nach Anspruch 16₆gekennzeichnet durch einen Gehalt an zweiten und folgenden Pump-Färbstoffen, die von der Energiepumpquelle ausgestrahlte Strahlung einer kürzeren als der vom Laser farbstoff und ersten PungrFarbstoff absorbierten Wellenlänge selektiv absorbieren sowie Strahlung der vom Laserfarbstoff oder von einem der vorhandenen weiteren Pump-Farbstoffen absorbierten Wellenlänge emittieren.

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