DE1936469A1 - Laser-Fluessigkeit sowie diese enthaltender Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieilt sich auf eine Laser-Flüssigkeit sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, ferner auf einen diese Flüssigkeit enthaltenden Flüssigkeits-Laser bzw. ein Verfahren zur Erzeugung eines Laser-Strahles mittels einer Laser-Flüssigkeit.

Flüssigkeiten bieten gegenüber festen Stoffen und Gasen bezüglich der Verwendung als aktive Lasermaterialien verschiedene deutliche und einzigartige Vorteile. Ein Gas kann keine großen Energiedichten erzeugen, wenn es nicht unter hohem Druck steht* Dies ganz einfach deswegen, weil die Dichte der Atome im Vergleich mit einer Flüssigkeit oder einem festen Körper niedrig ist· Deswegen wird bei einem gasförmigen System im Vergleich mit einem eine kondensierte Phase umfassenden System bei sonst identischen Parametern die absolute Populationsumkehrung (population inversion) sehr viel geringer sein. Es ist geschätzt worden, daß die umgekehrte Population in Flüssigkeiten oder festen Stoffen etwa tausendmal größer ist.

Es gibt verschiedene Faktoren, welche die wirkliche, praktisch von festen Stoffen erzielbare Leistung begrenzen, insbesondere wenn man einen kontinuierlichen Betrieb oder einen

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Betrieb mit hoher ".Tiederholungsgeschwindigkeit in Betracht zieht. Die an erster Stelle zu nennende Begrenzung ist in der Unfähigkeit eines Feststoffes zu sehen, die bei einem Hochleistungsbetrieb erzeugte 7/arme abzuführen oder abzugeben. Diese Schwierigkeit wird natürlich nit steigender Y/iederholungsgeschwindigkeit größer. Abgesehen von einem nöglichen Grobbruch des Llaterials, verursacht die 3r\7rmun-g viele Unvollkomaenheiten, welche die optische vualitL't des Probestücks zerstören, und zwar häufig irreversibel. Flüssigkeiten können dagegen vorteilhafterweise durch Zirkulation gekühlt v/erden." Cttische Fehler, wie beispielsweise Biesen oder Bereiche unterschiedlicher 3rechungsiiidizes_;hervorgerufen durch thermische 3-radienten, werden in einer Flüssigkeit sehr schnell ausgeglichen, insbesondere in einen fließenden Strcn. Dir. gutes flüssiges Ilateri^l nu2 daher bestimmte nechanische und physikalische Eigenschaften aufweisen, abgesehen davon, ä~:2 selbstverständlich auch die erforderlichen Fluoreszenz-Kriterien vorhanden sein und erfüllt sein müssen. 3s nuS verh^.ltnisnäiig inert sein-und eine vernünftige Viskosität aufweisen, urn das jru::i_en und den .Selbstausgleich thermisch verursachter Fehler zu erleichtern, Gute thermische Stabilität sowohl der Lösungsmittel- als auch fluoreszierenden Art 'sowie ein möglichst weiter 2en::eraturbereich, innerhalb dessen das Lösungsmittel flüssig vorliegt, sind zwei weitere Kriterien, die -erfüllt sein müssen.

Zu den Flüssigkeiten, welche laserwirksamkeit gezeigt haben, gehören einige Europiua-tetra-cis-chelate in Azeta?onitril· oder Xthanol/LIethanol-Losungen (A. lenpicki und H. SaneIson in "Applied Physics Letters", 4, 135 (1963)? Ξ.J. Schinitachek in "Applied Physics Letter", 3, 117 (1963)) und eine Lösung von lleodym in Selenoxychlorid (A. Keller in "Applied Physics Letters", 9, 108 (1966),· A. Lempicki und A. Heller in "Applied Physics Letters", 9, 108 bis 110 (1966)). Die Chelate Seltener Erden besitzen eine Reihe von ungünstigen Eigenschaften, welche einen Laserbetrieb hohen Leis-tungsniveaus sehr schwierig ma-

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chen. Das organische Chelat dient zur Absorption des .Pumplichtes, und die Laserwirkung hängt von der wirksamen Energieübertragung vom Oheliit-iEeil des lloleküls zum Seltene 3rde-Ion ab. Diesen Systemen ist eine Schwierigkeit eigen, welche durch die sehr hohen Extinktionskoeffizienten (10 bis 10 ) und den breiten Ahsorptionshändern der Clielat-üinheit herrührt. Dies hat zur Folge, daß es bei Systemen mit praktischer Konzentration (1C"~ bis 10""-^ K) unmöglich ist, eine i-orulstionsumkehr jenseita eines dünnen Cberflixhenbereichs der Lösung zu erzielen. Vom xunpfluß wird in diesem Bereich so viel absorbiert, daß Laserzellen mit extrem kleinen Bohrungen erforderlich sind, um die Probe gleichmäßig zu erregen. In den meisten Fällen ist eine Laserwirkung lediglich in eine,m engen Ringbereich an der Peripherie des Rohres gegeben. ·

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden»

Dies ist mit einer Laser-Flüssigkeit erzielt, welche erfindungsgeraäß durch eine wasserstoffreie Neοdymverbindung gekennzeichnet ist, die in einen Lösungsmittel bestehend aus etwa 5 Volumenteilen Ihosphoroxychlorid ^e Volumenteil einer starken, wasserstoffreien sr.ure gelöst ist. Yorteilhafterweise kann es sich bei der starken, wasserstoffreien 3;'ure um Zinntetrachlorid handeln, und bei der wasserstoffreien .Teodyniverbir.dur.g us !Teody:-oxyd.

Die bevorzugte erfiiidungsger.rlie Laser-?l'.^:ssi_;:l:eit kann in weiterer Atisgestaltui"-/: der Erfindung dadurch hergestellt werden, da.; eine ITeoäynoxyä-LCsung in ein l:sungsn:ittel bestehend aus etwa. 5 Vol-.ir.enteilen rhcsvlicrox^-ciiloria ^e Tolunenteil Sinntetrachlorid eingebracht wird.

3i"fin3ungsger_;il.r >ατ^ιζ rur Erneug'ang eines Laser-Strahles mittels- einer laser-ri-'asigl-ieit se vorgegangen werden, ϊα.:

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SAOORlGfNAL

eine Flüssigkeit der vorstehend charakterisierten Art, welche ' in eine rohrförmige transparente Zelle, an deren Enden optische Flachstücke angebracht sind, eingebracht ist, unter Verwendung von äußeren Spiegeln durch eine Blitzlichtlampe erregt wird. Als Spiegel können vorteilhafterweise dielektrische Spiegel verwendet werden. Weiterhin kann mit Vorteil als Zelle eine rohrförmige Quarzzelle Verwendung.finden.

Bei der erfindungsgemäßen Laser-Flüssigkeit wird der Pumpfluß unmittelbar durch das Seltene Erde-Ion absorbiert, welches einen Extinktionskoeffizienten aufweist, der 3 bis 4 Größenordnungen kleiner ist als derjenige des Chelats, wodurch eine sehr viel gleichförmigere und gleichmäßigere Erregung und Laserv/irkung gewährleistet ist. Zwar weist das bereits erwähnte I'Teodym/Selenoxychlorid-System insoweit dasselbe Verhs.lten i=uf, doch ist es wegen seiner hohen Viskosität, welches eine Zirkulation sehr schwer macht, lind wegen der starken Giftigkeit, Korrosivitrt und thermischen Instabilität nachteilig.

Da die "Jissenschaft von flüssigen Lasern ganz neu ist, sei zuc besseren Verständnis der Erfindung zunächst das Flüssigkeitslaser-System erläutert und auf die damit verbundenen Probleme hingewiesen.

Die Fluoreßzenz- und Absorptionseigenschaften der Ionen einiger Seltener Erden in Lösung sind von großer Wichtigkeit bezüglich der Ausgestaltung und Entwicklung von Hochleistungs-Lasersystenen. Die Ionen Seltener Erden zeigen eine englinige Fluoreszenz. Flüssige Lösungen dieser Ionen scheinen die besten Möglichkeiten für Hochleistungslaser zu bieten, da diese Lös-Jingen bestimnte Llängel nicht aufvreisen, welche in gas-ί sr-ig en und fes~en Hysterien festgestellt worden sind.

.."ie bereits erv.-f.hnt, zeigt ein Ietra-cis-E'JL(lII)-dil:etcr_-chelD.t I^.serv.'irkunP'sf^.Icirkeit ir. J.zetor.itril— oder .\etho.—

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nol/Äthanol-Lö'sungen. Der Diketon-chelat-Ligand hat die Aufgabe, einen großen Teil des Pumpflusses zu absorbieren und die Energie wirksam auf das Eu(III)-Elektronenenergie-8ystern zu übertragen, welches dann in seinen charakteristischen Atombändern fluoresziert. Auf diese Art und Weise wird die atomare Fluoreszenz durch die große Anzahl erregter Zustände gesteigert, welche durch den hohen Absorptionskoeffizienten des Diketon-chelats hervorgerufen sind. Es ist möglich, die Fluoreszenz von atomaren Übergängen bei Seltenen Erden dadurch zu vergrössern, daß man den nicht strahlenden Relaxationsprozeß vermindert und/oder die Symmetrie des Ligandenfeldes so steuert, daß bestimmte Absorptions- und Emissionsbänder wahrscheinlicher werden.

Erforderlich wären demnach einmal eine fluoreszierende Substanz mit strahlenden übergängen, welche für Laserwirkungen geeignet sind, und zum anderen eine Lösung für die besagte Substanz, welche die Fluoreszenz günstig beeinflussen kann, indem sie eine geeignete Umgebung für die fluoreszierende Substanz hervorruft. Die flüssige Lösung dient also nicht nur als bewegliches Mittel zur Auflösung der Verbindung der Seltenen Erde, sondern auch zur genauen Eontrolle der unmittelbaren chemischen Umgebung jedes einzelnen Seltenen Erden-Ions, und damit zur günstigen Beeinflussung der Fluoreszenz und der anderen für, Laserwirkungen bedeutsamen Eigenschaften.

Daraus erhellt, daß die üblichen Lösungsmittel für diese Zwecke nicht ausreichen. Umfangreiche Versuche haben gezeigt, daß Lösungen von wasserstoffreien Heodymverbindungen, v/ie beispielsweise HcUO,, in einem G-emisch von 5 Volumenteilen POCl., und einem Volumenteil SnCl., die gewünschten Qualitäten gewährleisten. Die 1,06Ai Neodym-Fluoreszenz der Lösung ist sehr intensiv und bleibt hinsichtlich dieser Intensität im wesentlichen konstant bis zu ihrem Siedepunkt von etwa 90 bis 100⁰C. Die Lösung weist eine niedrige Viskosität auf und ist

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sehr klar. SnGl. -wirkt.als eine Säure und ionisiert das Lcsungmittel unter Bildung der Ionen POGl₂ ⁺ und 3nClg~. Jede starke, wasserstoffreie Säure wirkt in derselben weise wie Zinntetrachlorid. Diese Azidifikation setzt die flüssigkeit ' instand, IldpO^ aufzulösen.

Das nachstehende Beispiel dient in Verbindung nit der beigefügten Zeichnung der weiteren Erläuterung der Erfindung. Die Fig. 1 bis 3 der Zeichnung zeigen die Ergebnisse, welche durch das Errejen einer flüssigen las er subs tanz ge:^:2 der .Erfindung mit einer Blitzlichtlampe auf die in folgenden Beispiel beschriebene Art und ./eise erzielt worden sind.

Beispiel

Es wurden Lösungen (etwa 0,1 1.1 in ITeodymoxyd) hergestellt, indem ZTeodynoxyd (ITd₂Q.,) dem aus 5 Volurienteilen 10Gl^ und einem Yolumenteil SnGl. bestehenden Lösungsinittel zugegeben, das Ganze bis zu_a Siedebeginn erwärmt, dann "abgekühlt- und schließlich zur Entfernung aller suspendierten Stoffe zentri-. fugiert wurde. Dabei waren Leinerlei besondere Yorsichtsri&^n&hmen erforderlich, abgesehen von den Handschuhen und der '"Hauch--, haube, welche gewöhnlicherweise beim Arbeiten nit Säurechloriden verwendet werden." Das System weist die Vorteile einer verhältnismäSig geringen Giftigkeit und, in den angegebenen 7erhältnissenen, einer geringen Viskosität bei Raumtemperatur.auf.

Eine verdünnte Lösung von Feödymoxyd in dem Gemisch aus 5 Volumenteilen Phosphoroxychlorid und einem Volumenteil Zinntetrachlorid wurde dann mit dem Sendeimpuls von 500C Joules einer spiralförmigen Xenon-Blitzlichtlampe erregt. Zufallszackung (Pig. 1 und 2) und eine sehr starke Intensitätssteigerung über das. J?luöreszenzniveau wurden oberhalb einer Schwelle in der ITähe von Φ^ΟΟ^; Jtiules festgestellt, und zwar durch ein 1,06 M Interferenzfilter mit einer ΗΟΑ-925-^οΐοαίοαβ, wel-

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ehe an einen 545 A-Tektronix-Leuehtsehiriii vber einen.Lastwiderstand von 47 Olm angeschlossen war. Die Flüssigkeit war in einer rohrförmigen Quarzselle von 12 mn. Innendurchmesser und 12,5 era Länge enthalten. Optische Flachstücke aus Zruorz v/aren an die Enden mit Epoxydharz angeklebt. ;Oi2ere ebene Spiegel mit dielektrischen Beschichtungen v/eren parallel zu den Enden der Zelle angeordnet. 3in Spiegel hatte eine Heflektionskraft von r.iehr ols 99 Irozent, der andere eine Durchlässigkeit von 1ü ?rozent bei 1,06 M . Jig. 3 seigt den Zrckungsani'all bei •einer etwas unterschiedlichen Spiegelanordnung in einer konzentrierten Lesung (0,12 I. in 2Td₀O^).

iDine Laserv/irkung wurde mit der urspr'ingliciien Intensität auch nach wiederholter Beaufschlagung der jplvssigkeit mit ungefilterten Licht, einschließlich ultravioletter Strahlung, von der Xenonlampe erhalten.

Ein hoher Kollimationsgrad wurde dadurch ermittelt, -" daß das Pluoreszenzmuster photographiert wurde_s welche® der 1._y06>k -Laserstrahl bei einer Unterbrechung durch eine infrarotempfindliche Pliosphorkarte verursachte, welche in einer Entfernung von etwa 1,2 m vom teildurchlässigen Spiegel angeordnet worden war· Eine Linse zur Scharfeinstellung wurde bei diesem Versuch nicht verwendet.

Mit der Erfindung ist ein bei Saxmtemperatur flüssiges Lasermaterial"vermittelt. Der■erfindungsgenäße ?lussigkeits-Laser weist gute optische Eigenschaften und eine hohe 7iirksaskeit av.f, ferner ist er billig. - ■-■-.-"...

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Claims (5)

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Ansprüche

My Laser-Flüssigkeit, gekennzeichnet durch eine wasserstofffreie IJeοdymverbindung, welche in einem lösungsmittel beste-. he lid aus etwa 5 Volumente ilen Phosphoröxychlorid je Volumenteil einer starken, was?:erstoffreien -Säure gelöst ist.

2. Li-scr-Flüssigkeit nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, da;:" es sich bei der starken,. wasserstoffreien Säure um" Zinntetrachlorid handelt. '

3. Laser-FiUssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da2 es sich bei der wasserstoffreien lie ο dymver bindung um ITeodymoxyd handelt.

4. Verfahren aur Herstellung der Laser-Flüssigkeit nach'Anspruch J, dadurch f.;ekemizelehnet, daß eine Ileodymoxyd-Lösung in ein Liaungsnittel bestehend -aus etwa 5 Volumenteilen Phosphoröxychlorid je Volumenteil Zinntetrachlorid eingebracht ; wird, . - - · '■■""..-"

5. Verfahren zur Erzeugung eines Laserstrahles mittels einer laser-jfll'ssigkeit, dadurch gekennzeichnet, da3 die 'Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche in eine rohrför- ^iige transparente Zelle, an deren Ina en optische Flachs tüeke· angebracht sind, eingebracht ist, unter Verwendung τοη äußeren Spiegeln durch eine Blitzlichtlampe erregt wird.

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