DE1946434B2

DE1946434B2 - Ionenlaserapparatur

Info

Publication number: DE1946434B2
Application number: DE1946434A
Authority: DE
Inventors: William Thomas Holmdel Township N.J. Silfvast (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-09-16
Filing date: 1969-09-13
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE1946434C3; DE1946434A1; US3585524A; FR2018175A1; NL6913504A; NL167809B; NL167809C; BE738867A; GB1255983A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenlaserapparatur mit einem das stimulierbare Medium einschließenden Gefäß, das mit einer Anregungsentladungseinrichtung zum Erzeugen metastabiler Atome eines aus Helium und/oder Neon bestehenden Gases versehen ist und eine Verdampfungseinrichtung zum Erzeugen von Dampf eines Metalls aufweist, das im Dampfzustand einen strahlenden Übergang besitzt, einen auf die durch den strahlenden Übergang hervorgerufene Emission abgestimmten Resonator und einer Einrichtung zum Auskoppeln eines Teils der Strahlung aus der Apparatur.

Die Entwicklung von Verstärkern und Sendern für kohärentes licht, der sog. LaSCr₃ eröffnete zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten für die elektromagnetische Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums. Von solchen Vorrichtungen erzeugte Lichtquellen können sehr scharf fokussiert werden, um Energiedichten zu erreichen, die sich zum Schweißen, Schneiden, Bohren und ähnlichen Zwecken eignen. Einer der am meisten Erfolg versprechenden AnwendungsfäUe liegt auf dem Gebiet der Nachrichtenübertragung, wo die verfügbare Bandbreite stark erhöht werden kann, wenn eine Trägerfrequenzquelle benutzt wird, deren Frequenz viel höher als die gegenwärtig angewandten Trägerfrequenzen liegt

Es sei bemerkt, daß die Frequenzen im ultravioletten Bereich, die für künftige Nachrichtenübertragungszwecke die höchsten gegenwärtig betroffenen Frequenzen sind und daß Frequenzen, die Wellenlängen von weniger als 400 hm entsprechen, eine proportional höhere Übertragungsbandbreite liefern, als dieses die niedrigeren Frequenzen des sichtbaren und infraroten Bereiches tun. Gleichwohl sind im sichtbaren Bereich arbeitende Laser gerade wegen der Sichtbarkeit ihres emittierten Lichtes einfacher einzustellen und anzuwenden als sowohl die im Ultravioletten ais auch im Infraroten arbeitenden Laser.

Die Su^he nach im sichtbaren und nach im ultravioletten Bereich arbeitenden Lasern mit für die beabsichtigten Anwendungszwecke adäquaten Ausgangsleistungen führte sowohl für Impulsbetrieb als auch Dauerbetrieb nur zu vergleichsweise wenigen attraktiven Kandidaten. Typische dieser Laser-Formen sind der Argon-Ionen-Laser und der Neon-Ionen-Laser, die sämtlich Quantenwirkungsgrade kleiner als 7% haben und relativ schwerwiegenden Begrenzungen bezüglich der Ausgangsleistung unterliegen. Diese Begrenzungen stellen ernsthafte Nachteile für zahlreiche AnwendungsfäUe der Nachrichtenübertragung dar. So würde es wünschenswert sein, eine Reihe im sichtbaren und ultravioletten Bereich arbeitender Laser zu haben, die wesentlich größere Leistung und vorzugsweise einen größeren Quantenwirkungsgrad aufweisen. Der Quantenwirkungsgrad ist das Hundertfache des Verhältnisses der Laser-Photonen-Energie zum Energieabstand zwischen dem oberen Laser-Niveau und dem Grundzustand des neutralen Atoms.

Bei den vorstehend erwähnten Ionen-Lasern tritt die Anregung des stimulierbaren Ions durch direkten Elektronenstoß mit den Ionen auf. Bei anderen Lasern ist der direkte Elektronenstoß so unwirksam, daß nur ein relativ schwacher, gepulster Betrieb ermöglicht wird.

Während Mischungen mit Anregungs-Hilfsgasen, wie Helium, Neon oder Stickstoff, oder mit Puffergasen, wie Helium oder Neon, sich bei zahlreichen im sichtbaren und infraroten Bereich arbeitenden Lasern als brauchbar erwiesen haben, wurden solche Mischungen typischerweise nicht als vorteilhaft in Ionen-Lasern, insbesondere in im Ultravioletten arbeitenden Ionen-Lasern betrachtet Anregungs-Hilfsgase sind bisher zur resonanten Energieübertragung verwendet worden, bei welcher ein angeregter Zustand des Hilfsgases an das obere Laser-Niveau des stimulierbaren Gases angepaßt ist oder sie dienten als Puffergas, um die sog. Elektronentemperatur, d. h. die kinetische Energie der Elektronen, der Entladung anheben zu können.

Die Gründe, daß sich diese Mechanismen der GasiTiisc-hungen bei den bekannten Ionen-Lasern als

nicht brauchbar erwiesen haben, liegen im Fall des ersten Mechanismus darm, daß das Einfallsenergieniveau, das für eine resonante Energieübertragung streng genug angepaßt ist, ziemlich niedrig ist, c der daß eine solche Anpassung zumindest extrem schwierig zu finden ist Im Fall des zweiten Mechanismus sucht die erhöhte Elektronentemperatur im typischen Ionen-Laser wie im Argon-Ionen-Laser eine unerwünschte Besetzung des unteren Laser-Niveaus zu erzeugen.

Hierher gehören grundsätzlich auch die aus Applied Physics Letters, Band 8, Nr. 12,15. Juni 1966, Seiten 318, 319, bekannten Laser der einleitend beschriebenen Art Bei jenen Lasern wird der im einzelnen gewählte Metalldampf auf erhöhter Temperatur gehalten und wird mit Helium oder Neon als Trägergas bei Drücken von weniger als 2 Torr (2fi7 mbar) gearbeitet Bei den bekannten Lasern handelt es sich um solche für Impulsbetrieb und nicht um Laser für Dauerstrichbetrieb. Weiterhin werden dort nur Laseremissionslinien im sichtbaren, nicht aber im ultravioletten Bereich angegeben und wird die Natur des Anregungsmechanismus nicht erläutert

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Ionenlaser der einleitend beschriebenen Art verfügbar zu haben, die auch im Dauerstrichbetrieb betreibbar sind, und zwar nicht nur bei Emissionslinien im sichtbaren Bereich, sondern auch im ultravioletten Bereich.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe für die Ionenlaserapparatur der einleitend beschriebenen Art dadurch gelöst, daß das Metall (Φ) aus Cadmium, Z^k, Magnesium, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Beryllium, Germanium, Zinn und Blei ausgewählt ist daß der Druck des Gases 2 bis 12 Torr (2,67 bis 16 mbar) beträgt und daß der sich entsprechend der Temperatur der Dampfquelle der Verdampfereinrichtung einstellende Dampfdruck des Metalls derart im Bereich zwischen ΙΟ-⁴ und 1 Torr (133· Η)-⁴ bis 133 mbar) gelegen ist daß das Metall (Φ) in eine der Reaktionen

He*+Φ -► (Φ+)· + He+e -+ kinetische Energie und

Ne*+Φ -► (Φ+)*+Ne+e - + kinetische Energie

eintritt, wobei (Φ⁺)* das auf das obere Energieniveau des strahlenden Obergangs angeregte Ion des ausgewählten Metalls ist

Die Erfindung beruht auf der Aufklärung und Nutzanwendung der Natur des Anregungsmechanismus in solchen Lasern. So wurde anhand des bei 441,6 nm stimuliert emittierenden Cadmiumionen/Helium-Lasers in der Erfindung vorausgegangenen Versuchen gefunden, daß eine nichtresonante Energieübertragung durch folgende Reaktion auftritt:

He* + Cd-^(Cd⁺)* + He + e" + kin. En.

(I)

55

Hierin ist He* ein Helium-Atom in seinem metastabilen Zustand und (Cd⁺)* das auf das obere Laser-Niveau des 441,6 nm-Überganges angeregte Cadmium-Ion. Die Übertragung ist nichtresonant, weil das freie Elektron die überschüssige Energie des metastabilen Helium-Atoms He* abführt, das heißt jenen Teil des freigesetzten Energiequantums, der das zum Anregen des Cadmium-Ions auf das obere Laser-Niveau benötigte Quantum überschreitet

Nichtresonante Energieübertragungen von metastabilen Helium- oder Neon-Atomen werden also entsprechend der Erfindung bei Ionen-Lasern benutzt, bei welchen die stinudierbaren Gase Dämpfe von Cadmium, Zink, Magnesium, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Beryllium, Germanium, Zinn oder Blei in den ersten Ionisationszuständen dieser Elemente sind. Bei dem neuen Gadmiumdampf-Laser und bei gewissen anderen Arten wird die Laser-Wirkung im Ultravioletten gefördert durch Vorsehen geeigneter Stirn-Fenster an dem Gasrohr und durch Anordnen des Rohrs in einem Resonator, der zur Resonanz bei der sptziell interessierenden Wellenlänge ausgelegt ist

Neue, im Sichtbaren arbeitende Laser sind mit Dämpfen von Zinn, Zink, Germanium und Blei in deren ersten Ionisationszustand möglich.

Stimulierte Emission im Dauerbetrieb, die auf den vorstehenden Prinzipien beruht, wurde bei 325 nm im Ultravioletten bei einfach ionisiertem Cadmium beobachtet, ferner bei 6453 nm und 684,4 nm im Sichtbaren bei einfach ionisiertem Zinn, und bei 7473 mn im nahen Infraroten bei einfach ionisiertem Zink. Stimulierte Emission trat in den Helium-Metalldampf-Entladungen bei Helium-Drücken von 2,7 bis 16 mbar und bei Partialdrücken des Metalldampfes von lß-lO—' bis 13 mbar auf. Ausreichende Temperaturen zum Aufrechterhalten des Metalldampfes werden von Wärmequellen und ausreichenden Leistungspegeln der Entladung geliefert

Der bei 325 nm im Ultravioletten arbeitende Laser mit einfach ionisiertem Cadmium ist der erste im Ultravioletten im Dauerbetrieb arbeitende Laser, der nach ähnlich einfachen Methoden aufgebaut und betrieben werden kann wie die Helium-Neon-Laser.

In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 und 2 je eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 befindet sich die Gasmischung aus dem Dampf des stimulierbaren Mediums und Helium oder Neon in einem Rohr 12 aus Quarz oder hitzefestem Glas, das an beiden Enden mit unter dem Brewster-Winkel geneigten Stirnfenstern 13 und 14 verschlossen ist Das Rohr 12 hat einen Innendurchmesser von etwa 5 mm in seinem engen Teil, der sich über den größten Teil der Entladungsstrecke des Rohres 12 erstreckt

Die Anregungsenergie wird dem Rohr durch eine elektrische Entladungsvorrichtung mit einer Anode 15 und einer Kathode 16 in den erweiterten Endteilen des Rohres 12 zugeführt, wobei die Anode 15 und die Kathode 16 an eine Gleichspannungsquelle 17 unter der üblichen Polarität angeschlossen sind.

Des weiteren sind seitliche Tiegel 18/4 bis 18£ vorgesehen, die als Anhängsel des Rohres 12 die Vorratsbehälter für das stimulierbare Medium in fester oder flüssiger Form bilden. Obgleich fünf solcher Vorratsbehälter dargestellt sind, hängt die tatsächliche Anzahl von der Länge des Rohres 12 ab, da die Vorratsbehälter vorzugsweise alle 5—20 cm längs des Rohres 12 angeordnet werden.

Das Rohr 12 einschließlich der Stirnfenster 13 und 14 liegt in einer Primär-Temperatur-Steuerapparatur 19, die so entworfen ist daß das stimulierbare Medium im Mittelteil des Rohres 12 im Dampfzustand bei ausreichend hoher Temperatur gehalten wird, um die gewünschte Atomkonzentratiom und den gewünschten Dampfdruck zu haben. Sonach ist die Temperatur-Steuerapparatur 19 im Regelfall ein Ofen, der durch ein Widerstandsband gebildet ist das vom einen Ende zum anderen dicht auf die Apparatur aufgewickelt ist ohne die Stirnfenster abzudecken; andererseits kann der Ofen auch durch eine andere beheizte Umhüllung gebildet

sein. Ein Niederschlag von abgekühltem Metall auf den Stirnfenstern wurde als nicht problematisch befunden, selbst wenn die Fenster etwas kühler als das restliche Rohr waren.

Um eine flüssige oder feste Form des stimulierbaren Mediums in den Vorratsbehältern iSA bis 18£zu halten, hält eine die Vorratsbehälter-Temperatur steuernde Einrichtung 20 eine niedrigere Temperatur, T₂, als die Temperatur, Γι, in der Apparatur 19 aufrecht. Im allgemeinen wurde gefunden, daß spezielle Maßnahmen zum Erhalt einer thermischen Isolation zwischen den Apparaturen 19 und 20 unnötig sind. Beispielsweise ist bei Hochleistungs-Entladungen der Temperaturgradient, der bei unterschiedlichen Entfernungen von der Entladungsachse auftritt, ausreichend, um einen adäquaten Dampfdruck des Materials in den Vorratsbehältern aufrechtzuerhalten. Gelegentlich mag es wünschenswert sein, variable, getrennte Temperatur-Steuerungen, wie dargestellt, zu verwenden.

Zur Vervollständigung als optischer Sender ist ein optischer Resonator vorgesehen, der durch auf der Achse des Rohres 12 einander gegenüberstehend angeordnete UV-Reflektoren 21 und 22 gebildet ist Es leuchtet ein, daß die Anordnung als Verstärker für kohärentes Licht bei fehlendem Resonator benutzt werden kann, wobei dann die Reflektoren 21 und 22 entfallen. Es leuchtet ferner ein, daß die Reflektoren 21 und 22 gekrümmt sein könnten, um eine Fokussierung der kohärenten Strahlung und dadurch eine Reduktion der BeugungsVerluste zu erhalten. Im Regelfall wird der Reflektor 22 teilweise durchlässig sein.

Die nachstehenden Tabellen 1 bis 5 zeigen die mit der vorliegenden Erfindung erhältlichen stimulierten Emissionslinien.

Tabelle 1

Stimulierbares
Medium und
Temperatur

Übergang, angeregt durch
metastabiles Helium

nm

Cadmium, Cd II
150°C-320"C

Zink, Zn II
200 C-400^cC

Magnesium, Mg Π
300°C-500^DC

Aluminium, Al Π
850⁰C-BOO⁰C

5d ²D₃Z₂ -5 ρ ²Ρ°_Ι/2*)

5d ²D₅Z₂-5 ρ ²PV)

6S²S₁Z₂-Sp²PV₂

5s²²D₃z₂-5p²P°_1/2

5 s ²Sy₂ -4 ρ ²P°,_/2*)

4 s^{2 2}D₃/₂-4 ρ ²P°_1/2
4s²²D₃z₂-4p²P°₃,₂

219,4 231,2 257,2 274,8 325,0

250,2 255,8 589,4 621,4 747,9

3U²D_5n-^i

4S²S_1n^v²P⁰In**)
4 s ²S₁₇₂-Sp ²PV*)

3U¹D₂-Sp¹P⁰,
4S¹S₀-Sp¹P⁰J
3 p²¹D₂ -3 ρ ¹P⁰, **)

*) Nur mit metastabilem ¹So He.
**) Reaktion kann auch mit metastabilem Ne auftreten.

279,0 279,8 292,8 293,6

198,9 281,6 390,0

Stimulierbares Medium und Temperatur	Übergang, angeregt durch metastabiles Helium	nm
Gallium, Ga II	4d ¹D₂-4 ρ Ρ⁰,	270,0
75O'C-12OO°C	5s'So-4p P⁰,	278,0
Indium, In Il	Sd¹D₂-Sp¹P⁰,	196,6
700⁰C-IlOO⁰C	6s ¹S₀-Sp ¹P⁰,	294,1
Tabelle 2
Stimuliertes Medium und Temperatur	Übergang, angeregt durch metastabiles Helium	nm

Thallium, Tl II
400-700⁰C

Beryllium, Be II
90O-13O0°C

Germanium, Ge II
1000-1500°C

Od¹D₂-Op¹P⁰,*)
7S¹S₀-Op¹P⁰,

■2p²P

■2 p ²PV)

Ja 01/2

3S²S₁₇₂-

6S²S₁Z₂-Sp²P⁰Jz₂

s ²S_1/2-5 ρ ²P°_!/2

5P²PO₁Z₂-Ss²S₁Z₂*)

4f²FV
f ²FV

_5/2*

-4d²D ►4 d ²D₅,₂*) -4 d ²D₃Z₂*)

Zinn, Sn II
900-1350°C

^6P²P⁰;

3/2

7S²S₁Z₂-6P²PO₃Z₂^oS²S₁Z₂**)

s ²S₁^-
ρ ²P⁰JZ₂-f ²F°i/2"
4f²F°₅z₂-d ²D₃Z₂-

►6p ²P°_1/2 -6S²S₁Z₂**)
^d²D₅₇₂
►5d ²D₅,₂ ►6p ²P⁰M ►5 d ²D₃Z₂

d ²D

3/2 ■

253,0 309,1

177,61 177,63

648,4

633,6

602,1

589,3

517,9

517,86

513,1

719,1 684,4 676,1 645,3 579,9 579,7 559,6 558,8 556,1 533,2

*) Nur mit metastabilem ¹S₀ He.
**) Reaktion kann auch mit metastabilem Ne auftreten.

Tabelle 3

Stimulierbares
Medium und
Temperatur

Übergang, angeregt durch nm metastabiles Helium

Zinn, Sn Π
900°C-1350°C

Ss²S

1/2

Sf²F

6p

U2

7U²D₃₀-d ²D_5n-

♦5 d ²D

_5n

►5 P²²D

₅Z₂

384,1

371,5

362,05

362,0

358,2

357,5

340,7

335,5

335,1

Fortsetzung

Tabelle 5

Stimulierbares
Medium und
Temperatur

Übergang, angeregt durch nm metastabiles Helium

Zinn, Sn II
900°C-1350^cC

Blei, Pb II
500-850⁰C

4 f ²F°₅₇₂-5 p^{2 2}D₃₇₂ 328,3

5 f ²FV₂-5 p^{2 2}D₅₇₂ 248,6 5f ²F°₅₇₂ -5 p^{2 2}D₃₇₂ 244,8 8p²P°3/2-5p²²D₅₇2 238,4 8 P ²PV₂-5 p^{2 2}D₃₇₂ 236,0

8 s ²S₁₇₂-7 ρ ²P°₃₇₂ 839,5

8 ρ ²PV₂-6 p^{2 2}D₃₇₂ 833,5

6 f ²P°₁₇₂-6 p^{2 2}D₅₇₂*) 719,3

6 f ²F°₅₇₂ -6 p^{2 2}D₅₇₂*) 718,7 8 s ²S₁₇₂-7 ρ ²P°₁₇₂ 679,0

7 p ²P°₁₇₂-7 s ²S₁₇₂**) 666,0

9 p ²P°₁₇₂-8 s ²S₁₇₂*) 655,8 9 ρ ²P°₃₇₂-8 s ²S₁₇₂*) 631,1 9 P ²PV₂-6 p^{2 2}D₅₇₂*) 622,9

Tabelle 4

Stimuliertes Medium Übergang, angeregt durch nm und Temperatur metastabiles Helium

Blei, Pb II 7 p ²P°₁₇₂ -6 p^{2 4}P₁₇₂**) 604,1

500°C-850°C 7 d ²D₃₇₂ - 7 ρ ²P°_3/2 587,6

7p²P°3/2-7s²S_I72**) 560,8

7d ²D₅₇₂-7ρ ²PV₂ '554,4

5 f ²P°_1/2-6 p^{2 4}P₅₇₂ 537,2

5 f ²F°₅₇₂ -6 p^{2 4}P₅₇₂ 536,7

7 P ²PV₂-6 p^{2 4}Py₂**) 516,3

6 f ²F⁰S₇₂ -6 p^{2 2}D₃₇₂*) 504,9 7d ²D₃₇₂-7 ρ ²P°_1/2 504,2

7 ρ ²PV₂-6 P^{2 2}D₃₇₂*) 468,4 7P²PV₂-Op²²D₃₇₂*) 455,7

8 P ²PV₂-6 p^{2 4}P₅₇₂ 447,6 Sf²F⁰J₇₂-Od²D₃₇₂ 438,6 5 f ²FV₂-Od ²D₅₇₂ 424,5 Sf²F⁰J₇₂-Od²D₅Z₂ 424,2

9 s ²Sy₂ - 7 ρ ²P⁰Sz₂*) 415,2

Sf²F⁰JZ₂-Op²⁴P₃Z₂ 378,5

8P²PO₃Z₂-Od²D₃Z₂ 377,2

9 s ²Sy₂-? ρ ²P⁰IZ₂*) 371,8

8 U²D₅Z₂-7 ρ ²PV₂*) 371,4 6P²²Sy₂^p²PV₂*) 369,9 8P²P⁰SZ₂-Od²D₅Z₂ 366,5 6p²²P₃Z₂-? ρ ²PV₂ 364,9

, 8 U²D₃Z₂-? ρ ²PV) 345,5

Stimulierbares
Medium und
Temperatur

Übergang, angeregt durch
metastabiles Helium

Blei, Pb II
500°C-850°C

Sp²PV₂-Op²⁴P₃₇₂ 345,3

Of²F³J₇₂-Op²⁴P₅₇₂*) 345,1

6 f ²FV₂ -6 p^{2 4}P₅₇₂*) 345,0

6 p^{2 2}Sy₂-7 ρ ²P°₁₇₂*) 335,0

6 p^{2 2}P₃₇₂-7 ρ ²P°₁₇2 330,9

6 f ²F⁰J₇₂-Od²D₃₇₂*) 301,6

6 f ²FV₂ -Od²D₅₇₂*) 294,8

6 f ²F°₅₇₂-Od²D₅₇₂*) 294,7

8 P ²PV₂ -7 s ²S₁₇₂ 280,5

9 p ²PV₂-Od²D₅₇₂*) 277,2

1/2 271,7

8 P ²PV₂-7 s ²S

*) Nur mit metastabilem ¹So Helium.
**) Reaktion kann auch mit metastabilem Ne auftreten.

Bei der Diskussion der Tabellen 1 bis 5 werden die Reflektoren 21 und 22 allgemein vielschichtige, dielektrische Beläge einer Dicke von ¹A Wellenlänge bei der speziell interessierenden Wellenlänge sein. Die Methoden zum Herstellen von Reflektoren für den in Rede stehenden Zweck mit vielschichtigen Dielektrika sind allgemein bekannt.

Bezüglich der nachstehenden Erläuterung der einzelnen in den Tabellen 1 bis 5 angeführten stimulierten Emissionslinien sollte auch beachtet werden, daß der Brewster-Winkel der Stirnfenster für jede der unterschiedlichen Wellenlängen etwas verschieden ist, obgleich dieses üblicherweise nicht kritisch ist. Allgemein sind die Stirnfenster 13 und 14 unter einem kleineren Winkel gegenüber der Achse des Rohres 12 bei im Ultravioletten arbeitenden Lasern als bei im Sichtbaren oder im Infraroten arbeitenden Lasern geneigt Hochreines Quarz optischer Güte ist eines der wenigen Materialien, die sich für die Fenster 13 und 14 im Ultravioletten eignen.

Wie man aus den Tabellen 1 bis 5 sieht, ist das stimulierbare Medium in jedem der Laser ein ionisierter Dampf, zumindest eines der metallischen Elemente Cadmium, Zink, Magnesium, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Beryllium, Germanium, Zinn und Blei.

so Die in den Tabellen dem chemischen Symbol nachgestellte Ziffer II gibt an, daß das zweite Emissionsspektrum die stimulierten Emissionsübergänge enthält Das zweite Emissionsspektrum wird vom ersten Ionisationszustand eines Elements erhalten.

Für die meisten der in den Tabellen 1 bis 5 angegebenen Emissionslinien ist das Anregungs-Hilfsgas in der Mischung innerhalb des Rohres 12 Helium, da es nur die metastabilen Zustände des Heliums sind, die in der tage sind, die oberen Laser-Niveaus der ultraviolet-

ten Übergänge nichtresonant zu besetzen. In einigen Fällen ist sogar nur der energiereichste metastabile Helium-Zustand £,,in der Lage, das obere Laser-Niveau zu besetzen. In einigen wenigen Fällen beider anderen extremen Energie-Art ist der metastabile Zustand des Neons für nichtresonante Anregung adäquat Der Dampfdruck, der verschiedenen Metalle in demjenigen Rohrteil, wo die stimulierte Emission auftritt, bestimmt sich durch die Temperatur des Metalls in den

Vorratsbehältern. Der notwendige Dampfdruck liegt im Bereich von 10~⁴ bis 1 Torr (1,33· 10~⁴ bis 1,33 mbar), der durch den für jedes Metall in den Tabellen 1 bis 5 angegebenen speziellen Temperaturbereich definiert ist.

Darüber hinaus wird es in praktisch allen Fällen als vorteilhaft angenommen, ein einziges Isotop des metallischen Materials zu verwenden. Die Verwendung eines einzelnen Isotops führt zu einem viel niedrigeren Schwellenwert für Dauerbetrieb und liefert auch einen höheren Wirkungsgrad als die natürlich vorkommende Isotopen-Mischung. Der Wirkungsgrad ist definiert als der Quotient von Eingangsleistung und Ausgangsleistung.

Die anfänglichen Untersuchungen der stimulierten Emissionslinie von ionisiertem Cadmium (Cd II) bei 441,6 nm, wobei natürlich vorkommendes Cadmium benutzt wurde, zeigte beispielsweise, daß ein Dauerbetrieb mit einem Stromschwellenwert von 40 mA und einer Verstärkung 4 bis 5% pro Meter in einem 1 m langen Rohr mit 5 mm Innendurchmesser unter Verwendung von 2,67 mbar Helium als das Anregungsgas erhalten wurde. Danach wurde gefunden, daß die Verwendung eines einzigen Isotops die Verstärkung um einen Faktor von etwa 4 erhöhte, der der Kehrwert des relativen Anteils des häufigsten Isotops im natürlich vorkommenden Cadmium ist. Im einzelnen wurde gefunden, daß die Verstärkung sich auf etwa 20% pro Meter bei Strömen im Bereich von 60 mA erhöhte. Eine derartige, mehrfache Zunahme ist bei allen der nachfolgenden Beispiele zu erwarten, wo die Verschiebung der Wellenlänge der stimulierten Emission mit dem benutzten Isotop größer ist als die Doppler-Breite der stimulierten Emissionslinie. Der Gesamtwirkungsgrad betrug, ohne daß irgendwelche Versuche zur Optimalisierung unternommen worden wären, 0,02%, ein Wert, der mit dem bei 488,0 nm stimuliert emittierenden Argon-Laser vergleichbar ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Entdeckung der Natur des Anregungsmechanismus im Cadmiumdampf/ Helium-Laser, der bei 441,6 nm arbeitet, beruht auf den folgenden gefundenen Umständen.

Die Änderung der stimulierten Ausgangsstrahlung mit dem Partialdruck von Helium zeigte ein ziemlich scharfes Maximum bei 2,67 mbar Heliumdruck und eine allmähliche Abnahme bei höheren Heliumdrucken. Auch sättigt sich bei höheren Heliumdrücken die stimulierte Ausgangsstrahlung bei niedrigeren Strömen als bei einem Heliumdruck von 2,67 mbar. Des weiteren trat eine stimulierte Emission bei dem 441,6 nm-Übergang mit entweder Neon oder Stickstoff als das Hilfsgas an Stelle von Helban nicht auf und trat nur schwach auf bei nur einem Teil Neon auf 15 Teile Helium in einer dreikomponentigen Helium/Neon/Metalldampf-Gasmischung. Hieraus folgt, daß der Anregungsmechanismus in diesem Laser sehr stark von Helium als das Hilfsgas abhängt

Des weiteren wurde eine nahezu lineare Abhängigkeit der Intensität der stimuliert emittierten Strahlung vom Entladungsstrom beobachtet Die bei IpOmA beginnende Sättigung war offensichtlich nicht die Folge eines dem Laser-System eigenen Beschränkungsprozesses, sondern die Folge von Entladungs-Aufheiz-Effekten, die den Dampfdruck bei höheren Strömen änderten. Sorgfältige Versuchsniethoden unter sorgfältiger Steuerung der Temperatur ;7i der Vorratsbehälter lassen erwarten, daß die Änderungseffekte im Metalldampfdruck mit dem Entladungsstrom beseitigt werden können.

Diese Versuche lassen auf direkten Elektronenstoß als Anregungsmechanismus schließen, und zwar wegen des relativ hohen Heliumdruckes, der für max. Ausgangsleistung im Dauerbetrieb erforderlich ist. Die bisherigen Versuchsergebnisse zeigen, daß der wahrscheinlichste Anregungsmechanismus von Penning-Reaktionstyp ist, der zuerst bei den klassischen Ionisations-Querschnitts-Untersuchungen gefunden wurde, wobei ein metastabiles Helium-Atom mit einem neutralen Cadmium-Atom unter Ionisation des letzteren kollidiert.

He* + Cd -» He + (Cd⁺)* + e~ + kin.En. (1)

Das Cadmium bleibt in einem angeregten, ionisierten Zustand zurück und die überschüssige Energie wird vom emittierten Elektron aufgenommen.

Der vorstehende Anregungsmechanismus nach Gleichung (1) war bisher nicht dafür bekannt, in Lasern zu existieren, er wurde bisher auch nicht zur Verwendung in Laser vorgeschlagen.

Dieser Anregungsmechanismus ermöglicht zahlreiche andere vergleichsweise wirksame Ionen-Laser, die hauptsächlich im sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums arbeiten.

Beispielsweise können metastabile Helium-Atome

auch die Cadmium-Niveaus 5s^{2 2}D3/2, 6s ²Sm und 5d²D₅/2'3/2 besitzen, was zu stimulierter Emission im Ultravioletten bei 325,0 nm, 274,8 nm, 231,2 nm und 219,4 nm führen würde. Die letzten beiden Übergänge rühren von den 5d ²D Niveaus her, die oberhalb des metastabilen He³Si-Niveaus liegen. Diese stimulierten Emissionslinien sind in der Tabelle 1 zusammen mit einer anderen wahrscheinlichen Linie bei 257,2 nm angeführt, die von dem Übergang

bei Cadmium herrühren würde. Welcher dieser Übergänge in der Apparatur zur Emission stimuliert wird, hängt von der speziellen Wahl der Resonator-Spiegel ab.

Im einzelnen wird bei dem bei 325 nm im Ultravioletten und mit einfach ionisiertem Cadmium arbeitenden Laser die Temperatur Γι in der Achse des Rohres 12 typischerweise oberhalb der Temperatur Γ₂ des Vorrates gehalten; und die Vorratstemperatur T₂ wird zwischen 230 und etwa 300⁰C, in Abhängigkeit von den anderen System-Parametern, gehalten. Üblicherweise wird eine Temperaturdifferenz von 50⁰C zwischen Γι und T₂ aufrechterhalten, obgleich diese Beziehung nicht kritisch ist

Zur Vervollständigung als optischer Sender ist ein optischer Resonator vorgesehen, der durch gegenüberstehende, in der Achse des Rohres 12 angeordnete Reflektoren 21 und 22 gebildet ist Für den bei 325nm im Ultravioletten arbeitenden Cadmium-Laser sind die Reflektoren 21 und 22 vielschichtige, dielektrische Reflektoren, die ein wesentlich größeres Reflektionsvermögen bei 325 nm als bei 441,6 nm liefern. Die Fenster 13 und 14 sind aus hochreinem Quarz optischer Qualität

Der 325-nm-Übergang bei einfach ionisiertem Cadmium ist von den neuen übergängen der interessanteste

es dahingehend, daß hiermit erstmalig im Ultravioletten im Dauerbetrieb betreibbarer Laser mit relativ einfachen Methoden aufgebaut und betrieben werden kann, die in dieser Hinsicht mit den Helium/Neon-Lasern vergleich-

bar sind. Die max. beobachtete Verstärkung war etwa 3 bis 4% in einem 1 m langen Entladungs-Rohr mit einem 4-mm-Innendurchmesser bei einem Entladungs-Strom von annähernd 150 mA unter Verwendung des einzelnen Isotops Cd'¹⁴. Die Ausgangsleistung war annähernd 6 mW, obgleich es sich hierbei nicht um ein optimalisiertes Ergebnis handelt, da Spiegel nicht zur Verfügung standen, um max. Ausgangsleistung einzustellen. Maximale Verstärkung erhielt man bei einem Cadmium-Partialdruck von annähernd 4-10-³mbar (der optimale Partialdruck nimmt mit dem Strom infolge der Natur des Anregungsprozesses zu) und bei einem Heliumdruck von 4,67 mbar, obgleich der Laser auch bei höheren Heliumdrücken schwingt, beispielsweise im 441,6-nm-Übergsng. Die Dichte des oberen Laser-Ni- js veaus nimmt mit dem Strom linear zu, vorausgesetzt, daß die Cadmium-Dampfdichte konstant gehalten werden kann. Diese Linearität wurde für Ströme bis zu 100 mA beobachtet Der prinzipielle Anregungsmechanismus entspricht dem des vorstehend beschriebenen Penning-Stoßes. Die metastabilen Helium-Atome besitzen das Niveau 5S^{2 2}D3/2 des ionisierten Cadmiums, um die Umkehr der Besetzungsdichte für den 325-nm-Übergang zu erzeugen.

In ähnlicher Weise ist der gleiche Anregungsmechanismus bei Mischungen von Helium und Zinkdampf anwendbar. Das ionisierte Zink, Zn II, hat die in der obigen Tabelle 1 angegebenen nichtresonant besetzbaren Energie-Niveaus.

Die resultierenden Übergänge für stimulierte Emission haben die Wellenlängen von 250,2 nm und 255,8 nm im Ultravioletten, ferner die Wellenlängen 589,4 nm und 621,4 nm im Sichtbaren und die Wellenlänge 747,9 nm im nahen Infraroten.

Die letztere stimulierte Emissionslinie wurde als im Dauerbetrieb schwingend beobachtet, wenn eine Mischung mit Helium eines Partialdruckes von 2,67 mbar verwendet wurde.

Der 747,9-nm-Übergang in einfach ionisiertem Zink entspricht dem 441,6-nm-Übergang in einfach ionisiertem Cadmium. Die Ausgangsleistung hatte ein Maximum bei annähernd dem gleichen Partialdruck von Zink (32O⁰C; 5,33- IO-³ mbar) wie im Falle von Cadmium für die 441,6-nm- und 325-nm-Übergänge (24O⁰C; 4-10-³mbar). Der optimale Heliumdruck war annähemd 533 mbar, stimulierte Emission trat jedoch in einem Bereich von 2,67 bis 133 mbar auf. Die Verstärkung betrug 2% in einem 1 m langen Entladungsrohr eines Innendurchmessers von 5 mm bei einem Strom von 8OmA. Der Schwellenwertstrom betrug annähernd 50 mA und die Ausgangsleistung der stimulierten Emission nahm bis zu 100 mA linear zu. Entladungsströme oberhalb 100mA wurden nicht untersucht ~ ^; .

Wie die Tabellen 3 bis 5 zeigen, sind die neuen Übergänge in. Zinn und Blei, bei denen stimulierte Emission möglich ist; extrem zahlreich. Tatsächlich können verschiedene derselben durch metastabile Neon-Niveaus in Mischungen von Zinn- Oder Bleidampf mit Neon angeregt werden, wie dieses durch die Doppelsterne angegeben ist Es sei auch bemerkt, daß viele dieser Übergänge im Sichtbaren liegen und deshalb für zahlreiche Anwendungsfälle in der Nachrichten-Übertragungstechnik, der Medizin und der allgemeinen Wissenschaft höchst aussichtsreich sind.

Speziell wurde gefunden, daß die beiden mit einem Stern versehenen Übergänge von Zinn in der Tabelle 2 zum Schwingen im Dauerbetrieb mit einer Apparatur entsprechend der dargestellten gebracht werden konnten. Darüber hinaus haben diese Zinn/Helium-Laser Betriebseigenschaften, die denen des Cadmium/Helium-Lasers bei 441,6 nm gleichen. Man kann daher sagen, daß jene eine starke Bestätigung für die Verallgemeinerung des Anregungsschemas nach der obigen Gleichung (1) auf andere Systeme geben.

Die beiden im Dauerbetrieb betreibbaren Übergänge in einfach ionisiertem Zinn (Sn) sind also von großem Interesse dahingehend, als sie anzeigen, daß der Penning-Prozeß auf andere Energieniveau-Strukturen als die des Cadmiumsystems anwendbar ist Beide Übergänge treten zwischen Energieniveaus ausreichend unterhalb der metastabilen Heliumniveaus auf und haben das gleiche untere Niveau gemeinsam. Der 3/2-»l/2-Übergang bei 6453 nm ist der stärkere Übergang und hat einen Schwellenstrom von annähernd 30 mA bei einem Zinn-Partialdruck von 2· IO-³ mbar (entspricht einer Temperatur von 1100°C für die Zinnmetall-Dampfquelle), und bei einem optimalen Helium-Dampfdruck von 10,67 mbar in einem 75 cm langen Entladungsrohr eines Innendurchmessers von 5 mm. Die Ausgangsleistung der stimuliert emittierten Strahlung nahm annähernd linear mit dem Entladungsstrom bis zu einem Strom von 100mA zu. Eine weitere Erhöhung des Stroms wurde nicht versucht, und zwar wegen der Temperaturbeschränkungen des Quarz-Entladungsrohres. Die stimulierte Emission begann bei einer Temperatur von 1020⁰C und erhöhte sich annähernd linear mit zunehmendem Zinn-Partialdruck, bis sie sich bei einer Temperatur von 1100⁰C zu sättigen begann (eine weitere Temperaturerhöhung war wegen des Quarzes nicht möglich). Stimulierte Emission trat in einem Druckbereich von 4 bis 16 mbar Helium auf, wobei die maximale Ausgangsleistung bei annähernd 10,67 mbar auftrat (Drücke von mehr als 16 mbar wurden nicht untersucht). Die Verstärkung bei einer Dampftemperatur von 1100⁰C sowie bei einem Strom von 80 mA betrug annähernd 2 bis 3% in der effektiv 75 cm langen Entladungsstrecke.

Die stimulierte Emission beim 684,4-nm-Übergang wurde nicht im einzelnen untersucht, hatte aber beträchtlich geringere Verstärkung und erforderte einen Schwellenwertstrom von annähernd 80 mA. Spiegel mit hohem Reflektionsvermögen bei 684,4 nm und niedrigem Reflektionsvermögen bei 6453 nm sind für diese Linie wünschenswert, sie waren aber nicht verfügbar, um eine unabhängige Untersuchung der Eigenschaften der stimulierten Emission bei 684,4 nm auszuführen. Natürlich vorkommendes Zinn ist eine Mischung zahlreicher Isotopen, aber die Wellenlängen-Verschiebungen durch die Isotope sind viel kleiner als die Doppler-Breite (1100 MHz bei 1100⁰C) bei diesen Übergängen. Daher beschränkt die Verwendung einer natürlichen Isotopen-Mischung nicht die Laser-Verstärkung, wie dieses bei den Cadmium-Laser-Übergängen derFallist

Die vorherrschende Rolle der Penning-Stoßreaktion bei der Anregung des 441,6-nm- und 325-nm-Übergangs in einfach ionisiertem Cadmium ist bereits erläutert worden. Die Annahme, daß dieser Prozeß auch der vorherrschende Anregungsmechanismus bei den 6453-nm- und 684,4-nm-Laser-Übergängen in einfach ionisiertem Zinn ist, sowie bei dem 747,9-nm-Laser-Übergang in einfach ionisiertem Zink ist, beruht auf der Übereinstimmung der jeweiligen Laser-Eigenschaften mit den folgenden allgemeinen Eigenschaften von durch Penning-Reaktionen angeregten lonen-Zuständen:

1. Der Prozeß erzeugt von Hause aus eine ziemlich scharfe Anregungskopplung oder »Resonanz« zu den verschiedeneu Ionen-Niveaus über einen kleinen Partial-Druckbereich des Metalldampfes. Der Ausdruck Resonanz ist hier aber nicht im Sinne einer Energie-Zustands-Anpassung benutzt, sondern im Sinne einer leichten Energie-Übertragung, die bei geeigneten Werten der System-Parameter ein Maximum hat Sonach wird Laser-Wirkung nur in einem begrenzten Partial-Druckbereich auftreten, der einer Dampfquellentemperaturänderung von einigen Graden Kelvin oberhalb und unterhalb der Temperatur entspricht, bei welcher der maximale Laser-Ausgang auftritt
2- Die durch Penning-Reaktion angeregten Ionen-Zustands-Dichten werden mit dem Entladungsstrom zunehmen, bis ein Stromwert erreicht ist, wo sich die Dichte des metastabilen Helium-Triplet-Zustandes zu sättigen beginnt (die Dichte des metastabilen Singlet-Zustandes von Helium sättigt sich bei einem viel niedrigeren Stromwert als die Triplet-Dichte, aber die durch Penning-Reaktion angeregten lonen-Zustände folgen allgemein der Triplet-Dichte, da diese in einer normalen Entladung viel größer ist als die des Singlets). Folglich ändert sich der Laser-Ausgang linear mit dem Strom, bis sich die Triplet-Dichte sättigt (üblicherweise gut oberhalb 100 tnA).

3. Die Dichte des metastabilen Helium-Triplet-Zustandes erreicht bei einer Gas-Entladung in einem 4-mm-Rohr ein Maximum bei einer Heliumdichte, die einem Druck von annähernd 4,67 mbar bei einer Gastemperatur von 240° C entspricht (wo max. Lasar-Wirkung bei den Cadmium-Lasern im Blauen und Ultravioletten auftritt). Diese gleiche Dichte (unter Verwendung des Charles'schen oder Gay-Lussac'schen Gesetzes) entspricht einem Druck von annähernd 5,33 mbar bei einer Gastemperatur von 320° C (dem experimentell beobachteten Maximum des 747,9-nm-Übergangs in einem Zn-II-Laser) und einem Druck von 10,67 bis 12 mbar bei einer Gastemperatur von 1100° C (dem experimentell beobachteten Maximum der Zinn-Laser-Übergänge).

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Bei Magnesium und Aluminium können die mit zwei Sternen in der Tabelle 1 bezeichneten Übergänge in Mischungen laseraktiv auftreten, in welchen das anregende Gas Neon ist, das auf sein metastabiles Niveau angeregt ist

Neue Laser-Linien in Gallium und Indium sind durch den neuen Anregungsmechanismus bei Mischungen mit Helium möglich, wie dieses in Tabelle 1 angegeben ist

Bei Thallium, Beryllium, Germanium sind jene neuen Übergänge mit einem Sternchen in der Tabelle 2 versehen, welche nur durch das obere metastabile Helium-Niveau angeregt werden können. Es sei bemerkt, daß drei der Übergänge dahingehend bevorzugt sind, als sie auch durch das untere metastabile Helium-Niveau besetzt werden können; von ihnen kann daher erwartet werden, daß sie die leistungsfähigsten sind.

Bei der modifizierten Anordnung nach F i g. 2 ist ein ausgeglichenes Anregungs-Schema verwendet, das die Fenster sauber hält und erhöhte Stromwerte ermöglicht. Die Gasmischung, die den Dampf des stimulierbaren Mediums und Helium oder Neon enthält, befindet sich in einem Rohr 12 aus Quarz oder hitzebeständigem Glas, das seinerzeit mit unter dem Brewster-Winkel geneigten Fenstern 13 und 14 beidseitig verschlossen ist Das Rohr 12 hat in seinem engeren Teil einen Innendurchmesser von 3 bis 5 mm, der sich praktisch längs der ganzen Entladungsstrecke des Rohres 12 erstreckt

Die Anregungsleistung wird dem Rohr über eine elektrische Entladungs-Apparatur zugeführt, die Anoden 15/4 und 155 in den erweiterten Endteilen des Rohres 12 aufweist, ferner eine Kathode 16 in der Mitte des Rohrs sowie einstellbare Gleichspannungsquellen 17A und 17B, die mit der üblichen Polung'zwischen den Anoden 15A und lSuund der Kathode 16 gelegen sind.

Es sind seitliche Behälter 18Λ und 185 vorgesehen, die als Anhängsel des Rohrs 12 Behälter für den flüssigen oder festen Vorrat des stimulierbaren Mediums bilden. Diese Vorratsbehälter sind im Längsabstand von annähernd 2 cm zwischen Anoden und der Kathode angeordnet, so daß die Fenster sauber gehalten werden und eine praktisch gleichförmige Metalldampf-Verteilung zwischen den Vorratsbehältern bei vorhandener Kataphorese aufrechterhalten wird.

Das Rohr 12 einschließlich seiner Fenster 13 und 14 befindet sich in einer primären Temperatur-Steuereinrichtung 19, die dafür ausgelegt ist, das stimulierbare Medium innerhalb des zentralen Teiles des Rohrs 12 im Dampfzustand bei einer ausreichend hohen Temperatur zu halten, um die gewünschte Atomkonzentration und den gewünschten Dampfdruck zu haben. Deshalb ist die Temperatur-Steuereinrichtung 19 typischerweise ein Ofen, der durch ein um die Apparatur vom einen zum anderen Ende dicht aufgewickeltes Widerstandsband gebildet ist, ohne daß dabei die Fenster verdeckt würden, andererseits kann auch eine andere beheizte Ummantelung vorgesehen sein. Alternativ kann gerade mit zwei Vorratsbehältern eine ausreichend intensive Entladung diese Funktion übernehmen.

Um einen ausreichenden Dampfdruck des Metalls über den Vorrat in den Behältern 18/4 und 18ß zu erzeugen, hält eine Vorratsbehälter-Temperatur-Steuereinrichtung 20 eine Temperatur T₂ aufrecht, die niedriger als die Temperatur Γι in der Einrichtung 19 ist, und zwar um etwa 50° C niedriger. Nichtsdestoweniger wurde gefunden, daß spezielle Maßnahmen zum Erhalt einer thermischen Isolation zwischen den Temperatur-Steuereinrichtungen 19 und 20 unnötig sind. Beispielsweise genügt bei Hochleistungs-Entladungen der in unterschiedlichen Abständen von der Entladungs-Achse auftretende Temperatur-Gradient, den gewünschten Dampfdruck des Materials in den Vorratsbehältern aufrechtzuerhalten. Gelegentlich mag es wünschenswert sein, eine variable, getrennte Temperatursteuerung zu verwenden, wie diese dargestellt ist

Bezüglich der anderen, hier wesentlichen Einzelheiten ist der Betrieb der Ausführungsform nach F i g. 2 ähnlich dem der Ausführungsform nach F i g. 1. Die Ausführungsform nach Fig.2 ermöglicht höhere Stromwerte und Ausgangsleistungen und ist deshalb besonders vorteilhaft

In vorliegender Erfindungsbeschreibung ist ursprünglich Torr als Druckeinheit benutzt worden, die dann in mbar umzurechnen war (1 Torr - 133322 mbar). Soweit hierdurch »krumme« Zahlenwerte entstanden sind, sollen diese nicht als mit engerer Toleranz als die ursprünglichen, zumeist ganzzahligen Torr-Angaben behaftet verstanden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ionenlaserapparatur mit einem das stimulierbare Medium einschließenden Gefäß (12), das mit einer s Anregungsentladungseinrichtung (15, 16, 17) zum Erzeugen metastabiler Atome eines aus Helium und/oder Neon bestehenden Gases versehen ist und eine Verdampfungseinrichtung (18Λ bis ISE, 19,20) zum Erzeugen von Dampf eines Metalls aufweist, das im Dampfzustand einen strahlenden Übergang besitzt, einem auf die durch den strahlenden Übergang hervorgerufene Emission abgestimmten Resonator (21, 22) und einer Einrichtung (22) zum Auskoppeln eines Teils der Strahlung aus der Apparatur, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall (Φ) aus Cadmium, Zink, Magnesium, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Beryllium, Germanium, Zinn und Blei ausgewählt ist, daß der Druck des Gases 2 bis 12 Torr (2,67 bis 16mbar) beträgt und daß der sich entsprechend der Temperatur der Dampfquelle der Verdampfereinrichtung einstellende Dampfdruck des Metalls derart im Bereich zwischen IO-⁴ und 1 Torr (1,33· IO-⁴ bis 133 mbar) gelegen ist, daß das Metall (Φ) in eine der Reaktionen

He*+Φ -·■ (Φ+)*+He+e~ + kinetische Energie
und
Νβ*+Φ-<·(Φ⁺)*+Νε+β- + kinetische Energie _J0

eintritt, wobei (Φ+)* das auf das obere Energier.'iveau des strahlenden Übergangs angeregte Ion des ausgewählten Metalls ist

2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Helium ist, und das Metall Cadmium, das zur Verdampfung in das Helium-Gas auf wenigstens 230° C erhitzt wird, um Penning-Stoßwechselwirkung mit den metastabil angeregten Heliumatomen zu fördern, so daß die Gasentladungseinrichtung zu einer Entladung in dem Gas und dem verdampften Cadmium führt und dabei das verdampfte Cadmium via Penning-Stoßwechselwirkung einfach ionisiert wird, und daß der Cadmiumdampf auf einer Temperatur zwischen 230 und 300° C zur Aufrechterhaltung der Penning-Stoß-Wechselwirkung gehalten wird.

3. Apparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator mit der Achse des Gefäßes ausgerichtet ist und ein Paar Reflektoren (21, 22) aufweist, die zur Aufrechterhaltung einer kohärenten Strahlung aus dem Cadmiumdampf bei 325 nm ausgewählt sind.