DE1946434C3

DE1946434C3 - Ionenlaserapparatur

Info

Publication number: DE1946434C3
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: 1979-12-06
Also published as: DE1946434B2; GB1255983A; FR2018175A1; NL6913504A; NL167809C; US3585524A; NL167809B; BE738867A; DE1946434A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lonenlaserapparatur mit einem das stimulierbare Medium einschließenden Gefäß, das mit einer Anregungsentladungseinrichtung zum Erzeugen metastabiler Atome eines aus tin 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 Emiission 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. Laser, 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 Anwendungsfälle liegt auf dem Gebiet der Nachrichtenübertragung, wo die verfügbare Bandbreite stark erhöht werden kann, wenn eine Trägerfrequenzquelle benutzt wird, deren Frequenz viel höher aJs 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 nm 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 als auch im Infraroten arbeitenden Laser.

Die Suche 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 Anwendungsfälle der Nachrichtenübertragung dar. So würde es wünschenswert seih, 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 lonen-Lasern betrachtet. Anregung?-Hilfsga.se 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 Gasmischungen bei den bekannten Ionen-Lasern als

nicht brauchbar erwiesen haben, liegen im Fall des ersten Mechanismus darin, daß das Einfallsenergieniveau, das für eine resonante Energieübertragung streng genug angepaßt ist, ziemlich niedrig ist, oder 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-Miveaus 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 ArL 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 (2,67 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 Anregungsmeehanismus 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, 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 16 mbar) beträgt und daß der sich entsprechend der Temperatur der Dampfquelle der Verdampfereinrichtung einstellende Dampfdruck des Metalls derart im Bereich zwischen 10-⁴ und 1 Torr (U3-10-* bis 1,33 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 lon 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.

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 bii Ionen-Lasern benutzt, bei welchen die stimulierbarer. Gase Dämpfe von Cadmium.

Zink, Magnesium, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Beryllium, Germanium, Zinn oder Blei in den ersten lonisationszuständen dieser Elemente sind. Bei dem neuen Cadmiumdampf-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 Rohre in einem Resonator, der zur Resonanz bei der speziell interessierenden Wellenlänge ausgelegt ist

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

Stimulierte Emission im Dauerbetrieb, die auf den vorstehenden Prinzipien beruht, wurde bei 325 nm im Ultravioletten bei einfach ionisiertem Cadmium beobachtet ferner bei 645,3 nm und 684,4 nm im Sichtbaren bei einfach ionisiertem Zinn, und bei 7473 nm im nahen Infraroten bei einfach ionisiertem Zink. Stimulierte Emission trit in den Helium-Metalldampf-Entladungen bei Helium-Drücken von 2,7 bis '3 mbar und bei Pärtialdrüeken des Metalldampfes von 1,3-!O-⁴ bis 13 mbar auf. Ausreichende Temperaturen zum Aufrechterhalten des Metalldampfes werden von Wärmequellen und ausreichenden Leistungspegeln der tntla-

2·» dung 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

m betrieben werden kann wie die Helium-Neon-Laser. In der Zeichnung zeigen

Fig.l und 2 je eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 befindet sich die

r> 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 Stirnfenstirn 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 ISA bis 18E

ίο 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—2OdTi 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 Lt, daß das stimulierbare Medium im Mittelteil des Rohres 12 im Dampfzustand bei ausreichend hoher Temperatur gehalten wird, 'im die gewünschte Atomkonzentration und den gewünschten Dampfdruck zu haben. Sonach ist die Temperatur-Steuerapparatur 19 im Regelfall ein Ofen, der durch ein

j^r, 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 I8£zu halten, hält eine die Vorratsbehälter-Temperatur steuernde Einrichtung 20 eine niedrigere Temperatur, 7}, als die Temperatur, T\, in der Apparatur 19 aufrecht. Im allgemeinen wurde gefunden, daß spezielle MaBnahmen zum Erhalt einer thermischen Isolation zwischen den Apparaturen 19 und 20 unnötig sind. Beispielsweise isl 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 wünschens vierl spin, variable, getrennte Tnmppraliir-.Steiieningen. 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, dall 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 Beugungsverlliste 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 Emis

Slimulicrbares Medium und Temperatur	Übergang, angeregt durch metastabiles Helium	4 P P°,	nm
Gallium, Ga Il	4d 'D₂-	4 p P°,	270,0
750 C-1200 C	5 s ¹S₁, -	5 P ¹P",	278,0
Indium, In Il	5d 'D₂ -	■Sp'P⁰,	196 6
in 700 C-IlOO C"	6 s 'S₀ -		294,1
Tabelle 2		Übergang, angeregt durch metastabiles Helium	'
¹ ' Stimuliertes Medium und Temperatur	nm

Thallium, TI 1!
400-700 C

Beryllium, Be Il
900-1300 C

₂-, Germanium, Ge Il
1000-1500 C

6d ¹D₂ ·6ρ ¹P",*) 253,0

7 s 'S_n-6p ¹P", 309,1

3s²S_l/2-2p²P°„₂*) 177,61

3 s ²S„₂-2 p ²P°,_/2*) 177.63

6 s ²Su₂-5 ρ ²P⁰V₂ 648,4

6 s ²Su₂-5 ρ ²P⁰U₂ 633,6

5P²P⁰U₂^Sf²Su₂*) 602,1

P ²P⁰V₂ ^5 s ²Sin*) 589,3

4r²F°,n-4d²D_5/2*) 517,9

4f²F°_5/2-4d ²D_5/2*) 517,86

F²F⁰SH-4 d ²Dv₂*) 513,1

sionsiinien.	Übergang,	angeregt durch	-5p²P°,_/2*)	nm	r>	Zinn, Sn II	7 s ^S,π	-6s²S_1/2**) -6p²P°,n	719,1	-Op²P⁰JH	nm
Tabelle 1		metastabiles Helium	-Sp²PV₂*)			900-1350 C	7s²S,H	-6s²S,H)**	684,4 676,1	-6 p ²PV₂
Slimulierbares							6P²P⁰V₂	-5 d ²D_5/2	645,3	-Sd²D_5n
Medium und		-5 ρ ²PV₂		40		4 f ²F⁰		579,9	-5(I²D₅H	384,1
Temperatur	5d²D„-	-5P²P⁰U₂	219,4			4 f ²F⁰	-op -r"j_/2	579,7	-6P²P⁰JH	371,5
	5 d ²D₅,2		231.2			ό d ^:ö_3/2		559,0	-6P²PV₂	362,05
Cadmium, Cd II	6s²S,_/2	-4 ρ ²P°„2*)	257.2			4 Γ ²F⁰	-Op²P⁰V₂	558,8	-5O²D₅H	362,0
150 C-3 20 C	6s²S_1/2	-4p²P°v2*)	274,8	4-,		6 d ²D₅H	-6P²P⁰U₂	556,1	-Sd²D₃H	358,2
	5 s^{2 2}D_3/2	-4P²P⁰U₂	325,0			6 d ²D_3/2		533,2	-Sp²²D₅H	357,5
		-4 p ²P⁰V₂								340,7
	5s²S,_/2	-4P²P⁰V₂	250,2		*) Nur mit metastabilem ¹So He.			335,5
	5 s ²S,,,	-3P²P⁰U₂)**	255,8		**) Reaktion kann	auch mit metastabilem Ne auftreten.		335,1
Zink, Zn II	4 s^{2 2}D₃₇,		589,4	50
200 C-400 C	4S²²Dv₂	-3 p ²P⁰In)**	621,4
	4 s^{2 2}D_5/2	-3P²P⁰JH)**	747,9		Tabelle 3
	3 d ²D_5/2	-3P¹P⁰,	279,0	„	Stimulierbares
	3 d ²D_3/2	-3 P ¹P⁰I	279,8		Medium und
Magnesium, Mg II	4S²S₁H	-3P¹P⁰,**)	292,8		Temperatur
300 C-500C	*4S²Sy₂*		293,6		Zinn, Sn II	Übergang, angeregt durch
	3 d 'D₂		198,9	60	9O0'C-135O⁼C	metastabiles Helium
	4S¹S₀		281,6
Aluminium, AI II	3P²¹D₂		390,0			8 S C>l,-2
850 C-1300 C					8 s ²SiH
	*) Nur mit metastabilem ¹S₀ He.		65		Sf²^n
		**) Reaktion kann auch mit metastabilem Ne auftreten.			5 f ²F⁰JH
					7 d ²D₃H
		7 d ²D₅H
	8 P ²P⁰JH
8 P²P°,n
4 f ²FV₂

lorlscl/iinp

Tabelle 5

Slimulierbares
Medium und
Temperatur

Übergang, angeregt durch
metastabiles Helium

Slimulierbares Medium und j Temperatur

Übergang, angeregt durch
metastabiles Helium

Zinn, S-i 11	4Γ	²F°₅₇₂	-5	P^{2 2}Dv₂	328 3 Blei, Pb II
900 C-1350 C	5T²F⁰I₇₂	-5	P²²D₅Z₂	248^6 ⁵⁰° ^c~^{850 c}
	51"	-5	P²²Dv;	244,8 "'
	8p	• 5	P^{2 2}Dv₂	238,4
	8p	-5	P"' ²Dv₂	236,0
Blei, Pb II	8s	>7	P ²P⁰V₂	839.5 ,-
500-850 C	8 ρ	*■6**	P^{2 2}Dv₂	833,5
	6T	-6	*P²²D₅Zi)**	719,3
	ftf^:		n^J?n,.",*>	718 7
²FV₂
²C⁰V₂
²I'"i/j
²ς JiZ₂
²PV₂
'PV₂
>r;0

8 s ²S|/₂-7 ρ ²Ρ"_ι/2 679,0

7 ρ ²Ρ"|_/2 -7 s ²S₁Z₂**) 666,0

9 ρ ²Ρ"_ι/2 -8 s ²S,_/:*) 655,8

9ρ²Ρ"ν₂ 'Ss²S₁Z₂*) 631,1

9 ρ ²P^Ov₂-6p²-'D₅z₂*) 622,9

8 ρ ²P°₁₇₂-6 p^{2 4}P₃Z₂ 345,3

6T²FV₂-Op²⁴P₅₇₂*) 345,1

6T²F⁰V₂-Op²⁴P₅₇₂*) 345,0

6p²²S₁.,₂-7p²P"_l72*) 335,0

6 P^{2 2}P.v₂ - 7 ρ ²P"_I72 330,9

6T²F⁰V₂ >6d ²D₁₇₂*) 301,6

6T²FV₂-Od²D₅₇₂*) 294,8

6 T ²F⁰V₂ - 6 d ²D₅₇₂*) 294,7

8 P ²P°i;j -7 s ²S|,₂ 280,5

9 P ²T'°₃,2 -"od ²D₅₇₂*) 277,2

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

Tabelle 1

Stimuliertes Medium Übergang, angeregt durch nm
und Temperatur metastabiles Helium

Blei, Pb I!
C-850 C

7 P ²P°i/₂-6p²⁴P|z₂**) 604,1

7 d ²D₃Z₂ - 7 ρ ²P°_3/2 587,6

7 ρ ²PV₂ -7 s ²S„₂**) 560,8

7d ²D₅₇₂-7 ρ ²PV₂ '554,4

5 T ²P°_1/2-6 p² %₂ 537,2 5T²FO₅₇₂-Op²⁴P₅₇₂ 536,7 7 ρ ²P°₃₇₂ -6 p^{2 4}P₁₇₂**) 516,3

6 T ²F°₅₇₂-6 p^{2 2}D₃₇₂*) 504,9

7 d ²D₃Z₂-7 ρ ²P°_1/2 504,2

7 ρ ²PV₂-6 p^{2 2}D₃₇₂*) 468,4 7p²PV₂-6p²²D₃₇₂*) 455,7

8 P ²PV₂-6 p^{2 4}P₅₇₂ 447,6 5r²F°₅₇₂-6d²D₃₇₂ 438,6

5 r²F°₁₇₂-Od²D₅₇₂ 424,5 5f²F°_5/2-6d ²D₅Z₂ 424,2

9 s ²S₁Z₂-7 ρ ²PV₂*) 415,2

5T²F⁰S₇₂-Op²⁴P₃Z₂ 378,5

8_ 2p0 -ij 2γλ ^77 η

P *· 3/2 ^^ O ti ^-^3/2 Oll +£-

9S²S₁Z₂^p²PV) 371,8

8d ²D₅Z₂-7ρ ²P°_3/2*) 371,4

6p²²S_1/2 -7 P²PV₂*) 369,9

8 P ²P⁰Sz₂-* 6d²D_5/2 366,5

6 P^{2 2}P₃Z₂-7 P²P⁰JZ₂ 364,9 . 8 d ²D₃Z₂-Tp²P⁰U₂*) 345,5

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

8 ρ ²PV₂-7 s ²S₁

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

2> Bei der Diskussion der Tabellen I bis 5 werden die Reflektoren 21 und 22 allgemein vielschichtige, dielektrische Beläge einer Dicke von 'Λ Wellenlänge bei der speziell interessierenden Wellenlänge sein. Die Methoden zum Herstellen von Reflektoren für den in Rede

so 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

j? 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

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.

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 Lage sind, die oberen Laser-Niveaus der ultraviolet-

ten Übergänge nichtresonant zu besetzen. In einigen Fällen ist sogar nur der energiereichste metastabile Helium-Zustand ko in der Lage, das obere Laser-Niveau zu besetzen. In einigen wenigen Fällen bei der 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 \0* bis I Torr (1,33· ΙΟ-* bis 1,33 mbar), der durch den für jedes Metall in den Tabellen I 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 m 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, zei^rtte beispielsweise, daß ein Dauerbetrieb mit einem Stromschwellenwert von 40 mA und einer Verstärkung 4 bis 5% pro Meter in einem I 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 Cadmiumdam.pf/ Helium-Laser, der bei 441,5 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 Heliumdrücken. 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 Helium 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 100mA 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 Versuchsmethoden unter sorgfältiger Steuerung der Temperatur Ti 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 lonisations-Querschnitts-Untersuchungen gefunden wurde, wobei ein metastabiles Helium-Atom mit einem neutralen Cadniium-Atom unter Ionisation des letzteren kollidiert.

Hc* l· Cd > Hc f- (Cd')* l· c ( kin.fin.(I)

Das Cadmium bleibt in einem angeregten, ionisierten Zustand zurück und die überschüssige Energie wird vom emittierten Elektron äuf^afenornnⁱ.en.

Der vorstehende Anregungsinechanismus nach Gleichung (I) 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-Nivcuus 5s-'-'D)/>. 6s-'Si,) und 5d -D-, 2 1.2 besitzen, was /u 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 He'St-Niveaus liegen. Diese stimulierten Einissionslinien sind in der Tabelle I zusammen mit einer anderen wahrscheinlichen Linie bei 257,2 nm angeführt, die von dem Übergang

6s -'S,,)- 5p -'P", _,

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 Ti in der Achse des Rohres 12 typischerweise oberhalb der Temperatur T2 des Vorrates gehalten; und die Vorratstemperatur Tj wird zwischen 230 und etwa 300°C, in Abhängigkeit von den anderen System-Parametern, gehalten. Üblicherweise wird eine Temperaturdifferenz von 50°C zwischen T\ und Ti 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 325 nm im Ultravioletten arbeitenden Cadmium-Laser sind die Reflektoren 21 und 22 vielschichtige, dielektrische Reflektoren, die ein wesentlich größeres Reflektionsvermögen bei 325 ηm als bei 441,6 nm liefern. Die Fenster 13 und 14 sind aus hochreinem Quarz optischer Qualität.

Der 325-nm-Übergang bei einfach ionisiertem Cadriium ist von den neuen Übergängen der interessanteste 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 eii-em 1 m langen Entladungs-Rohr mit einem 4-mm-lnnendurchmesser bei einem Entladungs-Strom von annähernd 15OmA unter Verwendung des einzelnen Isotops Cd¹¹⁴. 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-IO"³mbar (der optimale in 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 Heliuindrücken schwingt, beispielsweise im 441,6-nm-Übergang. Die Dichte des oberen Laser-Ni- ι -, veaus nimmt mit dem Strom linear zu, vorausgesetzt, daß die Cadmium-Dampfdichte konstant gehalten werden kann. Diese Linearität wurde für -S*ron?e bis ?'.! 100 mA beobachtet. Der prinzipielle Anregungsmechanismus entspt iht dem des vorstehend beschriebenen jn Penning-Stoßes. Die metastabilen Helium-Atome besitzen das Niveau 5S²²Dw des ionisierten Cadmiums, um die Umkehr der Besetzungsdichte für den 325-nm-Übergang zu erzeugen.

In ähnlicher Weise ist der gleiche Anregungsmecha- >-> nismus bei Mischungen von Helium und Zinkdampf anwendbar. Das ionisierte Zink, Zn il, hat die in der obigen Tabelle I angegebenen nichtresonant besetzbaren Energie-Niveaus.

Die resultierenden Übergänge für stimulierte Emis- m sion 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 r> 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 ionisier- κι tem Cadmium. Die Ausgangsleistung hatte ein Maximum bei annähernd dem gleichen Partialdruck von Zink (320⁰C; 5,33-10' mbar) wie im Falle von Cadmium für die 441,6-nm- und 325-nm-Übergänge (240⁰C; 4· 10"^J mbar). Der optimale Heliumdruck war annä- 4-, hemd 533 mbar, stimulierte Emission trat jfdcch 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 80 mA. Der Schwellenwertstrom betrug annähernd 50 mA und die Ausgangsleistung der stimulierten Emission nahm bis zu 100 mA linear zu. Entladungsströme oberhalb 100 mA 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 (I) 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 Cadmiumsystenis anwendbar ist. Beide Übergänge treten zwischen F.nergieniveaus ausreichend unterhalb der metastabilen Heliumniveaus auf und haben das gleiche untere Niveau gemeinsam. Dt 3/2-· 1/2-Übergang bei 645,3 nm ist der stärkere Übergang und hat einen Schwellenstiom von annähernd 30rpA bei einem Zinn-P?.rti?.k!ri!ck von 2· 10 ' mbar (entspricht einer Temperatur von ; 100⁰C 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 Entladungsstroni bis zu einem Strom von 10OmA zu. Eine weitere Erhöhung des Stroms wurde nicht versucht, und z.war wegen der Temperalurbeschränkun gen des Quarz-Entladungsrohres. Die stimulierte Emission begann bei einer Temperatur von 1020°C und erhöhte sich annähernd linear mit zunehmendem Zinn-Partialdruck. bis sie sich bei einer Temperatur von 1 l00°C 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 UOO⁰C 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 erfoiderte einen Schwellenwertstrom von annähernd 80 mA. Spiegel mit hohem Reflektionsvermögen bei 684,4 nm und niedrigem Reflektionsvermögen bei 645,3 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 Welleniangen-Verschiebungen durch die Isotope sind viel kleiner als die Doppler-Breite (1100 MHz bei UOO⁰C) bei diesen Übergängen. Daher beschränkt die Verwendung einer natürlichen Isotopen-Mischung nicht die Laser-Verstärkung, wie dieses bei den Cadmium-Laser-Übergängen der Fall ist.

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 645,3-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 [onen-Zuständen:

1. Der Prozeß erzeugt von Hause aus eine ziemlich scharfe Anregungskopplung oder »Resonanz« zu den verschiedenen 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 hau 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 TripL-t-Dichte, aber die durch Penning-Reaktion angeregten Ionen-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 mA).

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. Laser-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 32O⁰C (dem experimentell beobachteten Maximum des 747,9-nm-Übergangs in einem Zn-Il-Laser) und einem Druck von 10,67 bis 12 mbar bei einer Gastemperatur von 1100°C(dem experimentell beobachteten Maximum der Zinn-Laser-Übergänge).

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 aut' 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 bevor* zugt 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 hjtzebeständigerr Glas, das seinerzeit mit unier dem Brewster-Winkei geneigter: Fenstern 13 und 14 beidseitig verschlossen ist Das Rohr 12 hat in seinem engeren Teil einer Innendurchmesser von 3 bis 5 nun, der sich praktisch längs der ganzen Entladungsstrecke des Rohres Ii erstreckt.

Die Anregungsleisüing wird dem Rohr übci rim elektrische Entladungs-Apparatur zugeführt, die An öden i5A und 155 in den erweiterten Endteilen des Rohres 12 aufweist, ferner eine Kathode 16 in der Mitte des RoIhrs sowie einstellbare Gleichspannungsqueller i7A und i7B, die mit der üblichen Polung zwischen der Anoden 15/4 und 15#und der Kathode 16 gelegen sind.

is Es sind seitliche Behälter 184 und 18S vorgesehen die als Anhängsel des Rohrs 12 Behälter für der flüssigem 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 werder und eine praktisch gleichförmige Metalldampf-Verteilung zwischen den Vorratsbehäkern bei vorhandene! 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 irr Dampfzustand bei einer ausreichend hohen Temperatui zu halten, um die gewünschte Atomkonzentration um den gewünschten Dampfdruck zu haben. Deshalb ist die Temperatur-Steuereinrichtung 19 typischerweise eir Ofen, der durch ein um die Apparatur vom einen zurr anderen Ende dicht aufgewickeltes Widerstandsbanc gebildet ist, ohne daß dabei die Fenster verdeck würden, andererseits kann auch eine andere beheizt«

Ummantelung vorgesehen sein. Alternativ kann gerade

mit zwei Vorratsbehältern eine ausreichend intensiv«

Entladung diese Funktion übernehmen. Um einen ausreichenden Dampfdruck des Metall:

über den Vorrat in den Behältern ISA und 18ß zi erzeugen, hält eine Vorratsbehäller-Temperatur Steuereinrichtung 20 eine Temperatur T₂ aufrecht, die niedriger als die Temperatur 71 in der Einrichtung 19 ist und zwar um etwa 50°C niedriger. Nichtsdestowenigei wurde gefunden, daß spezielle Maßnahmen zum Erhalt einer thermischen Isolation zwischen den Temperatur-Steuereinrichtungen 19 und Ί0 unnötig sind. Beispiels weise genfigt bei Hochleistungs-Entladungen der ir unterschiedlichen Abständen von der Entladungs-Achs< auftretende Temperatur-Gradient den gewünschter Dampfdruck des Materials in den Vorratsbehälterr aufrechtzuerhalten. Gelegentlich mag es wünschens wert sein, eine variable, getrennte Temperatursteuerunj zu verwenden, wie diese dargestellt ist

Bezuglich der anderen, hier wesentlichen Einzelhei ten ist der Betrieb der Ausführungsform nach Fig.; ähnlich dem der Auifflhrungsform nach Fig. 1. Di< Ausführungsform nach Fig.2 ermöglicht höhen Stromwerte und Ausgangsleistungen und ist deshalt

μ besonders vorteilhaft

In vorliegender Erfindungsbeschreibung ist Ursprung lieh Torr als Druckeinheit benutzt worden, die dann ii mbar umzurechnen war (1 Torr - 1,33322 mbar Soweit hierdurch »krumme« Zahlenwerte entstände sind, sollen diese nicht als mit engerer Toleranz als di ursprünglichen, zumeist ganzzahligen Torr-Angabe behaftet verstanden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. lonenlaserapparatur mit einem das stimulierbare Medium einschließenden Gefäß (12), das milt einer Anregungsentladungseinrichtung (15, 16, 17) zum Erzeugen metastabiler Atome eines aus Helium und/oder Neon bestehenden Gases versehen ist und eine Verdampfungseinrichtung (18Λ bis 18£; 119, 20) zum Erzeugen von Dampf eines Metalls aufweist, das im Dampfzustand einen strahlenden Obergang besitzt, einem auf die durch den strahlenden Obergang 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 10~* und 1 Torr (1,33-10~⁴ bis 133 mbar) gelegen ist, daß das Metall (Φ) in eine der Reaktionen

Ηε*+Φ->·(Φ⁺)· + Ηε+ε- + kinetische Energie und Νε^# + Φ —(Φ⁺)* + Νε+ε- +kinetische Energie _J0

eintritt, wobei (Φ⁺)* das auf das obere Energieniveau des strahlenden Übergang angeregte Ion des ausgewählten Metalls ist.
2. Apparatur nach Anspruch \ dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Helium ist, und das Metall Cadmium, das zur Verdampfung in das Helium-Gas auf wenigstens 230⁰C 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-Stoßwechsdwirkung 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 >o kohärenten Strahlung aus dem Cadmiumdampf bei 325 nm ausgewählt sind.