DE1960776B2 - Passiver Güteschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen passiven Güteschalter (Q-Schalter) mit einem ausbleichbaren Schaltgas für den optischen Resonator eines optischen Senders (Laser) mit CO₂ als stimulierbarem Medium, wobei innerhalb des optischen Resonators noch zusätzlich ein Filtergas unerwünschte Strahlung absorbiert. Aus einem Aufsatz in Appl. Phys. Letters, Bd. 12, Nr. 3 vom 1. 2.1968, S. 58 bis 61, ist ein optischer Sender (Laser) mit CO₂ als stimulierbarem Medium bekanntgeworden, bei dem innerhalb des optischen Resonators eine Zelle angeordnet ist. die gasförmige Ameisensäure als Schaltgas enthält. Die gasförmige Ameisensäure ist bei einer Wellenlänge von 9,2 μπι wirksam. In einer zweiten, innerhalb des optischen Resonators angeordneten Zelle ist Propylen enthalten, das als Schaltgas für 10,6 μπι geeignet ist, in Verbindung mit der Ameisensäure jedoch dazu verwendet wird, um die Strahlungsemission durch Absorption der größeren Wellenlängen auf 9,2 μΐη zu verschieben. Die bekannte Anordnung ermöglicht also nur ein Arbeiten des optischen Senders bei 9,2 um und erfordert im übrigen durch die Istallation von mehreren Zellen mit ihren Fenstern für den Strahlendurchtritt einen erheblichen baulichen Aufwand.

Durch Veröffentlichungen von Wo ο d u. a. in Appl. Phys. Letters, Bd. 11, Nr. 3 vom 1. August 1967, S. 88 und 89, und Appl. Phys. Letters, Bd. 12, Nr. 8 vom 15. 4.1968, S. 263 bis 265, ist weiterhin ein optischer Sender mit passiver Q-Schaltung bekannt, in dessen optischem Resonator eine Zelle mit gasförmigem Schwefel(VI)-Fluorid als Schaltgas und außerdem ein Streuprisma angeordnet sind. Bei diesem optischen Sender dient das Streuprisma dazu, Nebenschwingungen des CO₂-Senders bei Wellenlängen zu unterdrücken, die von 10,6 am abweichen. Bei diesem bekannten optischen Sender ist ein beträchtliches Abblenden des Resonators erforderlich, um die erforderliche Spektralauflösung für das Schalten und die Phasenkopplung zu erzielen, wodurch allgemein die Ausgangsleistung des optischen Senders vermindert wird. Weiterhin erfordert auch hier die Anwendung eines Schaltgases und eines Streuprismas sowie das Abblenden des Resonators einen erheblichen baulichen Aufwand.

Endlich ist aus JETP Letters, Bd. 7, Nr. 5 vom 5. 3.1968, S. 134 bis 136, ein CO₂-Sender mit passiver Q-Schaltung bekannt, bei dem als Schaltgas eine Mischung von Fluortrichlorid (BCI₃) und Luft, Helium oder Ammonium L(NH₃) verwendet wird. Insbesondere das Ammonium bewirkt eine deutliche Verbesserung der Schaltwirkung des BCl₃, was darauf beruht, daß Ammonium bei 10,5 um eine stärke Absorptionslinie »nil sehr kleiner Relaxationszeit aufweist und ofL-nsichtlich eine sehr wirksame Resonanzübertragung von. Schv/ingungsenergie durch einen Zusammenstoß von angeregten BCI₃-MoleküIen mit nicht angeregten NH₃-Molekülen stattfindet, die von einer sehr s. tinellcn ίο Pelaxation der NH₃-Mcleküle in den Grundzustand gefolgt wird. Bei dein Ammonium handelt es sich infolgedessen nicht um ein Filiergas, sondern vielmehr um ein bei der anzuregenden Wellenlänge wirksames Ü3S, das zusammen mit dem BCi₃ ein als Schaltgas wirkendes Gasgemisch bildet.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen passiven Güteschalter für einen CO₂-Sender zu schaffen, der ein Arbeiten des CO₂-Senders mit einer Wellenlänge von 10,6 μπι ermöglicht und sich durch einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

gelöst, daß das Schaltgas in an sich bekannter Weise aus Schwefel(VI)-Fluorid (SF₆) besteht und diesem Schaltgas ein Filtergas Chlortrifluoräthylen (C₂F₃Cl) innerhalb ein und derselben Zelle beigegeben ist.

Bei dem erfindun^ »gemäßen passiven Güteschalter wird also zwar als Schaltgas Schwefel(VI)-Fluorid verwendet, das bei der gewünschten Wellenlänge von 10,6 μτη sehr wirksam ist, jedoch werden Nebenschwingungen des CO₂-Senders bei von 10,6 μηι abweichenden Wellenlängen nicht durch ein Streuprisma unterdrückt, sondern durch die Anwendung von Chlortrifluoräthylen, das bei den Wellenlängen der Nebenschwingungen des CO₂-Senders absorbierend wirkt, jedoch bei 10,6 μπι durchlässig ist. Dabei wird das als Chlortrifluoräthylen verwendete Filtergas nicht in einer besonderen Zelle angeordnet, sondern dem Schaltgas in ein und derselben Zeile beigegeben. Auf diese Weise wird ein stark vereinfachter Aufbau eines solchen Güteschalters erzielt, obwohl sich der erfindungsgemäße Güteschalter gerade durch seine besonders hohe Wirksamkeit auszeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Art Blockdiagramm eines optischen Senders mit einem passiven Güteschalter nach der Erfindung,

F i g. 2 die Absorptionsspektren des als Filtergas verwendeten Chlortrifluoräthylen und des als Schaltgas verwendeten Schwefel(Vlj-Fluorid,

F i g. 3 das Diagramm eines regelmäßigen Zuges von durch Q-Schalter gewonnenen Impulsen des optischen Senders nach F i g. 1,

F i g. 4 das Diagramm des Ausgangssignals eines optischen CO₂-Senders unter Verwendung der nach der Erfindung vorgesehenen Gasmischung und

F i g. 5 einen einzelnen Impuls des Diagramms nach F i g. 3 in größerer zeitlicher Auflösung. Die folgenden Beispiele sind typisch für die Anwendung eines optischen Senders mit CO₂ als stimulierbarem Medium für Ortungen, zur Objektbeleuchtung, Signalgabe, Lichtübertragung und andere Zwecke, die Impulse einer ausgewählten, kohärenten Strahlung mit hoher Folgefrequenz verlangen, während ein solcher optischer Sender mit molekularem Gasmedium, wenn er frei laufend (ohne Phasenkopplung) mit der gleichen Durchschnittsleistung betrieben wird, außer

den ausgewählte» Schwingungen auch Nebenschwingungen erzeugt. Wie in F i g, \ schematisch dargestellt, weist dieser optische Sender ein Hartginsrohr 10 von 2 m Länge und 1.45 cm Durchmesser auf, das mit einem Kühlwassermantel versehen und an seinen beiden Enden mit üblichen Salzfenstern II und 12 verschlossen ist, die unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet sind. Das in dem Hiiitglasrohr 10 enthaltende CO.> wird über einen nicht näher dargestellten Streufeld-Transformator angeregt, der von der Art ist, wie sie ain-h zur Anregung von Neon-Leuchtschriftröhren verwendet wird, und einen Strom von bis zu 60 mA bei 15 kV liefert. Der optische Resonator für das passive Q-SchaJten wird auf einer Seite von einem sphärischen Spiegel 13 mit eintm Krümmungsradius von 5 m begrenzt, der dicht ynit Gold beschichtet ist. Auf der anderen Seite wird er von dem zum Auskoppein dienenden Spiegel 14 begrenzt, der aus einer planparallelen Bariumfiuorid-Scheibe besteht, die mit einer dielektrischen ZnS-Schicht bedeckt ist, deren Dicke dem Viertel einer Wellenlänge gleich ist und die bei 10,6 μπι ein Reflexionsvermögen von S3°_o aufweist.

Die Zelle 15 wird von einem gasdichten, lichtdurchlässigen Aluminiumzylinder von 2,5 cm Durchmesser und 7,6 cm Länge umschlossen und weist an ihren Enden lichtdurchlässige Fenster auf. Der Zylinder kann getrennt für sich als unabhängige, geschlossene und lichtdurchlässige Zelle mit einer eingeschlossenen, geeigneten Gasmischung für einen gegebenen optischen Sender hergestellt und am Ausgangsende des optirchen Resonators in diesen eingebaut werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zelle 15 fest eirgebaut und mit Salzfenstern 15' verschlossen, die unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zelle auch nicht gasdicht abgeschmolzen, sondern es wurde die Zelle 15 mit einem Gaseinlaß 16 und einem Gasauslaß 17 versehen, damit verschiedene Mischungen von ausbleichbarem Schaltgas und Filtergas untersucht werden können. Mit einer an den Gaseinlaß 16 angeschlossenen Hauptleitung 16' ist ein Druckmesser 18 verbunden. Der Zufluß der Gasmischung wird mit Hilfe eines Regelventils 19 in der Hauptleitung 16' gesteuert. Der Gasauslaß 17 ist über ein Steuerventil 20 und eine Leitung 21 mit einer geeigneten, üblichen Saugpumpe verbunden, die nicht näher dargestellt ist.

Die Zufuhr der Schalt- und Filtergase erfolgt mit Hilfe von Auslaßventilen 22 und 23, die Behälter 24 bzw. 25 mit der Hauptleitung 16' verbinden. Der Behälter 24 enthält ein ausbleichbares Schaltgas I, nämlieh Schwefel(Vl)-Fluorid (SF₆), wogegen der Behälter 25 ein Filtergas II, nämlich Chlortrifluoräthylen, enthält. Diese Gase sind, wie schematisch angedeutet, in handelsüblichen Druckflaschen enthalten und werden in dem gewünschten Verhältnis in der Hauptleitung 16' gemischt.

Das nach der Erfindung als Filtergas II verwendete CjF₃Cl hat ein einzigartiges selektives Absorptionsspektrum, das Strahlungen mit allen Wellenlängen absorbiert, für die der optische CO₂-Sender eine effektive Verstärkung aufweist, ausgenommen bei 10,6 μηι. Dadurch unterdrückt das Filtergas Π alle unerwünschten Schwingungen, während das als Schaltgas I verwendete SF₈ gerade bei einer Wellenlänge von 10,6 μπι ausbleichbar ist.

Wenn auch zunächst eine Mischung von Schaltgas I und Filtergas II in einem willkürlichen Verhältnis für emittierende Übergänge, für die eine wirksame Verstärkung besteht und die für ein passives Q-Schalten und eine Phasenkopplung bei der gewünschten Wellenlänge unterdrückt werden müssen, erprobt werden kann, so sind letztlich doch für einen CO_ä-Sender und ein passives (5-Schalten bei 10,6 μιη die folgenden Bedingungen zu beachten:

00^cl -> 02^a0 R-2 bei 9,2 μπι,
00°1 ~> 02°0 P-2 bei 9,6 μπι,
0O⁰I -> 10^c0 R-2 bei 10,2 μιη.

Wie in F i g. 2 dargestellt, hat das als Filtergas II verwendete C₂F₃Cl ein starkes Absorptionsband, das den Bereich von 9,0 bis 9,7 μπι überdeckt und die Schwingungen in den 00°l — 02°0-Bändern unterdrückt. Dieses Filtergas hat außerdem ein schwächeres Absorptionsband, das sich von 9,7 bis 10,4 μηι erstreckt und genügend stark ist, um Schwingungen bei 10,2 am zu unterdrücken. Das Filtergas Tl ist jedoch im wesentlichen bei 10 6 μιη durchlässig, also bei der Wellenlänge, bei der mit dem als Schaltgas I verwendeten SF₆ ein optimales g-Schalten und eine Phasenkopplung erzielt wird.

Eine passive Q-Schaltung und Phasenkopplung der Ai-sgangsstrahlung eines CO₂-Senders wurde mit einer Zelle erreicht, die eine Mischung von C₂F₃Cl als Filtergas II und SF₆ als Schaltgas 1 im Verhältnis von 20:1 unter einem Gesamtdruck von 4 Ton enthielt und das übliche Streuprisma ersetzte. Diese Gasmischung erzeugte das in den F i g. 3 und 5 dargestellte Ausgangssignal des optischen Senders. Wenn die Durchschnittsleistung des optischen Senders 1 W betrug und in der Zelle keine Gase enthalten waren, ergab sich ein kreisförmiger Strahlenquerschnitt mit einem Durchmesser von etwa 2 mm. Die Leistungsdichte betrug demnach 60 W/cm'² und war ausreichend, um das Schaltgas I auszubleichen. Wenn bei der oben beschriebenen Anordnung nur das Filtergas II in der Zelle 15 enthalten war, wurde bei einem Druck bis zu 50 Torr kein Verlust an Ausgangsleistung beobachtet. Wenn das Schaltgas I in dieser Zelle verwendet wurde, verschob sich die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung des optischen Senders auf 9,6 ;un, ohne daß ein merklicher Leistungsverlust eintrat. Wenn das Filtergas II und das Schaltgas I in der Zelle 15 im Verhältnis von 20:1 bei einem Gesamtdruck von etwa 4 Torr enthalten waren, zerbrach das Ausgangssignal des optischen Senders in eine Serie von Impulsen hoher Intensität, wie es F i g. 3 zeigt, und es sank die Durchschnittsleistung auf 0,9 W ab. Die Jmpulsfolgefrequenz betrug 20 kHz und die Impulsspitzenleistung etwa 180W. F i g. 4 veranschaulicht das Ausgangssignal eines frei arbeitenden optischen Senders, dessen Ausgangsstrahlung während der halben Arbeitszeit vorliegt. Der Leistungsmaßstab beträgt 2 λΥ/'cm und der Zeitmaßstab 2 ms/cm.

F i g. 5 zeigt einen einzelnen, durch Q-Schalten mit Hilfe der obenerwähnten Gasmischung im Verhältnis von 20:1 erzeugten Impuls in größerer Auflösung. Der vertikale Maßstab beträgt 50 W/cm und der horizontale Maßstab 0,5 μβ/οπι. Die Breite des Impulses bei halber Leistung beträgt etwa 0,5 μ%. Unter Verwendung dieses Wertes als Impulsbreite und einer Spitzenleistung von 180 W in Verbindung mit der Tatsache, daß der optische Sender nur während der Hälfte der Arbeitszeit in Tätigkeit ist, ergibt sich eine berechnete Durchschnittsleistung von 0,9 W, was mit der gemessenen Leistung übereinstimmt.

Mit Hilfe von SF_? als Schaltgas und C₂F₈Cl als Filtergas wurde auch eine passive Phasenkopplung eines CO₂-Senders vorgenommen. In diesem Fall hatte das CO₂ enthaltende Rohr des Senders eine Entladungslänge von 4,3 m, und es war der optische Resonator 15 m lang. Dieser Resonator hatte einen Abstand benachbarter axialer Eigenschwingungen von 10 MHz und innerhalb der Doppler-Linienbreite von 50 MHz der CO₂-Moleküle fünf Eigenschwingungen. Es wurden mit einer Mischung von SF„ und C₂F₃CI in der Versuchszelle Impulse mit einer Folgefrequenz von 10 MHz erzielt.

Die vorstehenden Ausführungen haben gezeigt, daß die Erfindung eine Methode angibt, die ein passives ß-Schalten und eine Phasenkopplung optischer Sender zur Erzeugung von Impulsen kohärenter Strahlung mit hoher Impulsfolgefrequenz ermöglicht, bei der die gleiche Durchschnittsleistung erzielt wird wie beim Dauerstrichbetrieb, und die zugleich zu einem sehr einfachen Aufbau des optischen Senders führt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. i 960 776

   Patentanspruch:

   Passiver Güteschalter (Q-Schalter) mit einem ausbleichharen Schaltgas für den optischen Resonator eines optischen Senders (Laser) mit Cö_ä als stimulierbarem Medium, wobei innerhalb des optischen Resonators noch zusätzlich ein Fiitergas unerwünschte Strahlung absorbiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgas (I aus 24) in an sich bekannter Weise aus Schwefel(VI)-Fluorid (SF₆) besteht und diesem Schaltgas ein Filtergas Chlortrifluoräthylen (C₂F₃Cl) (II aus 25) innerhalb ein und derselben Zelle (15) beigegeben ist.