DE2120230A1 - Laser für die Erzeugung einer kohärenten Infrarot-Strahlung - Google Patents

Description

23- April 1971 Dr.Schie/E

Docket WA 970 002 U.S. Serial No. 33 4-11

Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, New York 10504-, V. St. A.

Vertreter: Patentanwalt Dr.-Ing. Rudolf Schiering, 703 Böblingen/Württ., Westerwaldweg 4

Laser für die Erzeugung einer kohärenten Infrarot-Strahlung

Die Erfindung bezieht sich auf den Infrarot-Laser, bei dem ein mehratomiges Molekülgas als aktiver Bestandteil im Lasermedium verwendet wird. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit dem Gebrauch des metastabilen Zustandes eines zweiatomigen Moleküls zum Induzieren der Besetzungsinversion und zum optischen Verstärken in mehratomigen Molekülgasen.

Die Energieniveauspektren von Molekülgasen sind viel kom_ plexer als diejenigen der einatomigen Gase. Ein mehratomiges Molekül hat selbst im elektronischen Grundzustand einen Mechanismus, welcher Energie speichern kann und welcher angeregt werden kann.

Es sind zwei solche Mechanismen bekannt: die Schwingung gemäß einer periodischen Bewegung und Drehung um das Zentrum der Molekülmasse. Diese Schwingungs- und Rotationsenergien bestehen in gewissen wohldefinierten Zuständen analog den diskreten Zuständen der Elektronenbahnen der Atome. In der einfachsten Struktur, dem zweiatomigen Molekül, bestehen mehrere Schwin^ungsniveaus mit annähernd gleichen Abstand,

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es gibt eine Anzahl von Rotatiοnsniveaus. Dies erklärt die sehr komplizierten Energieniveaudiagramme der Molekül.-gase.

Wie "bei den Elektronenniveaus der Atome so sind die höheren Schwingungsenergieniveaus von Molekülen gewöhnlich weniger· besetzt als die niederen Schwingungsenergieniveaus, TJm Laser—Emission zu bekommen, muß die Besetzung dieser Niveaus entgegengesetzt sein, d. h. es muß zuerst das Entstehen der- Besetzungsinversion bewirkt werden.

Anscheinend war C. K. N. Pat el der erste, welcher die Schwinguiigsniveauinversion im Kohlendioxyd demonstrierte, vgl. seine Veröffentlichung in Physical Review Letters, 23. November 1964, Seite 617« Bald danach zeigte Patel, daß Stickstoff in seinem metastabilem Schwingungsniveau (v = 1) verwendet werden könnte, um durch Resonanzübertragung über* unelastische Kollisionen ein oberes Niveau des KohleEStoffdioxydg selektiv zu besetzen. Das 001-Niveau des Kohlenstoff!oxyds ist nahezu resonant mit dem ν = 1 -Niveau des Stickstoffs. Die Laseremission wurde bei nahe 10,6 Mikron beobachtet.

Seit dieser Entdeckung ist der Kohlenstoffdioxyd—Laser entwickelt; worden, der eine kohärente Strahlung von enormer Leistung emittiert. Der vielleicht bemerkenswerteste Erfolg ist ein COp-Laser von Im Länge und mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung von 1 Kilowatt.

Eine kontinuierliche Ausgangsleistung von 8,8 kWatt hat man mit GOg-Lasern von viel größerer Länge erhalten. Theoretisch ist eine noch größere Leistung erreichbar. Patel und andere haben auch demonstriert, daß CSg und N₂O eine Laser-Emission um 10 Mikron herum bringen werden, wenn man mit schwiügungserregtem N₂ anregt.

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Nach einem vielatomicen Molekülgas-Laser mit wirksamer Strahlungsemission im Bereich unter 10 Mikron ist gesucht worden. Ein No-CO Laser, der eine Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa fünf Mikron erzeugt, ist demonstriert worden. Er arbeitet jedoch am wirksamsten bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs. Bei Zimmertemperatur ist dieser Laser unbrauchbar und hat deshalb keine weite Anwendung gefunden.

Durch andere ist auch die Verwendung eines zweiatomigen Gases bekannt geworden, welches in seinem metastabilen ersten Schwingungsniveau$ eine höhere Quantenenergie als Stickstoff hat. Es hat sich gezeigt, daß das zweiatomige Wasserstoffmolekül mit einem Energieniveau von 4159»2em~ (2,4-1 Mikron) in seinanmetastabilen ersten Schwingungsniveau zum Anregen eines mehratomigen Moleküls benutzt werden könnte, das ein oberes Schwingungsniveau hat, welches

—1 fast mit dem des Wasserstoffs (um 4160cm ) resonant ist. Ähnlich zu N^ hat das ν = 1 Niveau von H2 bei 4159»2cm~ kein permanentes DiptLmoment im Hinblick auf das ν = 0 Niveau·

Das v=l Niveau von H^ ist daher metastabil und kann nicht über strahlende Übergänge entspannen. Der eigene Mechanismus für die Herabsetzung der Besetzung von ν = 1 auf das v=0 Niveau hat durchgehend unelastische Kollisionen mit anderen Molekülen oder den Wandungen des einschließenden Behälters oder Umhüllung. Hinzukommt, daß der Querschnitt für die Erregung der schwingenden Mode von Ho durch Elektronenstoß in einem niedrigen Gasdruck gemessen worden ist.

Wegen dieser älteren Arbeit durch andere auf diesem Gebiet wurden folgende Reaktionen erwartet:

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- 4 (1) H₂(v = O) +e_£. H₂* (ν = 1) + e,

wobei Hp* (ν = 1) das erste Schwingungsenergieniveau von im elektronischen Grundzustand repräsentiert.

(2) H₂* (v= 1) + M ->H₂ (v = 0) +M* = 4 ^E»

wobei H₂* (v = 1) der oben erläuterte Wert ist. M* repräsentiert das Schwinr;ungsniveau des vielatomigen Moleküls M₁ das fast resonant mit dem H₂* (=1) Energieniveau ist. Die Größe ^d E stellt die Energiedif i'erenz zwischen den H₂* und M* - Energieniveaus dar.

(3) M*_> M + h -V_Laser,

wobei γ, die gestrahlte Frequenz ist, wenn das M* Molekül auf ein niedrigeres Energieniveau fällt.

Jedoch haben Versuche, eine Besetzungsinversion un/i eine optische Verstärkung mit H₂-mehratoniigen Molekülsystemen zu erreichen, keinen Erfolg gehabt. Bei einer bekanntgewordenen Reihe von Experimenten sind Gase aus HpO, WH^, HCN und CH^ geprüft worden. Jedes dieser Iloleküle hat ein oberes Schwingungsniveau, welches nahezu resonant ist mit dem ersten Schwingungsniveau von Hp in seinem elektronischen Grundzustand IjI₂* (v = I)J , und hat erlaubte "Übergänge zu einen Zwischenniveau zwischen dem höheren Niveau und dem Grundzustand. Die verwendete Oszillator-Vorrichtung war der von Patel bei der Erlangung der Emission in seinem K₂-GO benutzten Gerät ähnlich. Für jede Mischung wurde keine Laser Emission beobachtet.

In einer unabhängigen Reihe von Experimenten versuchten die Erfinder des vorliegenden Erfindungs^egenstandes KIU, C₂H.,,

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u, CoHn und CoHg mit Ho anzuregen. Dabei wurde keine Laser-Emission beobachtet. Der offenbare Grund für diesen Ausfall ist die Unfähigkeit.den Wasserstoff aus seinem Grundzustand Hg (v = O) in sein erstes Schwingungsniveau H* (v = 1) anzuregen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht danach darin, Besetzungsinversion und Verstärkung aus einem Molekülgas durch Anregung des Gases mit einem schwingungserregten, zweiatomigen Molekül, das metastabile Schwingungszustände höher als jene des Stickstoffs hat, zu erhalten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Infrarot-Molekülgaslasers, der eine Strahlung bei Wellenlängen emittiert, die im Bereich unter zehn Mikron liegen.

Diese und andere Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch Schwingungserregung des Wasserstoffs, so daß ein fast resonantes höheres Schwingungsniveau eines mehratomigen Moleküls überbesetzt wird.

Das Molekül ist ein mehratomiges Gas, das ein oberes Energieniveau besitzt, welches nahezu resonant ist mit dem ersten Schwingungsniveau des Wasserstoffs und welches erlaubte Übergänge zu einen Zwischenniveau besitzt, das zwischen dem resonanten Niveau und dem Grundzustand liegt.

Der Mischung muß Helium zugefügt werden. Diese Zugabe von Helium ermöglicht das Einstellen der Elektronentemperatur und der Elektronendichte in aer gasförmigen Mischung. Damit wird die Energieverteilung der Elektronen zu günstigeren Werten für das Anregen der Schwingungsniveaus des . v/asserstoffs durch Elektronenstoß verschoben.

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Eine erfolgreiche Emission kommt nur zustande, nachdem der Wasserstoff-Mehratommolekülmischung Helium zugesetzt wird und nachdem der Druck der Gase so eingestellt ist, daß die Energieverteilung der Elektronen am günstigsten für die Anregung des H₂ in seinem H₂* (v = 1) Niveau ist.

.Gase wie Helium, Xenon und Neon wurden vorher dem N₂-CO₂ Laser zugefügt, um die Ausgangsleistung zu steigern. Die Wirkung dieser Gase besteht in der Neuverteilung der Rotationsverteilung des oberen und des unteren Übergangsniveaus vom CO₂. Dies verhindert die Entleerung des oberen Rotationsniveaus vom CO₂ und beschleunigt die Entleerung (depletion) des unteren Rotationsniveaus. Es sei hierzu z. B. auf die Veröffentlichung "Effects of CO₂, He, and N₂

on the Lifetimes of CO₂ Laser Levels " von P. K.

Cheo in der Zeitschrift Journal Appl. Ehys.j Vol. 38, Heft 9« 1967« Seiten 5563 bis 3567 hingewiesen.

Es wurde auh die Hypothese aufgestellt, daß Kollisionen zwischen den Heliumatomen und den COp Molekülen dazu neigen, die Rotationsniveaus der angeregten C0₂-Meleküle zu thermalisieren. Siehe hierzu die Veröffentlichung "High Power Laser Action in CO₂-He Mischungen" von Moeller u. a. in der Zeitschrift Appl. Phys. Lett., Band 7» Heft 10, 1965, Seiten 274-276.

Anders als bei der Erfindung haben diese Gase keinen merklichen Effekt auf das N₂ in einem N₂-CO₂ Laser. Dies wird durch die Tatsache demonstriert, daß das Xenon, welches die Ausgangsleistung eines N₂-CO₂ Lasers steigert, ein niedrigeres Ionisationspotential hat als N₂. Es ist deshalb nicht imstande^die Elektronentemperatur im N₂-CO₂ Gas zu steigern, wie es das He in der Ho-Mischung bei der Erfindung tut.

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Die Besetzungsinversion und die optische Verstärkung wird also erfindungsgemäß mit einem Gasgemisch erzielt, welches durch Schwingungen angeregten Wasserstoff, Helium und ein mehratomiges IJolekülgas enthält, das ein resonantes Energieniveau nahe dem ersten Schwingungsenergi'eniveau des Wasserstoffs aufweist und das erlaubte Übergänge zu einem Zwischenschwingungsenergieniveau hat, das zwischen dem resonanten Niveau und dem Grundzustand liegt.

Kohärente Infrarotemission wird beobachtet, wenn das Gasgemisch in einem Lasersystem angeregt wird.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand rer schematischen Zeichnungen in ihren Details näher erläutert.

Fig. 1 enthält eine vereinfachte schemati.che Darstellung eines kohärenten Lichtgenerators mit einem Gasgemisch nach der Erfindung.

Fig. 2 enthält die sur Schaffung der Impulserregung der gasförmigen Mischungen verwenaete Schaltung in Blockdiagrammform.

Fig. 3 ist ein vereinfachtes Energieniveaudiagramm des Azetylens (C2H0)·

Fig. 4- zeigt in graphischer Darstellung den Ausgangswert des Lasersystems verglichen mit dem Eingangsstrom aus der Erregungsquelle. Fig. 4- ist ein Kurvenzug aus einem Oszillaskop.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen vereinfachte Energieniveaudiagramme von Methan (CH_/,)bzw. von Ammoniak (NH^).

Fig. 1 zeigt ein Gefäß 10, das mit dem gasförmigen Gemisch

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nach, der Erfindung gefüllt ist. Das Gefäß 10 kann eins aus Glas hergestellte Röhre sein, deren Länge von mehreren Zentimetern bis zu einem Mehrfachen von 30 cm beträgt. Diese Länge hängt von der gewünschoen Ausgangsleistung ab«

Der Durchmesser des Gefäßes 10 kann variieren von Bruchteilen eines Zolles bis zu mehreren Zoll. Bei einer Äusführungsform der Erfindung beträgt der Innendurchmesser des mit IO bezi
beträgt 1,4 m.

des mit 10 bezeichneten Gefäßes 12 /_o mm, die Länge

Zu Kühlzwecken umgibt eine Umhüllung 11 das Gefäß 10. Sie kann mit jeder Zahl von Kühlmitteln, z.B. Wasser oder verflüssigte Gase, versehen sein, was von der gewünschten Temperatur des gasförmigen Gemisches abhängt.

Das Gefäß 10 wird von den Supports 12 und 13 getragen. Zur Definition eines optischen Resonanzhohlraumes sind die Reflektoren 14- und 15 vorgesehen. Diese Reflektoren können planparallel, halbkonfokal, konfokal oder konzentrisch sein. Um eine exakte Ausrichtung, welche kritisch ist, zu erreichen, werden rostfreie Balgsysteme 8 und 9 benutzt, die eine Ausrichtung der Reflektoren ermöglichen.

Bei der Erfindung sind beide Reflektoren hochreflektierende Breitbandspiegel. Der Reflektor 14- ist ein goldbeschichteter Spiegel mit einem Krümmungsradius von 5 m· Der Reflektor 15 ist ein flacher, goldbeschichteter BaFo-Kristall mit einem Loch von 1/2 mm Durchmesser in der Goldschicht.

Dieses Loch ermöglicht einen kleinen Bruchteil der Energie innerhalb des resonanten optischenHOhlraums, der durch die Reflektoren 14 und 15 gebildet wird, aus dem Hohlraum auszukoppeln. Nach dem Stande der Technik können die Reflektoren auch vom Schmalbandtyp sein, welcher so ausgewählt

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ist, daß nur eine gewählte Wellenlänge reflektiert wird.

Die Teile für die Erzeugung elektrischer Stromimpulse innerhalt) des Gefäßes 10, welche zur Anregung der Mischung dienen, enthalten eine Kathode 16, die Anode 17 und die Hoch- -spannungsimpulsquelle 20. Die Apparatur und die Betriebsweise der Impulsquelle 20 werden ausführlicher in einem weiter unten folgenden Beschreibungsteil in Verbindung mit Fig. 2 erörterte

Der Initialerregungsmechanismus in dem System nach Fig. 1 wird von freien Elektronen aus der Kathode 16 und durch Ionisation des Gases innerhalb des Gefäßes 10 gebildet. Sowohl die Kathode als auch die Anode bestehen aus rostfreiem Stahl, Nickel, Wolfram oder anderen geeigneten Materialien. Im vorliegendem Ausführungsbeispiel sind Anode und Kathode aus Nickel. Mittels eines Gaseinlaßorgans 21 und eines Gasauslaßorgans 22, das mit der Vakuumpumpe 23 verbunden ist, wird ein kontinuierlicher Fluß des das Lasermedium enthaltenden Gases durch die Plasmaröhre 10 geschaffen. Mit dem Gaseinlaß 21 ist eine Wasserstoffquelle 40, eine Heliumquelle 4-1 und eine Mehratomgasquelle 42 über geeignete Flußmesser 50, Nadelventile 51 und über die Rohrleitung 52 verbunden.

Jeder Flußmesser und jedes zugeordnete Nadelventil steuern den Partialdruck und die Flußgeschwindigkeit des zugeordneten Gases. Ein Kondensatormanometer-Druckkopf 54, der an die Rohrleitung 52 angeschlossen ist, mißt den totalen Partialdruck der Gase, ehe sie in das Entladungsgefäß 10 eintreten. Das Meßgerät 53 verwandelt die Druckkopfmessung in einen elektrischen Ausgangswert.

Die Laser-Emission durch die Öffnung am Reflektor 15 kann in irgendeiner Weise unter Verwendung kommerziell verfüg-

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barer Detektoren (in der Zeichnung nicht besonders dargestellt), z. B. einem Ge-Au Detektor, abgetastet werden.

Der in Fig. 1 gezeigte Hochspannungs-Impulsgenerator 20 kann verschiedene !formen erhalten. Die bevorzugte Ausführungsform nach Fig. 2 enthält eine Hochspannungsgleichstromquelle 31» die mit einer Widerstands-Kondensator-Kombination 32, 33 verbunden ist. Der Klemmenpunkt 28 zwischen dem Widerstand 32 und dem Kondensator 33 ist mit der Anode 17 und mit einer Seite des Widerstandes 34 verbunden.

Der KLemmenpunkt 29 des Wi der Standes 34- entgegengesetzt zur Anode 17 liegt an der Kathode 16 und an der Anode des Thyratrons 35« Der Oszillator 36 und der Impulsgenerator 37 werden über einen Transformator 38, um das Thyratron wiederhol¥bar zu betreiben, angeschlossen.

Im Gebrauch der Ausführungsform nach der Erfindung liefert die Stromquelle 31 eine Spannung von 10 kVolt über den Widerstand 32, um den Kondensator 33 aufzuladen. Der Spannungswert der Stromquelle 31 wird so gewählt, daß die DurchbrueJisspanming des Gases in der Höhre 10 überschritten wird_o Diese Spannung ist von der besonderen, verwendeten Gasmiscimng und vom Gasdruck abhängig.

Der Widerstand 32 und der Kondensator haben Werte von 150 000 0hm bzw. von 0,02 Mikrofarad. Der Widerstand 34- hat einen Wert von 1 Meg 0hm. Der Oszillator 36 wird mit veränderbaren Geschwindigkeiten zwischen 1 und 250 Hz betrieben, um das Thyratron 35 mit derselben Geschwindigkeit wiederholbar zu schalten.

Bei eingeschaltetem Thyratron liegen Anode 35 und Kathode nahezu wirksam auf oder nahe bei Erdpotential. Damit wird die im Kondensator 33 gespeicherte Ladung über das Gasentladungs-

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rohr 10 nach Fig. 1 zwischen Anode 17 und Kathode 16 freigegeben. Derartige Hochspannungsimpulssysteme sind an sich bekannt. Außerdem kann Wechselstromerregung oder Gleichstromerregung oder Hochfrequenzerregung anstelle gepulster Erregung für andere Molekülgas-Las er vorteilhafter sein. Die höhere Erregungsleistung, die aus einem kurzen Impuls verfügbar istmacht die Impulserregung günstiger.

Es sei noch festgestellt, daß die Gesamtenergie des Impulses niedrig genug sein muß, damit das Gas nicht dissoziiert, und hoch genug sein muß, um das Gas schwingungsmäßig anzuregen. Bei der hier bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrug die Energie des Impulses etwa ein Joule.

Nach einer vorteilhaften Aus führung s form der Erfindung wird die Besetzungsinversion und die optische Verstärkung durch eine Fluß-Mischung aus Hp-CoHo-He erreicht. Die Laseroperation ist dabei unter Verwendung des in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Apparates beobachtet worden. Es ist weiter zu bemerken, daß Azetylen (CpHp) die größte Zahl möglicher Laserübergänge jener Moleküle hat, die dafür bekannt sind, daß die Schwingungsenergieniveaus nahezu resonant mit dem Ho* (ν β 1) Energienieveau sind.

Das Azetylen ist ein linear symmetrisches Molekül mit der Konfiguration

H - C S C - H.

Für dieses System gibt es fünf Hormalmoden der Schwingung. Diese werden bezeichnet mit v, v,-. Die den Schwingungsmoden angehängten. Bezeichnungen

£g", Xu, 1Ts und TTu

repräsentieren die Arten oder Symmetrie typ en der Normalschwingungen. Die letzten beiden Schwingungsmoden sind

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entartete Moden (degenerate bending modes). Sie sind durch Überschreibungen bezeichnet. Eine nähere Erläuterung hierzu findet sich in dem Buch von Herzberg mit dem Titel "Infrared and Raman Spectra", erschienen 194-5 im Verlag D. van Kostrand & Co. Die zugehörigen Schwingungsniveaus von GqHo sind in Fig. 3 dargestellt, auf die nachstehend Bezug genommen wird.

Die Fig. 3 ist eLn sehr vereinfachtes Schwingungsenergieniveaudiagramm von C₂H₂* Man erkennt, daß das 10 001 Niveau bei 4-091 cm" fast in Resonanz mit dem E₀* (v = 1) Eiveau

-1

bei 4-159,2 cm ist. Die Möglichkeit des resonanten Schwingungsübergangs über eine unelastische Kollision existiert wie gezeigt durch die Formel

(4-) H₂* (v = 1) + C₂H₂ (OUOO⁰O⁰) + H₂ (v = 0) + C₂H₂* (IGGOl¹) + 4 E = 68,2 cm"

In dieser Formel stellt OGOG 0 das Grunds chwin-vungsni ve au

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dar, und lOGOl ist bei 4091 cm . Ein Azetylen-Molekül im 10001 JT/U Niveau Könnte dann einen Strahlungszerfall auf das 10 000 Xg" Niveau bei 5573.7 cm" nach der Auswahlregel u f*-^ g erfahren. Da das 10 GOO 2* Eiveau dann in geschlossener Fermi-Resonanz sowohl mit dem 0101 1 $"ρ~ Niveau als auch mit dem 00100 Σ/& Niveau bei rund 5290 cm" ist, könnte ein rapider Energieaustausch auftreten, sogar abgleich die Äuswahlre_eel u^-> g verletzt ist.

Das Llolekül kann zerfallen von einem dieser drei Niveaus 10 000£g", 01Cl¹I¹ Z Λ und 00100 J/Ä durch erlaubte u«-> g Übergänge. Diese Zerfallücergänge zu niederen Energieniveaus sind durch gestrichelte Linien in Fir« 5 angezeigt. Die Strahlung, welche emittiert werden würde, ist in Einheiten von Mikron längsseits der gestrichelten Linien in Fig. 3 angegeben. Zum Beispiel würde ein Zerfall (decay) vom

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10 00£έ Niveau auf das 01001 7Ku Niveau zur Emission von Strahlung von 14,9 Mikron führen.

Die0002°l TT Ai- und 01000 £ g⁺-Niveaus sind auch in dichter' jTermi-Reso.nanz und können rapid ihre Energien austauschen. Einige der erlaubten Schwingungsübergänge für das Azetylen-Molekül sind in der Tabelle I zu finden.

Es sei bemerkt, daß die in der Tabelle I angegebenen Energien und die Schwingungsenergie-Niveaudifferenzen für die spezifizierten Übergänge sind und nicht die Rotationsniveaus einschließen. Da die Moleküle in jedem Schwingungs- ' zustand nach dem Boltzmann-Gesetz verteilt sind können die tatsächlichen Energieniveaudifferenzen genau berechnet werden.

Tabelle I tibergänge von Co B^

B ci'iwingungsüb ergang Energie Wellenlänge

lOOOl¹ Tf,π-> 10000 £g⁺ 717,0cm"¹ 13,95/U 10000 Zi -> 00001¹^₇U 2642,5 " 3,78 "

loooo 2Lg -» oiooi-vVu 672,2 ·· 14,90 "

10000 Σ& -* 0002⁰I¹TT₇U 1417,7 " 7,05 "

00003¹ Tt,Vl ~> 0001¹O^g 1603,2 " 6,22 "

0002¹I¹^u -> 0001¹O?g 1344,0 "· 7,45 »

0101¹I¹AVu «-*> 01000 Zi 1320,2 " 7,57 "

00100 2/ü -» 01000 X. S 1313,2 " 7,61 "

01000 Xl -y 00001¹^/U 1244,7 " 8,03 "

10000 £ g" -^ 00003 ^₇U 115ö,7 " 8,64 "

lOOOl¹ ^*₇u -^ 01000 £.1 2117,2 » 4.72 "

Wie aus der großen Zahl erlaubter Übergänge im CpHo aus Jj'ig. 3 und der Tabelle I zu ersehen ist, bietet die selek-

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tive Besetzung des 100001 Schwingungsniveaus vom resonanten Schwingungsenergieübergang von H₂* ( ν = 1) viele Möglichkeiten für neue Laseremissionslinien in dem nahen Infrarotbereich des Spektrums·

Bei der Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Apparatur anläßlieh der Erfindungserprobung war die benutzte H₂-C₂H₂-He-Mischung extrem reich an Helium, das als Lasermedium diente. Die der Gleichstromerregung vorgezogene gepulste Erregung mit Hilfe der Impulsquelle 20 geschah wegen der Elektronendichte. Nach vorhergehendem liegt diese mindestens um eine Größenordnung im Betrage höher als die für die benutzte Gasmischung. Eine Laser-Emission wurde bei 8,04 Mikron auf einer Einzellinie ohne Rotationslinien beobachtet. Ein Jarrell-Ash-Model von 1 m Länge und mit Czerny-Turner-Spektrometer (Kaliber 98/mm) wurde benutzt. Bei der Messung der Wellenlänge der Laser-Emission war ein 7 Mikron-Gitter vorgesehen.

Bei einer Temperatur von 30O⁰K wurde eine Emission aus dem durchfließenden Gemisch von 2,0 Torr H₂, 1,0 Torr C₂H₂ und von He zwischen 10,0 bis 20,0 Torr beobachtet. Der Heliumdruck wurde variiert zwischen 10 und 20 Torr ohne daß die L_aser-Emission beeinflußt wurde. Versuche zur Erzielung einer Emission aus einem C₂H₂-Plasma, einem C₂H₂-He-Plasma oder einem C₂H₂-H₂-Plasma schlugen fehl.

Bei einer Bad-Temperatur von etwa 200 K wurde eine Emission aus einer durchfließenden Mischung über einen breiten Bereich der Partialdrucke erzielt: 1 bis 2 Torr H₂, 2 bis 4· Torr C₂H₂ und 10 bis 20 Torr He. Bei dieser Vorführung wurde das Kühlmittel in der Umhüllung 11 nach Fig. 1 auf 200⁰K gehalten. Die Temperatur der Gasmischung im Entladungsgefäß 10 wurde nicht gemessen. Die Verbesserung in den Druckbereichen bei niederen Temperaturen ist nicht unerwartet.

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Das Kühlen erhöht die Rate, "bei welcher der Grundzustand der Moleküle unbesetzt ist.

Die Fig. 4 der Zeichnungen veranschaulicht ein einzelnes Beispiel aus den Resultaten der Erfindung. Fig. 4 bringt eine kombinierte graphische Darstellung eines über daa Entladungsgefäß 10 entladenen Stromimpulses und eines Laser-Aus gangs impuls es, der aus einer durchfließenden Gasmischung von 2,0 Torr H₂, 1,0 Torr C₂H₂ und 20 Torr He bei T=300°K beobachtet wurde. Der Stromimpuls liegt danach im Mittel auf rund 200 m A für rund 200 MikrοSekunden. Die Totaleingangsenergie beträgt rund 1 Joule.

Der Laser-Ausgangsimpuls hat eine Impulsbreite von rund 25 MikrοSekunden und eine Spitzenleistung von 5>7 Watt bei 8,040 - 0,0012 Mikron.

Bei dieser Vorführung wurde eine Laser-Emission festgestellt bei Stromimpuls-Widerholungsraten von 1 pps bis 250 pps aus der Stromquelle 20. Es gibt einen Schwingungs-Rotations-Übergang, die Q, (12) Linie, auf dem 01000 00001 Tt/U Band vom C₂H₂, das eine berechnete Wellenlänge von 8,0404 Mikron hat. Die theoretisch normalisierte Verstärkung dieses Schwingungs-Rotations-Bandes hat einen Höhepunkt nahe Q (12) für kleine Werte der Schwingungsniveauinversion.

Die Laser-Emission scheint deshalb aus der 3,(12) Linie des OlOOOj^g" - COGOl ft,u Bandes von CgH₂ hervorzugehen. Nimmt man an, daß dies so ist, dann funktioniert der Laser wie ein klassischer Vier-Niveau-Laser·

Nach Fig. 5 findet das Pumpen durch einen resonanten Schwingungsenergieübergang vom ν = 1 Niveau des H₂ statt, welcher durch Elektronenstoß im heliumreichen Plasma an-

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- 16 geregt worden ist:

(5) H₂ (v = O) + e -> H₂* (v = 1) +e

Der angeregte Wasserstoff regt dann schwingungsmäßig das Azetylen aus seinem Grundzustand zu seinen 10001 Niveau durch unelastische Kollisionen an:

(6) H₂*(v=l) + C₂H₂(OOGOO)-^H₂(V=O) + C₂H₂ ⁺(IGOOl¹)+

ΔΕ = 66, 2cm

Das C₂H₂* (10001 ) Niveau kann dann erlaubte übergänge zum 01000 Jg⁺ Niveau machen, welches das obere Laser-Iiiveau ist,

Der strahlende Übergang tritt aus dem 01000i^ ITiveau zum 00001 ^,u Niveau auf:

(7) C₂H₂ (010UO)-^-C₂H₂ (OOGOl)
^+h*^Y

Laser

Das untere Laser-Niveau, das GGOOl ///U-LuVeau is υ dann durch. den streng erlaubten GGOOl /j/U—^ GOGOO £g" übergang unbesetzt.

Diese Feststellung kann zur Laser-Errission bei anaeren Wellenlängen im C₂H^ o;er in anderen Gasen führen, welche resonante Schwingungsenergienieveaus mit dem ν = 1 liiveau des H₂ haben. Kit Schmalband-Reflekiionsspeigeln könnte zum Beispiel eine Laser—Emission nahe 4 1,'ikron auf dem 10OCO^g⁺- 00001 /tyU-Band von C₂H₂ produziert werden. Diese würde eine potentielle Ausnutzung von etwa 65% haben (im Vergleich zur 10 Mikron CO-^-Laser-Emissi on von 40%). Die 8 Mikron-

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Linie auf dem 01000 JJ - 00001¹ILu -Band hat andererseits eine potentielle Quantenausnutzung von etwa 30%.

In Fig. 5 ist das ochwingungsenergieniveaudiagramm von Methan (CH₂.) gezeigt. CEL hat vier normale Schwingungsmoden v-, , Vp» v^ und ν.. Die 0011, 0102 und 1001-Niveaus liegen in der Nähe des EU* (v = 1) Energieniveaus "bei

—1

—1
4159,2 cm . Die möglichen Übergänge, die vom selektiven Besetzen eines dieser Niveaus herrühren könnten, sind in Fig. 4 dargestellt und in der Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle II

Üb erginge von CIL· Schwingungsübergang Energie Wellenlänge

0011 -fc.	0010
0011 -*	0001
0102 -*	0002
0102 —►	0101
1001-—y	1000
1001 -*	0001

1292,9 cm 3007,0 " 1523,0 "

1300.0 " 1299,8 »

2910.1 "

7,75/U 3,25 » 6.57 " 7,70 » 7,72 » 3,42 "

Ammoniak ist ein symmetrisches, pyramidisches Molekül mit vier normalen Moden. Die Schwingungsenergieniveaus von NEU sind in Fig. 6 dargestellt. Einige der möglichen Übergänge, die vontSchwingungsenergieübertrag aus dem EU herrühren, sind in Fig. 6 dargestellt und in der Tabelle 3 aufgeführte Die 0102, 1100 und 0110-Niveaus liegen alle in der Nähe des 4159,2cm~¹-H₂* (v = 1) Niveaus, das mit dem 4176 cm~¹-0102 Niveau die naheste Resonanz hat.

Die beiden Energieniveaus, die für jedes dieser Schwingungsmoden gezeigt sind, ereignen sich aus der Tatsache, daß die v₀-Liode durch doppelnde Inversion gesplittet ist, wo das

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N-Atom durch, die Iu-Eberie zu einer äquivalenten Postion auf der anderen Seite bewegt wird.

Tabelle III

	Energie	Wellenlänge
	3248 cm"1	3,07/U
Übergänge von NEU	2589 "	3,85 "
Schwingungsübergang	997 "	10,00 "
0102 -	1704 «	5,87 "
0102 —
0102 -
0102 -
> 0100
y oooi
> 0002
^ 0101

Das Äthylenmolekül (CVjEL) hat zwölf Schwingun^smoden

v, ^vi2" "^^"^{e zu} t3^e<^^er dieser Moden zugehörigen

Schwingungsenergien sind in dem bereits zitierten Buch von Herzberg angegeben. Wegen der Kompliziertheit des Energieniveaudiagramms ist dieser Fall in der Zeichnung

Das v-, +

₇. + v-,₀ Niveau bei

nicht dargestellt wordene

4206,7 cm"¹ liegt sehr dicht am H₀* (v = 1) Niveau bei

-1

4159,2 cm . Die Besetzung dieses Niveaus durch, resonanten Schwingungsenergieübertrag kann von den in der Tabelle 4 dargestellten Übergängen herrühr en_o

Tabelle IV

Übergänge bei CpH^,

Schwingungsüb ergang

Energie

We11enlänge

+ V

V₃. ₊2v_{7 +} v.
V_{5 +}2v_{7 +} v.

^2v

10

2865 cm

2309 cm' 3212 cm

-1

-1

-1

3,'

4,33 " 3,12 »

Damit ist demonstriert worden, daß bei der Erfindung jedes

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mehratomige Monekül mit den nachstehend genannten beiden Charakteristiken ein Bewerber für die Laser-Emission ist:

(1) es muß ein Energieniveau besitzen, das nahezu resonant mit dem H₂* ( ν = 1) Niveau ist, und

(2) es muß erlaubte Übergänge zwischen dem resonanten Niveau und dem Grundzustand haben.

Das Helium wird hinzugefügt, um den Druck und die Zusammensetzung der Gasmischung für ein Niveau herzurichten, womit eine Elektronenenergieverteilung gewonnen wird, die für die schwingungsmäßige Anregung der ^-Moleküle günstig ist. Azetylen hat sich als mehratomiges Gas wegen seiner mehr möglichen Lbergänt-s gegenüber jedem anderen bekannten Gas im Sinne der vorstehend erwähnten Eigenschaften als besonders günstig erwiesen.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. - 20 -

   Patentansprüche

   Gas-Laser für die Erzeugung einer kohärenten Infrarot-Strahlung, bei dem in einem Entladungsgefäß angeregte Gasatome eines Mischgases Energie auf Atome eines anderen
   Gases des Mischgases übertragen werden und dort eine Besetzungsinversion hervorrufen, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgas aus Wasserstoff, Helium und einem mehratomigen Molekül besteht, welches ein resonantes Energieniveau nahe dem Schwingungsenergieniveau des ersten metastabilen Zustandes vom Wasserstoff hat und weiches erlaubte Übergänge zwischen dem resonanten Energieniveau und dem Grundzustand aufweist, und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit
   deren Hilfe das Mischgas durch elektrische Energie angeregt wird, um den Wasserstoff in seinen ersten metastabilen Zustand zu heben und um damit durch schwingungsmäßiges Anregen des mehratomigen Moleküls die Laser-Emission zu induzieren.

   2.) Gas-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgas Azetylen (CoHq) enthVIt.

   3·) Gas-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das LIischgas Lie than (CH^.) enthalt.

   4·.) Gas-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgas Ammoniak (NH₅,) enthält.

   5.) Gas-Laser nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgas Äthylen (CpH^,) enthält.

   6.) Gas-Laser nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß für die Anregung des Tischgases ein Impulsgeber (20) benutzt ist.

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   7·) Gas-Laser nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgas mit ausgewählten Partialdrucken im Gasentladungsgefäß (10) kontinuierlich fließt.

   8.) Gas-Laser nach den Ansprüchen 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mischgases im Entladungsgefäß (10) durch Kühlmittel (11) kontrollierbar ist.

   9.) Gas-Laser nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgas Azetylen enthält, wobei der
   Partialdruck des Wasserstoffs 2 bis 4- Torr, der des Azetylens 1 bis 2 Torr und der des Heliums 10 bis 20 Torr beträgt.

   lü.) Gas-Laser nach den Ansprüchen 1 bis 9j dadurch gekennzeichnet, da3 das Kühlmittel (11) für das Entladungsgefäß (10) eine Temperatur von etwa 300⁰K hat und daß vom
   Mischgas der Partialdruck des Wasserstoffs 2 Torr, der des Azetylens 1 Torr und der des Heliums zwischen 10 und 20
   Torr beträgt.

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