DE2142868C3 - Gas ion laser - Google Patents
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Description
von elementarem Selen eine Temperatur zwischen 250 und 2800C aufweist.of elemental selenium has a temperature between 250 and 280 0 C.
F i g. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform unter Verwendung einer geschlossenen Laser-Entladungsröhre,F i g. Figure 2 is a schematic view of a second embodiment using a closed one Laser discharge tube,
F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit der Laserleistung vom Entladungsstrom für den in F i g. 1 gezeigten Laser,F i g. 3 is a diagram showing the dependence of the laser power on the discharge current for the in F i g. 1 laser shown,
F i g. 4 und 5 typische Änderungen der Laser-Leistung mit dem He-Druck bzw. der Seitenarm-F i g. 4 and 5 typical changes in the laser power with the He pressure or the side arm
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasionenlaser lür Dauerstrichbetrieb mit einer innerhalb eines optischen Resonators angeordneten, das stimulierbare Medium enthaltenden Entladungsröhre, die mit mindestens einer Quelle für einen zu verdampfenden Stoff und mit Einrichtungen zur Erzeugung einer kontinuierlichen Gleichstromentladung versehen ist, wobei das stimulierbare Medium aus Helium von mindestensThe invention relates to a gas ion laser for continuous wave operation with one within an optical one Resonator arranged, the stimulable medium containing discharge tube with at least a source for a substance to be vaporized and with devices for generating a continuous Direct current discharge is provided, wherein the stimulable medium consists of helium of at least
2 Torr Druck und einem bei Temperaturen zwischen 35 temperatur bei der Ausführungsform nach F i g. 2, 200 und 3000C verdampften Stoft besteht. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der2 Torr pressure and a temperature between 35 temperature in the embodiment according to FIG. 2, 200 and 300 0 C vaporized substance consists. In the illustrated embodiments of
Es wurde in neuerer Zeit erkannt, daß die normaler- Erfindung erzeugt ein Selen-Ionen-Laser, bei dem die weise in fester oder flüssiger Form vorliegenden ionen durch Kataphorese durch die Entladungsröhre Elemente, z. B. die meisten Metalle, die wahrschein- gepumpt werden, mit relativ niedrigem Strom im lichste Quelle für neue Ionenlaser sein werden. Denn 40 Dauerbetrieb ein breites Spektrum von Laserlinien, mit Hilfe der Edelgas-Ionenlaser (z. B. dem allgemein die im ganzen vom nahen Infraroten bis zum Blauen bekannten Neon-Helium-Laser) ist es nicht möglich, reichenden Spektralbereich verteilt liegen. Die Schwin-Strahlung bei ausreichend verschiedenen Frequenzen gungen werden mit einem Gemisch aus Heliumgas im gesamten sichtbaren Bereich des Spektrums im eines Druckes von mehr als 2 Torr und Selendampf Dauerstrichbetrieb zu erzeugen. Andererseits würde 45 erhalten, wie dieser von auf 200 bis 3000C erhitztem man insbesondere in der Nachrichtenübermittlungs- festem elementarem Selen erhalten wird. Im ganzenIt has recently been recognized that the normal invention produces a selenium ion laser in which the ions present in solid or liquid form by cataphoresis through the discharge tube elements, e.g. For example, most metals that are likely to be pumped with relatively low currents will be the most likely source for new ion lasers. Because 40 continuous operation a broad spectrum of laser lines, with the help of the noble gas ion laser (e.g. the neon-helium laser generally known from the near infrared to the blue) it is not possible to spread the spectral range. The Schwin radiation at sufficiently different frequencies are generated with a mixture of helium gas in the entire visible range of the spectrum in a pressure of more than 2 Torr and selenium vapor continuous wave operation. On the other hand, 45 would be obtained, as this is obtained from elementary selenium which is heated to 200 to 300 ° C., in particular in message transmission-resistant elementary selenium. Throughout
wurden 46 Übergänge zwischen 4467 und 12 600 Ä beobachtet. Neunzehn der Übergänge von 4605 bis 6444 Ä im sichtbaren Bereich schwingen bei Verwen-50 dung breitbandiger Reflektoren gleichzeitig. Es wurJen Ausgangsleistungen zwischen 3 und 5 Milliwatt im Spektralbereich von 4467 bis 12 600 Ä (1,26 Mikrometer) gemessen, wobei verschiedene Kombinationen von Laserspiegeln verwendet wurden. Eine Spiegelmium-Laser ist aber eine stimulierte Emission bei nur 55 kombination erzeugte ein kombiniertes Ausgangszwei Linien, nämlich bei 4416 und 3250 A, im Dauer- signal mit einer Leistung von 250 Milliwatt bei den strichbetrieb erreichbar. Der bekannte Laser ist daher sechs stärksten blaugrünen Übergängen, nicht in der Lage, dem Bedürfnis nach stimulierter Es wurde während des Betriebs festgestellt, daß ein46 transitions between 4467 and 12,600 Å were observed. Nineteen of the transitions from 4605 to 6444 Ä in the visible range oscillate at the same time when using broadband reflectors. There were Output powers between 3 and 5 milliwatts in the spectral range from 4467 to 12 600 Å (1.26 micrometers) measured using various combinations of laser mirrors. A Spiegelmium laser but is a stimulated emission at only 55 combination produced a combined output two Lines, namely at 4416 and 3250 A, in the continuous signal with a power of 250 milliwatts for the line operation achievable. The known laser is therefore six strongest blue-green transitions, unable to meet the need for stimulated It was found during operation that a
Emission bei möglichst vielen verschiedenen Linien optimaler Selen-Dampfdruck bei einer Temperatur im optischen Spektralbereich entscheidend Rechnung 60 des Selenvorrats zwischen etwa 250 und 2800C erzielt zu tragen. wurde. Optimale Heliumdrücke lagen im Bereich zwi-Emission selenium vapor pressure achieved to contribute to as many different lines optimally at a temperature in the optical spectral crucial statement 60 of the selenium supply from about 250 to 280 0 C. would. Optimal helium pressures were in the range between
Es ist auch bereits bekannt, gewisse nichtmetallische sehen 5 und 15 Torr. Die maximale Gesamtleistung Feststoffelemente in gepulsten Lasern bei sehr niedii- wurde bei einem Entladungsstrom von 400 bis gen Dampfdrücken zu verwenden. So sind beispiels- 500 Milliampere erzielt.It is also already known to see certain non-metallic 5 and 15 torr. The maximum overall performance Solid elements in pulsed lasers at very low was at a discharge current of 400 to gen to use steam pressures. For example, 500 milliamperes are achieved.
weise Selen-, Arsen- und Brom-Ionen-Laser, die in 65 Die infraroten Übergänge haben für integiierte gepulsten HF-Ringentladungen angeregt werden, aus optische Schaltungen und für optische Übertragungsdem Artikel von W. E. B e 11 et al., IEEE Journal of systeme besondere Bedeutung, da sie mit früher ent-Ouantum Electronics, Bd. 1, S. 400 (1965) bekannt. wickelten optischen Einrichtungen kombinierbar sind.wise selenium, arsenic and bromine ion lasers, which in 65 The infrared transitions have for integiated pulsed HF ring discharges are excited from optical circuits and for optical transmission Article by W. E. Be 11 et al., IEEE Journal of systems is of particular importance, as it was earlier with ent-Ouantum Electronics, Vol. 1, p. 400 (1965). wound optical devices can be combined.
technik möglichst viele verschiedene Trägerfrequenzen benötigen.technology require as many different carrier frequencies as possible.
So ist es bekannt (vgl. Applied Physics Letters, H^. 15 (1961J), 1j9-161), fur einen Laser der einleitend beschriebenen Art eine Mischung aus Helium von mindestens 2 Torr und bei Temperaturen zwischen 200 und 3000C verdampftem Kalium als das stimulierbare Medium vorzusehen. Mit diesem Helium-Cad-Thus it is known (see. Applied Physics Letters, H ^. 15 (196 1 J), 1j9-161), for a laser of the kind described in the introduction, a mixture of helium of at least 2 Torr and at temperatures between 200 and 300 0 C. to provide vaporized potassium as the stimulable medium. With this helium cad
Die bei der in F i g. 1 dargestellten Ausfübxungs- Strahl alternativ zu einem Monochromator oder •orm der Erfindung benutzte Quarz-Entladungs- Spektrometer zur genauen Wellenlängenmessung geröhre 11, welche einen engen Bereich 17 mit 3 mm leim.The in F i g. 1 shown embodiment beam as an alternative to a monochromator or • or m of the invention used quartz discharge spectrometer for precise wavelength measurement tube 11, which glue a narrow area 17 with 3 mm.
Innendurchmesser aufweist und eine Länge von Außerdem wurde der vordere Reflektor 18 teildurch-Has inner diameter and a length of In addition, the front reflector 18 was partially
50 cm hat, kann von einer Gleichstromquelle 16 ge- 5 lässig ausgeführt, um einen anderen Teil der Resonanzlieferte Entladungsströme in der Größenordnung von strahlung abziehen zu können. Dieser Strahlung kann 1 Ampere zwischen Anode 14 und Kathode 15 führen. beispielsweise in einem Verbraucher 31 verwendet Die Röhre 11 hat zwei Seitenarme 12 und 13 auf der werden, wobei der Verbraucher beispielsweise als Vor-Höhe an Anoden- und Kathoden-Seitenarme und richtung zum Bestimmen der spektroskopischen außerhalb des engen Bereichs 17, um eine genauere io Raman-Eigenschaften eines Kristalls über das von Steuerung des Dampfdrucks bei hohen Entladungs- den Laserlinien überstiichene Frequenzband ausgeströmen zu gewährleisten. Heliumgas fließt von einem bildet sein kann.50 cm, can be carried out casually by a direct current source 16 in order to be able to draw off another part of the resonance-supplied discharge currents in the order of magnitude of radiation. This radiation can carry 1 ampere between anode 14 and cathode 15. used for example in a consumer 31 The tube 11 has two side arms 12 and 13 on the be used, with the consumer for example as a front height on anode and cathode side arms and direction for determining the spectroscopic outside the narrow range 17 in order to have a more accurate io To ensure Raman properties of a crystal over the frequency band spanned by the control of the vapor pressure at high discharge of the laser lines. Helium gas flows from one can be forms.
Reservoir 28 durch Einlaßstutzen der die Anode 14 Kohärenz dei entnommenen Strahlung kann durchReservoir 28 through inlet port which the anode 14 coherence of the extracted radiation can through
bzw. die Kathode 15 enthaltenden Seitenarme und ein leichtes Neigen oder Verstimmen eines der Endwird durch die mit diesen ausgerichteten Seitenarme 12 15 reflektoren 18 und 19 getestet werden, und 13 mit HiUe einer mechanischen Pumpe 20 abge- Die erweiterten Abschnitte 81 der Röhre 11 sowieor side arms including cathode 15 and a slight tilting or detuning of one of the ends through the side arms 12 15 aligned with these reflectors 18 and 19 are tested, and 13 with the aid of a mechanical pump 20 The enlarged sections 81 of the tube 11 as well
führt. Der Querstrom des Helium= unterstützt die die zugehörigen Seitenarme können aus Hartglas Entladung und schützt die Fenster. Der Entladungs- bestehen, das über abgestufte Dichtungen bzw. Anstrom liefert genügend Wärme, um den engen Be- schlußstücke mit dem aus Quarz bestehenden rohrreich 17 bei einer höheren Tempeiatur als die Reser- 20 forangen Bereich 17 verbunden ist. Die erweiterten voire 21 und 22 zu halten und eine Kondensation des Abschnitte können ein Innendurchmesser von 2,5 cm Selens im engen Bereich 17 zu verhindern. haben. Die Bereiche nahe den Endfenstern könnenleads. The cross flow of the helium = supports which the associated side arms can be made of tempered glass Discharge and protect the windows. The discharge consists of graduated seals or incoming current supplies enough heat to reach the tight fittings with the quartz tube 17 at a higher Tempeiatur than the reserve 20 forangen area 17 is connected. The extended voire 21 and 22 to keep and condensation of the sections can have an inner diameter of 2.5 cm To prevent selenium in the narrow area 17. to have. The areas near the end windows can
Dei Selendampf kann aus festem elementarem Selen einen Innendurchmesser von 1,7 cm haben, erhalten werden, das in den Reservoiren 21 und 22 Bei Betrieb des Selen-Ionen-Lasers nach F i g. 1The selenium vapor can have an inner diameter of 1.7 cm from solid elemental selenium, are obtained in the reservoirs 21 and 22 When operating the selenium ion laser according to FIG. 1
enthalten ist, welche zu dem engen Bereich 17 hin 25 wurde der Heliumdruck oberhalb von 2 Torr, und offen sind. Die Reservoire 21 und 22 haben eine Tiefe vorzugsweise bei 5 bis 15 Torr, eingestellt. Es wurde von etwa 5 cm, sind kolbenförmig ausgebildet und festgestellt, daß Kataphorese, die Bewegung positiver haben im Bereich ihrer öffnung zum engen Bereich 17 Ionen unter Einfluß des Gleichstromfeldes, einen hin einen Durchmesser von 3 mm. Sie können 4 cm maßgeblichen Effekt auf die Arbeitsweise des in von den erweiterten Abschnitten der Quarzröhre 11 30 F i g. 1 dargestellten Lasers hat. Die Intensität des entfernt angeordnet sein und werden durch Wider- Ausgangssignals fällt nur schwach ab, wenn das stands-Heizspulen 23 und 24 erwärmt, wobei Glas- rechte Reservoir 22 nicht erwärmt ist. Die positiven zylinder 25 und 26 die Heizspulen von den Reser- Selen-Ionen werden daher durch Kataphorese längs voiren 21 und 22 auf Abstand halten. Gegebenenfalls der Röhre vom anodenseitigen Reservoir 21 aus leicht können die Spulen 23 und 24 durch in F i g. 1 nicht 35 verteilt und zur Kathode hin gepumpt, gezeigte Mittel außen isoliert sein, um den Leistungs- Die 24 sichtbaren Laserübergänge, die in deris included, which towards the narrow area 17 was the helium pressure above 2 Torr, and are open. The reservoirs 21 and 22 have a depth preferably set at 5 to 15 Torr. It was of about 5 cm, are piston-shaped and found that cataphoresis, the movement more positive have in the area of their opening to the narrow area 17 ions under the influence of the direct current field, one towards a diameter of 3 mm. You can have a 4 cm decisive effect on the functioning of the in of the expanded sections of the quartz tube 11 30 F i g. 1 has shown the laser. The intensity of the be remotely located and are reflected by the output signal drops only weakly when the Standing heating coils 23 and 24 are heated, with the reservoir 22 on the right-hand side not being heated. The positive ones cylinder 25 and 26 the heating coils of the reser selenium ions are therefore longitudinally by cataphoresis Keep voirs 21 and 22 at a distance. If necessary, the tube from the anode-side reservoir 21 easily the coils 23 and 24 can by in F i g. 1 not 35 distributed and pumped towards the cathode, The 24 visible laser junctions shown in the
verbrauch zu verringern. 50-cm-Röhre 11 der in F i g. 1 dargestellten Aus-to reduce consumption. 50 cm tube 11 of the FIG. 1 shown
Die Temperatur der Reservoire 21 und 22 und damit f ührungsform erhalten werden, sind in der nachfolgender Dampfdruck des Selens wird von einer regelbaren den Tabelle I angegeben. Alle Wellenlängen wurden Heizstromquelle 27 gesteuert. Die Quelle 27 kann von 40 mit einem 3/4-m-Spektrometer gemessen und ergeben Hand oder automatisch über Rückkopplungen von sich aus bekannten Übergängen im Spektrum von den Reservoiren 21 und 22 geregelt werden. Bei auto- einfach ionisiertem Selen (Se II). matischer Einstellung können an den Reservoiren Die Änderung der Laserleistung mit dem Strom beiThe temperature of the reservoirs 21 and 22 and thus the guide form are obtained in the subsequent steam pressure of the selenium is indicated by a controllable table I. Heating current source 27 was controlled for all wavelengths. The source 27 can be measured from 40 with a 3 / 4- m spectrometer and can be controlled manually or automatically via feedback from transitions in the spectrum from the reservoirs 21 and 22 that are known per se. With auto-simply ionized selenium (Se II). matic adjustment can be done at the reservoirs The change in laser power with the current
angebrachte Thermoelemente die Rückkopplungs- dem stärksten Übergang bei 5227 A ist in F i g. 3 für signale liefern. 45 die 50-cm-Entladungsröhre gemäß F i g. 1 dargestellt.attached thermocouples the feedback the strongest junction at 5227 A is in FIG. 3 for deliver signals. 45 shows the 50 cm discharge tube shown in FIG. 1 shown.
Die optimalen Partialdrücke der beiden Gase be- Die Leistung wächst angenähert linear mit dem Strom, trugen angenähert 6 bis 8 Torr He und 5 · 10~3 Torr bis sie einen Sättigungsbereich bei 400 mA erreicht. Se Angenähert optimale Bedingungen können jedoch Die Leistung erreicht ihren Spitzenwert bei 500 mA über einen weiten Bereich von Dampfdrücken herge- und fällt danach bis zu einem Strom von 1 Ampere stellt werden, wie im folgenden noch eingehend erläu- 50 auf ein Drittel der maximalen Leistung ab. tert wird Es wird angenommen, daß alle Übergänge Die Verstärkung bei jedem Übergang ist für dieThe optimal partial pressures of the two gases increased approximately linearly with the current, carried approximately 6 to 8 Torr He and 5 · 10 -3 Torr until it reached a saturation range at 400 mA. However, approximate optimal conditions can be achieved. The power reaches its peak value at 500 mA over a wide range of vapor pressures and then drops to a current of 1 ampere, as will be explained in more detail below . It is assumed that all transitions The gain at each transition is for the
von der angeregten 4s24p25p Elektronen-Konfigura- 4-mm-Entladungsröhre 41 gemäß F i g. 2 bei einem tion in einfach ionisiertem Selen (Se II) herrühren. Strom von 200 mA in Tabelle I nachfolgend ange-Diese Elektronen-Konfiguration liegt energetisch nahe geben. Trotzdem war die Verstärkung pro Meter an bei dem Hc-Ionen-Grundzustand. Das bedeutet, daß 55 den meisten Übergängen in der 3-mm-Röhre gemäß diese Energie mit der Energie des Helium-Ionen- F i g. 1 höher als in der Hartglasröhre gemäß F 1 g. Grundzustandes nahezu übereinstimmt. Die Quarzröhre 17 gemäß F i g. 1 konnte außerdemfrom the excited 4s 2 4p 2 5p electron configuration 4 mm discharge tube 41 according to FIG. 2 originate in a cation in singly ionized selenium (Se II). Current of 200 mA indicated in Table I below. This electron configuration is energetically close. Even so, the gain per meter was on for the Hc ion ground state. This means that most of the transitions in the 3 mm tube correspond to this energy with the energy of the helium ion F i g. 1 higher than in the hard glass tube according to F 1 g. Basic condition almost coincides. The quartz tube 17 according to FIG. 1 could also
Bei einer Ausführungsform ist der hintere Reflek- größere Ströme führen als diejenige nach F 1 g. 2. Die tor 19 (Fig 1) teildurchlässig, um einen Teil der Maximalverstärkung, die bei der Ausführungsform Resonanzstrahlung abziehen zu können, wobei der 60 nach F i g. 2 gemessen wurde, betrug 11%/Meteran abgeleitete Teil durch ein Gitter 29 in verschiedenen dem 5227-A-Übergang bei einem Strom von 500 rnA. Beugungsordnungen auf einem Anzeigeschirm 30 zur Die relativen Intensitäten aller Linien sind in Ta-In one embodiment, the rear reflector carries larger currents than that according to F 1 g. 2. The gate 19 (Fig 1) partially permeable to a part of the maximum gain that in the embodiment To be able to subtract resonance radiation, the 60 according to FIG. 2 measured was 11% / meter derived part by a grid 29 in different the 5227-A junction at a current of 500 rnA. Diffraction orders on a display screen 30 for The relative intensities of all lines are in tables
Anzeige gebracht wird. Bei der ersten Beugungs- belle I mit stark, mittel und schwach angegeben, wie Ordnung und bei höheren Beugungsordnungen kann sie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2_mit die Trennung bzw. der Abstand zwischen den ver- 65 einem 4 mm rohrförmigen Bereich und einer einen schiedenen Farben mit dem Auge unterschieden Meter langen Entladungsstrecke bei einem He-Druck werden. Da die verschiedenen Farben in dem Null- von 8 Torr und einem Entladungsstrom von 200 mA Ordnungs-Strahl nicht getrennt sind, wurde dieser beobachtet wurden.Display is brought. In the first diffraction I beauty with strong, medium and weak indicated as order and at higher diffraction orders can in the embodiment according to FIG. 2_mit the separation or distance between the comparable 6 5 4 mm tubular portion and a different colors can be distinguished with the eye meter-long discharge path in a He pressure. Since the different colors are not separated in the zero of 8 Torr and a discharge current of 200 mA order beam, it was observed.
Wellenlängen und Niveau-Zuordnungen liemesxene Wcllcn-(Ί nlcran/ t 0.5 Λ)Wavelengths and level assignments liemesxene Wcllcn- (Ί nlcran / t 0.5 Λ)
4604.6 4648.6 4764.1 4840.6 4845.0 4U76.1 4992.9 5068.7 5096.1 5141.9 5176.0 5227.6 5252.6 5253.2 5271.3 5305.54604.6 4648.6 4764.1 4840.6 4845.0 4 U 76.1 4992.9 5068.7 5096.1 5141.9 5176.0 5227.6 5252.6 5253.2 5271.3 5305.5
5522.85522.8
5591.6 5697.9 5747.9 6056.3 6443,9 6490,1 6534,6 5591.6 5697.9 5747.9 6056.3 6443.9 6490.1 6534.6
ISI'-WcllcnkinjiclAlISI'-WcllcnkinjiclAl
4604.34 4648.44 4763.65 4840.63 4844.96 4975.66 4992.75 5068.65 5096.50 5142.14 5175.98 5227.51 5253.07 5253.63 5271.11 5305.354604.34 4648.44 4763.65 4840.63 4844.96 4975.66 4992.75 5068.65 5096.50 5142.14 5175.98 5227.51 5253.07 5253.63 5271.11 5305.35
5522.42 a5522.42 a
5591,16 5697,88 5747,62 6055S6 644425 6490.48 6534^95 5591.16 5697.88 5747.62 6055S6 6444 25 6490.48 6534 ^ 95
■> 4 P,
■>
2 2 P 1
2
22
2 4 P ^
2
22
22
5p5p
Kcliili\c InlcnsiljlKcliili \ c Inlcnsiljl
mil lei schwach schwach schwach mittel stark stark stark schwach mittel stark stark mittel mittel schw ach starkmil lei weak weak weak medium strong strong strong weak medium strong strong medium medium weak strong
mittelmedium
schwach schwach schwach mittel mittel mittel schwach weak weak weak medium medium medium weak
(icmcssciic Verstärkung(icmcssciic Reinforcement
("•n McIiTl("• n McIiTl
2.32.3
3.33.3
1.3 4.61.3 4.6
5.4 1.7 1.75.4 1.7 1.7
2.62.6
1.31.3
a = Zuordnung zweifelhaft.a = assignment doubtful.
Die Ausführung der .geschlossenen Entladungsröhre 65 Die insgesamt ans Hartglas bestehende Röhre' gemäß Ausführongsform nach Fig. 2 ist für das weist einen rohrförmigen Bereich 47 mit 4-mm-Inne Kataphorese-Pmnpen der Selen-Ionen noch besser durchmesser auf und besitzt eine Länge von 11 geeignet als die Ausführungsform nach F i g. 1. wobei die erweiterten Abschnitte nahe den Endfenste:The execution of the "closed discharge tube 65 The tube consisting entirely of hard glass" According to the embodiment according to FIG. 2, it has a tubular area 47 with a 4 mm interior Cataphoresis Pmnpen of the selenium ions has an even better diameter and has a length of 11 suitable as the embodiment according to FIG. 1. where the extended sections near the end windows:
einen Innendurchmesser von 12 mm haben. Der
Brewster-Winkel der Quarz-Endfenster wurde für eine
Wellenlänge von etwa 4420 A im blauen Bereich gewählt, obwohl diese Fenster auch für die Linien
größerer Wellenlängen, sogar für die roten Linien, nur sehr geringen Verlust bewirken.
Ein Selenreservoir 51, das im Abstand von etwa 2 cm in Richtung der Entladungsachse vom die Anode 44
enthaltenden Seitenarm angeordnet ist, wird in der anhand der Ausführungsform nach F i g. 1 erläuterten
Weise erwärmt. Eine gleichmäßige Selendampfverteilung wird mit Hilfe des Kataphorese-Ionen-Pumpens
durch die Gleichstromentladung in dem rohrförmigen Bereich 47 aufrechterhalten. Die sich bei der Entladung
bildende Wärme verhindert auch bei dieser Ausführungsform die Selenkondensation im rohrförmigen
Bereich 47. have an inner diameter of 12 mm. The Brewster angle of the quartz end window was chosen for a wavelength of about 4420 A in the blue region , although these windows cause only very little loss for the lines of longer wavelengths, even for the red lines.
A selenium reservoir 51 cm at a distance of about 2 in the direction of the discharge axis of the anode 44 is disposed side arm containing, in the reference to the embodiment according to F i g. 1 heated way. A uniform selenium vapor distribution is maintained with the aid of cataphoresis ion pumping through the direct current discharge in the tubular region 47. The heat that forms during the discharge also prevents selenium condensation in the tubular region 47 in this embodiment.
Die die Temperatur steuernde Heizstromquelle 57 kann entweder mit Hand oder automatisch eingestellt werden, um die Temperatur des Reservoirs 51 über eine Widerstands-Heizspule 53 zu steuern, welche den Glaszylinder 55 in der in F i g. 1 dargestellten Weise umgibt.The heating power source 57 controlling the temperature can be adjusted either manually or automatically in order to control the temperature of the reservoir 51 via a resistance heating coil 53 which drives the glass cylinder 55 in the manner shown in FIG. 1 surrounds the manner shown.
Eine in einem separaten Seitenarm angeordnete Entgasungskathode 50 ersetzt während des Entgasungsvorgangs die Hauptkathode 45 und bewirkt die Entladung, wodurch die Hauptkathode vor Verschlechterung geschützt wird. Eine Hochvakuumpumpe 82, die über ein Ventil angeschlossen ist, evakuiert die Röhre 41. Danach wird die Röhre aus dem Heliumreservoir 58 mit Helium unter einem Druck von 8 Torr gefüllt. Unter diesen Bedingungen konnte eine Gesamtleistung von 30 mW in nahezu gleichen Mengen von den 4976-, 4993-, 5069-, 5176-. 5227- und 5305-A-Übergängen (hlaugrün bis gelbgrün) gewonnen werden, wobei ein Ausgangsspiegel 48 mit einer Durchlässigkeit von 2 bis 3% über diesen Wellenlängenbereich verwendet wurde. Der Ausgangsspiegel 48 war dabei nicht optimiert für diese Übergänge, und es kann angenommen werden, daß höhere Leistungen bei entsprechend angepaßten Ausgangskopplungsgrad hätten erzielt werden können. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 konnte eine Leistung von 1,2 mW bei 4605 A und 0,3 mW bei 4649 A bei diesen Wellenlängen mit einem Ausgangsspiegel 48 beobachtet werden, der eine Durchlässigkeit von 0.7 % besitzt. Es wurde unter einigen der Linien eine gewisse Konkurrenz beobachtet, und es kann daher zur Erzielung maximaler Leistung bei jedem Übergang notwendig sein, einen nicht dargestellten Prismenselektor im Laser-Resonator zu verwenden. Wenn viele Linien gleichzeitig schwingen, kann in der Praxis ein drehbares Transmissionsgitter 60 verwendet werden, mit dem selektiv eine Linie zu einem Verbraucher 61 übertragen werden kann. Das Gitter 60 ist insbesondere geeignet, die Schwingung einer im Infrarotbereich liegenden ausgewählten Welle zu fördern. A degassing cathode 50 arranged in a separate side arm replaces the main cathode 45 during the degassing process and causes the discharge, whereby the main cathode is protected from deterioration. A high vacuum pump 82, which is connected via a valve, evacuates the tube 41. The tube is then filled from the helium reservoir 58 with helium under a pressure of 8 Torr. Under these conditions a total output of 30 mW could be achieved in almost the same quantities as the 4976-, 4993-, 5069-, 5176-. 5227 and 5305 A transitions (lavender green to yellow green) can be obtained using an exit mirror 48 having a transmittance of 2-3% over this wavelength range. The output mirror 48 was not optimized for these transitions, and it can be assumed that higher powers could have been achieved with a correspondingly adapted degree of output coupling. In the embodiment according to FIG. 2, a power of 1.2 mW at 4605 A and 0.3 mW at 4649 A could be observed at these wavelengths with an output mirror 48 which has a transmittance of 0.7%. Some competition has been observed among some of the lines and it may therefore be necessary to use a prism selector, not shown, in the laser cavity in order to achieve maximum performance at each transition. If many lines vibrate at the same time, a rotatable transmission grating 60 can be used in practice, with which a line can be selectively transmitted to a consumer 61. The grating 60 is particularly suitable for promoting the oscillation of a selected wave lying in the infrared range.
F i g. 4 und 5 zeigen die Änderung der Laserleistung mit dem He-Druck und der Seitenarm-Temperatur für eine Entladung bei einem Strom von 20OmA in dem 4 mm rohrförmigen Bereich bei der Auiführangsform gemäß F i g. 2. Das Ausgangssignal bestand aus den obenerwähnten sechs Linien, wobei der 2 — 3 % Ausgangsspiegel 48 verwendet wurde. Die Änderung mit dem Heliumdruck gemäß F i g. 4 bei einer Selentemperatur im Seitenarm von 265° C hat ein relativ breites Maximum im Bereich von 6 bis 10 Torr. Die untere Druckschwelle liegt bei 2 Torr, und es konnte stimulierte Emission bzw. Lasereffekt noch bei Drücken in der Größenordnung von 22 Torr beobachtet werden. Die Röhre mit einem rohrförmigen Bereich von 3 mm zeigte einen ähnlichen Kurvenverlauf mit einem Optimum bei 6 Torr. F i g. 4 and 5 show the change in the laser power with the He pressure and the side arm temperature for a discharge at a current of 20OmA in the 4 mm tubular area in the embodiment according to FIG. 2. The output consisted of the above six lines using the 2-3% output mirror 48. The change with the helium pressure according to FIG. 4 at a selenium temperature in the side arm of 265 ° C has a relatively broad maximum in the range from 6 to 10 Torr. The lower pressure threshold is 2 Torr, and stimulated emission or laser effect could still be observed at pressures in the order of magnitude of 22 Torr. The tube with a tubular area of 3 mm showed a similar curve shape with an optimum at 6 Torr.
Die Änderung der Laser-Ausgangsleistung mit dei Selentemperatur im Seitenarm ist in F i g. 5 bei einem Heliumdruck von 8 Torr gezeigt. Die HalbwertsbreiteThe change in laser output power with selenium temperature in the side arm is shown in FIG. 5 at one Helium pressure of 8 torr shown. The half width
ίο der Kurve erstreckt sich über einen Temperaturbereich von angenähert 30°C mit einem Maximum bei 265°C. Der dieser Temperatur entsprechende Dampfdruck beträgt angenähert 5 ■ 10~3 Torr. Bei Abweichungen der Temperatur um ±15°C fällt die Laserleistung auf etwa die Hälfte ab. Den engen Selen-Dampfdruck-Bereich, bei dem stimulierte Emission auftritt, erkennt man an einer relativ weißen Entladung. Diese weiße Entladung steht im Gegensatz zu einer rötlichen Entladung des reinen Heliums bei zu niedriger Selentemperatur und zu der blauen Entladung in Selendampf von zu hoher Temperatur.ίο the curve extends over a temperature range of approximately 30 ° C with a maximum at 265 ° C. The vapor pressure corresponding to this temperature is approximately 5 × 10 -3 Torr. If the temperature deviates by ± 15 ° C, the laser power drops to about half. The narrow selenium vapor pressure range at which stimulated emission occurs can be recognized by a relatively white discharge. This white discharge is in contrast to a reddish discharge of pure helium at too low a selenium temperature and to the blue discharge in selenium vapor at too high a temperature.
Die oberen Laserniveaus dieser Übergänge, welche alle dreizehn 5p-Niveaus umfassen, ergeben sich alle aus der 4s24p25p elektronischen Konfiguration im Spektrum von einfach ionisiertem Selen (Se II). Alle diese Niveaus liegen nahe bei dem Helium-Ionen-Grundzustand. Nur drei Niveaus liegen darüber (innerhalb von etwa 0,2 eV) mit einem maximalen Energieunterschied von ungefähr 4 kT. Diese sehr genaue Energieanpassung deutet zusammen mit der linearen Stromabhängigkeit und dem hohen Heliumdruck für ein optimales Ausgangssignal auf die Möglichkeit hin, daß die Niveaus durch Ladungsaustauschstöße zwischen Helium-Ionen und im Grundzustand befindlichen neutralen Selen-Atomen angeregfwerden. Es ist anzunehmen, daß die Entladungen in jedem Fall im Sinne einer Ionisierung eines maßgeblichen Teils des Heliums wirksam sind, wobei der lonisierungsgrad etwa bei 0,01% oder mehr liegen dürfte.The upper laser levels of these transitions, which include all thirteen 5p levels, all result from the 4s 2 4p 2 5p electronic configuration in the spectrum of singly ionized selenium (Se II). All of these levels are close to the helium ion ground state. Only three levels are above (within about 0.2 eV) with a maximum energy difference of about 4 kT. This very precise energy adjustment, together with the linear current dependence and the high helium pressure for an optimal output signal, indicates the possibility that the levels are stimulated by charge exchange collisions between helium ions and neutral selenium atoms in the ground state. It can be assumed that the discharges are effective in every case in the sense of ionizing a significant part of the helium, the degree of ionization being approximately 0.01% or more.
Wenn Elektronenstöße für die Anregung an den Niveaus verantwortlich wären, so läge der optimale Heliumdruck bedeutend niedriger (und es würde eine hohe Elelctronentemperatur erzeugt werden), um den im Artikel von B e 11 et al. angegebenen Bedingungen zu genügen. Außerdem trat eine stimulierte Emission in ähnlichen Gemischen von Ar-Se nicht auf. Diese Beobachtung stimmt mit der Tatsache überein, daß keine Energiekoinzidenz zwischen den Argon-Ionen-Niveaus und den 5p-Selen-Ionen-Niveaus be· steht. If electron impacts were responsible for the excitation at the levels, then the optimal helium pressure would be significantly lower (and a high electron temperature would be generated) in order to achieve the level described in the article by B e 11 et al. to meet the specified conditions. In addition, stimulated emission did not occur in similar mixtures of Ar-Se. This observation is consistent with the fact that there is no energy coincidence between the argon ion levels and the 5p selenium ion levels .
Es wird angenommen, daß Selendampf in Forrr von Se2, Se4, Se8 und Sea-Molekülen vorhanden ist obwohl die relativen Konzentrationen der verschie denen Formen nicht genau bekannt sind. Die Disso ziatjonsenergie von Se2 beträgt 3,55 eV, so daß de Dissoziationsprozeß wahrscheinlich auf Kollision voi Se-Molekülen entweder mit Elektronen und/ode metastabilen Heliumatomen oder -ionen zurückgehl Es ist daher auch möglich, daß die Moleküle dissoziier und in einem angeregten Ionenzustand gelassen wei den. Trotzdem würden Elektronen die einzigen Energie träger bzw. Spezies sein, die zu diesem Zweck genügen Energie besitzen, und das optimale Laser-Ausgangs signal würde dann bei einem viel niedrigeren Helium It is believed that selenium vapor is present in the form of Se 2 , Se 4 , Se 8 and Se a molecules, although the relative concentrations of the various forms are not precisely known. The dissociation energy of Se 2 is 3.55 eV, so that the dissociation process is probably due to collision of Se molecules with either electrons and metastable helium atoms or ions. It is therefore also possible that the molecules dissociate and are in an excited ion state calmly white. Nevertheless, electrons would be the only energy carriers or species that have sufficient energy for this purpose, and the optimal laser output signal would then be at a much lower helium
druck auftreten. Auf Grund der obigen Überlegunge dürfte die Ladungsüberlragungs-Ionisation von Selei einzelatomen die Hauptrolle spielen. Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Aipressure occur. Based on the above considerations The charge transfer ionization of Selei single atoms is likely to play the main role. In a modified embodiment of the Ai
ίοίο
Ordnung nach F i g. 1 wurde eine zwei Meter lange Quarzröhre 11 verwendet, um die 22 neuen Übergänge in einfach ionisiertem Selen zu erzeugen. Die modifizierte Entladungsröhre hatte eine zentral angeordnete Kathode sowie eine Anode an jedem Ende. Breitbandige Reflektoren mit verbessertem Reflektionsgrad im Infraroten wurden verwendet. Es wurde festgestellt, daß die optimalen Stromstärken etwas niedriger waren, wenn die Heliumströmung angehalten und die Röhre abgeschlossen wurde.Order according to fig. 1 a two meter long quartz tube 11 was used to make the 22 new transitions in simply ionized selenium. The modified discharge tube had a centrally located one Cathode as well as an anode at each end. Broadband reflectors with improved reflectance in the infrared were used. It was found that the optimal currents were slightly lower, when the helium flow has stopped and the tube has been closed.
Die in Tabelle II angegebenen Daten wurden in einer derartigen 2 m langen Röhre mit einem Innendurchmesser von 3 mm beobachtet. Bei einer solchen Röhre wurde unter optimalen Entladungsbedingungen und bei Verwendung eines Ausgangsspiegels mit einem mittleren Durchlässigkeitsgrad von 3% eine Gesamtleistung von 250 mW bei 4976,1, 4992,9, 5068,7, 5176,0, 5227,6 und 5305.5 Ä gemessen. Leistungen in der Größenordnung von 50 Milliwatt wurden bei 5068,7, 5176 und 5227,6 A gemessen.The data given in Table II were observed in such a 2 m long tube with an internal diameter of 3 mm. With such a Tube was under optimal discharge conditions and when using an output mirror with a average transmittance of 3% a total power of 250 mW at 4976.1, 4992.9, 5068.7, Measured at 5176.0, 5227.6 and 5305.5 Å. Outputs on the order of 50 milliwatts were at 5068.7, 5176 and 5227.6 A measured.
Die im folgenden wiedergegebene Tabelle II ist in ίο gleicher Weise wie Tabelle I aufgebaut. In Tabelle II sind die gewonnenen 22 neuen Laserübergänge enthalten.Table II reproduced below is structured in the same way as Table I. In Table II The 22 new laser transitions gained are included.
Wellenlängen Table Il
Wavelengths
Wrslürkun
("0 MiMcr)(icmessene
Wrslürkun
("0 MiMcr)
|Λ|(it'incsscnc Well
| Λ |
(Λ)cnliinpc IS-Wcllcnliinuc
(Λ)
->-> 4s4p 4 2 P,
->
25P 2 D 1
2
2 - ► 5 s' 2 D 5
2
25p 4 P 5
2
1- 5s 2 P 3
1
25P 2 P 3
2
-f-f
2 - 5s 2 P 3
2
22
25P 1 P 1
2
2- 5s' 2 D 5
2
2 5P 2 D 3
2
mittelmedium
U<1.0
U
9954.79954.7
2 5P 4 P 5
2
Da nicht beobachtet wurde, daß bevorzugt diejenigen 5p-Niveaus bzw. Zustände angeregt werden, welche energetisch nahe dem He+-Grundzustand liegen, kann angenommen werden, daß Mischkollisionen mit Elektronen oder He-Atomen eine wesentliche Rolle bei der Verteilung der anfänglichen Ladungsübertragungsanregung unter den 5p-Niveaus spielen. Es ist zu erwarten, daß die Querschnitte für diese Kollisionen bzw. Stöße groß sind, da der mittlereSince it has not been observed that preferentially those 5p levels or states are excited which are energetically close to the He + ground state, it can be assumed that mixed collisions with electrons or He atoms play an essential role in the distribution of the initial charge transfer excitation among the Play 5p levels. It is to be expected that the cross-sections for these collisions or impacts are large, since the middle one
Energieabstand zwischen den Niveaus ungefähr kT in der Entladung ist.The energy gap between the levels is approximately kT in the discharge.
Der zuvor beschriebene He-Se-Laser ist in der Lage, einen großen Bereich des nahen infraroten und des sichtbaren Spektrums zu überdecken. Außerdem müßten Leistungen im Bereich von 5 bis 100 mW pro Linie über den größten Teil des Spektrums mit längeren Entladungsröhren und optimierter Ausgangskopplung erzielbar sein.The He-Se laser described above is capable of scanning a wide range of the near infrared and the to cover the visible spectrum. In addition, power would have to be in the range of 5 to 100 mW per Line over most of the spectrum with longer discharge tubes and optimized output coupling be achievable.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
Claims (2)
1. Gasionenlaser für Dauerstrichbetrieb mit einemPatent claims:
1. Gas ion laser for continuous wave operation with a
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US6899170A | 1970-09-02 | 1970-09-02 | |
US6899170 | 1970-09-02 | ||
US15660971A | 1971-06-25 | 1971-06-25 | |
US15660971 | 1971-06-25 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2142868A1 DE2142868A1 (en) | 1972-03-09 |
DE2142868B2 DE2142868B2 (en) | 1976-04-01 |
DE2142868C3 true DE2142868C3 (en) | 1976-11-25 |
Family
ID=
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