DE2144201A1

DE2144201A1 - Ramanlaser

Info

Publication number: DE2144201A1
Application number: DE19712144201
Authority: DE
Inventors: James Thomas Rockville Vanderslice, Md. (V.StA.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-09-25
Filing date: 1971-09-03
Publication date: 1972-03-30
Also published as: JPS4945636B1; FR2107959A1; GB1333808A; US3668420A; DE2144201C3; CA940219A; DE2144201B2; FR2107959B1; SE363547B

Description

Böblingen, den 30. August 1371 pr-sz

Amaelderin. International Business iiacuines

Corporation, Armonk, li.'i, 10504

Amtliches Aktenzeichen; Weuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket WA 969 009

Ramanlaser

Auf vielen Gebieten der Technik, beispielsweise auf dem Gebiete der Entfernungsmessung oder des Lichtradars, werden Laser benötigt, deren Strahlung im Frequenzbereich maximaler Augenunschädlichkeit liegt, der bekanntlich durch die Frequenzen 1,35 jam und 2,2 yum begrenzt wird. ISs hat sich gezeigt, daß bei Wellenlängen unter 1,35 um eine starke Schädigung der Uetzhaut eintritt; da die Strahlung in diesem Frequenzbereich durch die Linse des Auges auf die Netzhaut fokusiert wird, in deren Bereich Energiedichten auftreten, die um sechs Größenordnungen über dem im Bereich der Hornhaut und anderen Gewebeteilen auftretenden Lnergiedichten liegen. Bei über 2,2 um liegenden Wellenlängen tritt eine starke Erwärmung der Hornhaut auf. Untersuchungen haben gezeigt, daß das ilaximum der Augenunempfindlichkeit, d. h. die geringste Empfindlichkeit der Augen gegen Schäden, bei einer Wellenlänge von etwa 1,5 um liegt. Diese Untersuchungen sind beispielsweise in der Literaturstelle "Safer Wavelengths In the rtear-Infrared", Thornton, Laser Focus, Seiten 38 bi.s 39, Juni 1969, wiederge geben. Es ist bisher jedoch nicht gelungen, einen mit gutem Wir kungsgrad arbeitenden Laser herzustellen, dessen Strahlung im Bereich der obengenannten Wellenlänge liegt.

209814/U33

BAD

Dia ÜDiicherweise verwendeten .uaserentfernangsiuesser verwenden weistens Rubinlaser, deren Stranlung im sichtbaren bereich liegt, so daß selbst x-ei Entfernungen von mehreren i\ilometern eine Gefährdung der Augen auftritt, iiei dem Versucn, außernalb des sichtbaren Spektrums liegende Strahlungsquellen zu finden, wurden drei verschiedene Lasersysteme als besonders erfolgsversprecnend untersucht«

Das erste System besteht aus eineia Q-geschalteten Erbium-Glaslaser, dessen Strahlung eine wellenlänge von 1,54 um nat, also im augenunschädlichen v/ellenlangenbereicn liegt. Der wirkungsgrad, ausgedrückt im Verhältnis zwischen der Ausgabeenergie und der elektriscnen Eingabeenergie, ist aber bei diesem Laser senr schlecht, so daß zu ihrem betrieb große Energien erforuerlich sina. Aus diesem Grund ist der Erbium-Glaslaser zum Einsatz im Felde wenig geeignet.

ßeim zweiten System wird eine parametrische Umformung verwendet, wobei eine Strahlung mit einer wellenlänge von 1,06 um in eine Strahlung mit 1,5 um umgewandelt v/ird. ßei diesen Anordnungen wird der von einem Laser erzeugte Strahl durch einen geeigneten, nicht linearen Kristall geleitet. Bei genauer Einhaltung aller zu berücksichtigender Parameter können sehr hohe Wirkungsgrade bei der Umformung erreicht werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Phasena^stimniung zwischen dem Laserstrahl und dem umgeformten Strahl insbesondere wegen der starken Temperaturabhängigkeit der einzelnen Elemente außerordentlich schwierig ist. Insbesondere der hohe Wirkungsgrad hängt in hohem Maße von der Phasenabstimmung ab. Darüber hinaus war es schwierig. Kristalle mit der für die vorliegenden Anforderungen notwendigen. Homogenität zu erzeugen.

Eine dritte Möglichkeit besteht in der Erzeugung eines im Bereich der Augenunempfindlichkeit liegenden Strahls, indem die eine Wellenlänge von 1,06 μαι aufweisende Strahlung eines Q-ge-

^ u 2 ύ ι 4 j !
uocket WA .69 Ου.

_ßAD

21U201

scnalteten Riesenimpulslasers durch ein raman aktives Meüiuin rait einer Frequenzversoniebung von etwa 3Oüü cn geleitet wird. ß.a~ manlaser, wie die ouen. beschriebene Art von Umformern bezeichnet wird, weisen als Wellenlängenumformer einen honen Wirkungsgrad auf. Darüber hinaus liegt die Divergenz in der Uähe der iseugungsgrenze.

Ls ist bisher jedoch nicht gelungen, ein Raruanmeciium zur Aussendung von Strahlung hoher energie mit einer wellenlänge von etwa 1,5 lira anzuregen. Die schlechten Ergebnisse der in dieser Richtung durchgeführten Versuche führten zur Überzeugung, daß der zuletztgenannte weg der am wenigsten geeignete zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist. (Siene beispielsweise die Ausführung in der obengenannten Literaturstelle "Laser Focus" ...)

ϋΐα die Schwierigkeiten bei der Herstellung eines im Wellenlängenbereich von 1,5 um emitierenden Raraanlasers zu verdeutlichen, wira im folgenden auf die Funktion der Bestandteile eines derartigen Systems eingegangen.

L'in Q-geschalteter Rieseniiapulslaser besteht im allgemeinen aus einem stabförmigen Element, das durch Pumpen mit von außen zugeführter Pumpstrahlung angeregt wird. Das Senden des Lasers wird während des Pumpens durcn einen Q-Schalter so lange unterdrückt, bis eine sehr starke besetzunginversion eintritt. Wird aas unterdrückende Clement entfernt oder unwirksam gemacht, so emitiert das System mit sehr hoher Lnergie. Weiterhin ist es schon seit einigen Jaaren bekannt, daß ein sättigbarer Farbstoff mit einem Absorptionsmaximum im bereich der Wellenlänge des Lasers als Q-Schalter verwendet werden kann. Der Q-Schalter verhindert das Senden des Lasers, indem der die angeregte Strahlung so lange absorbiert, bis er in den Sättigungszustand übergeht. Im Sättigungszustand wird der Schalter bzw. der den Schalter bildende Farbstoff durchsichtig und das Senden erfolgt in Form eines einzigen Riesenimpulses. Eine theoretische Analyse des Q-Schalters oder Güte-Schalters mit Hilfe eines sättigbaren absorbierenden

2098U/U33 Docket WA 969 009 BAD

■Mediums wird beispielsweise in der Literaturstelle ''Theory of Laser Giant Pulsing by a Saturable Absorber¹', A. Szabo und R. A. Stein, Journal of Applied Physics, Vol. 36, Wr. 5, Mai 1965, Seiten 1562 bis 1566, beschrieben.

unter einer Ramansabstanz wird eine Substanz verstanden, in der ein Primärstrahl in eine Strahlung mit anderen Frequenzen umgewandelt wird, die in bezug auf die Frequenz des Primärstrahls um die für die Substanz charakteristischen Ramanfrequenzen verschoben sind. Diese verschobenen Frequenzen sind in allge-

mm 1

meinen um 200 bis 4000 pro cm höher oder niedriger als die Frequenz des einfallenden Primärstrahls, Die niedrigeren Frequenzen v/erden mit Stokes linien und die nöheren Frequenzen mit Anti-Stokeslinien bezeichnet. Der größte Anteil der umgewandelten Lnergien tritt in den Stokeslinien auf.

genügender Rückkopplung der durch Frequenzverschieming erzeugten Strahlung wird eine kohärente Strahlung im Bereich dieser Frequenzen aufgebaut. Die hierzu erforderliche Energie wird durch den Primirstraul geliefert. Der Primärstrahl wird im allgemeinen durch einen Rieseniinpulslaser geliefert, da derartige Laser besonders geeignet zur Urzeugung der zur Anregung von Ranianstrahlung erforuerlichen hohen L'nergien sind.

Als besonders vorteilhaft hat sich mit Heodyu verunreinigtes Glas (Ud -Glas) und ein neodymverunreinigter Yttrium-Aluminium-Granat (Wd-YAG) erwiesen, die eine kohärente Strahlung mit einer 'Wellenlänge von 1,06 um erzeugen, wenn sie durch eine geeignete Uuelle gepumpt werden, iiethan (CiI.) und Deuterium (JJ„) sind als Substanzen bekannt, die eine Raman-Frequenzverschiebung von etwa

•-1 +3

3000 cm erzeugen, uei Verwendung von Ud -Glas und D„ kann leicht errechnet werden, daß die stimulierte Raman-Stokes-Strahlung eine Wellenlänge von 1,5 um gemäß der folgenden Beziehung hat:

2 0 9 8 1 U U

Docket WA 96¹J 00J

(1) Y ~ Ύ = Ύ

¹P 'Verschiebung 'Stokes

+ 3 wobei γ die Reziproke der Wellenlänge des durch das Ud -Glas erzeugten Primärstrahls, Ύverschiebung ^{die Frec}2^uen2verschiet^iung des Deuteriums und Y_stokes die Reziproke der wellenlänge der Raman-Stokes-Emission ist. Line Emission wird erwartet, wenn die Energie des PrimärStrahles genügend groß ist und die Schwellwertbedingungen des Resonators überschreitet, in dem sich die Ramansubstanz befindet.

Die Größe der erforderlichen Energie ist eine Funktion mehrerer Parameter. Der Schwellwert wird erreicht, wenn die Verluste innerhalb des Ramanmediums den aus der Energie des Primärstrahls erzielten Gewinn übertreffen. Diese Bedingung wird durch folgende Gleichung wiedergegeben:

(2) VI L = in R₁R₀
P 12

wobei V eine uem spontanen Ramanquerschnitb proportionale Konstante, I die Intensität des Primärstrahlfeldes, L die Länge des die Ramansubstanz enthaltenden Resonators unu ^₁ ¹S dukt der Reflektivitäten der den Resonator bildenden Spiegel ist.

Aus einer aufgrund der Gleichung (2) durchgeführten üerechnung wurde erwartet, daß wit einer derartigen Anordnung eine Stokea--Strahlung mit einer wellenlänge von 1,5 um relativ Laicht zu erreichen sein müßte. Verauctio haben jedoch guzüijt, daß ein verwertbarer Ausgangsstrahl niciit erhalten werden konnte. JeL einem derartigen Versuch wurde ein Stab aus LJd -GLu-n uLü i.LciüenLiipulsLauer, eLn Lm Handel untur der HezeLchnuruj rJaatmun 9710 orhäLtLLchur bLeiLcuburor ab;;ort)Ltirtinüer tcirir.JboCf aLw .ι hciuiLtor und DeuterLum (D₂) ain RamanoüüLlLutor vcrv/ond-^t. ;";ucli daa DuuterLiii.i (D.J durch ilethcin (Cii.) urtiataU .mccuj, luu; uLihj Rci-

· 1
matifrtiqueiiüVurachLebiin'j von 29 lö ein aufwuLüb, koimLu Ki: Ln Ami t/anc/BiitcauL bnobachtot wtittLan, i.i.ii andurun Vurnauh -n .nu\L: -.ιία O-Jchaitor oLno I'ücktiLiizuLLci aiiBteLL:; den cuuJbLoLali^arsui .l

2 098 14/14 33

Docket WA 969 Oüi) *"«»«'

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bierenden Farbstoffes verwendet. Auch in diesem Fall konnte kein meßbarer Ausgangestrahl erzeugt werden.

iNiachdehi die obengenannten Versucne erfolglos geblieben sind, wurde eine Anordnung untersucht, bei der Wasserstoff (H„) anstelle des bisher verwendeten D₅ oder CH. und eine Pockelszelle als Q-Schalter verwendet wurden, wie erwartet, trat eine kraftige Raman-Stokes-Emission auf, die aber nicnt innerhalb das oben besprochenen augenunschädlichen Bereiches lag. Da h-, einen Gewinn hat, der um den Faktor 3 höner als der Gewinn von ü, oder CH₄ ist, wurde angenommen, daß ein Riesenimpulslaser mib einer größeren Lnergie die stimulierte Emission in D„ oder CII, anregen müßte. Bei einer v/eiteren Vergrößerung der vom Riesenimpulslaser erzeugten Energie entstand aber ein optisch induzierter Funkendurchbruch, so daß der grüßte Teil der Energie des Pump-Jjasers durch inverse ßremsstrahlungsvorgänge absorbiert wurue, oiine daß eine stimulierte RamaneJiission aufgetreten wäre.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einan Ramanlaser anzugeben, der bei guteiu wirkungsgrad una einfädler uauweise eine energiereiche kohärente Strahlung mit einer Wellenlänge liefert, die im sogenannten augenunscuädlichen Dereicn liegt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durcn einen Rai.ianlascr gelost, der gekennzeichnet ist durcn einen Riesenimpulslajer mit einem einen sehr schmalen spektralen Durcnlaßbereich und eine sättigbare Absorptionscnarakteristik aufweisendem g-^chaltelement und ein im Strauifiiigaiuj des Liieseniiiipuio lasern angeordnetes, den Rcimanuffekt aufweiseudes

fiLne ueitJouders vorteühafta Au;;führungijfori.i das urfinduncjäjedankens LiJt dadurch yukenn^oLehnet, Jciß der liieatiniii^JuLülciser eLntiii iJd -Cjlasstab ontiuilt.

Jine andfsre, btiiicmu:):J vortLäliluitt;-¹ Au;jt'i'iht*vmfjiJtor:.i Ucjü ürfintj Lri t aatiurcii vjt:i;.:nn_t: ?. Lehnet, dan cku K L es en im-

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pulslaser einen Lid-YAG-Stab enthält.

Uine andere vorteilhafte ausführungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß das den Raraaneffekt auf v/eisende Lleiaent aus !!ethan oder aus Deuterium besteht.

Iiine andere, besonders vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist dadurch gekennzeichnet, daß das ^-SehalteIemet aus einei.i bivalenten Übergangsmetall-Dithien-Komplex nach folgender Formel besteht.

ν-

^R2

wobei R, und R_n CK-,0 und Me ein bivalentes Übergangsmetall ist. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sica aus der Beschreibung und den Ansprüchen. Die Lirfinaung wird anschließend an Land der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die sche:uatische Darstelluny eines Ausführungs

seispiels uer Erfindung zur Erzeugung eines sehr hellen und sehr energiereichen Straiiles mit einer Uellenlänge im bereich von 1,6 uui,

Fig. 2 die scnematische Darstellung eines einfachen

/iusführungsueispiels des erf iiiduii<.j3yemJ.ßen Lasers zur Erzeugung eines im augenunscüädlichen bereich liegenden Strahles,

Fig. 3 der zeitliche Verlauf eines charakteristischen

Kioutiiiiupulses, uer in einer anordnung, b(ü5tc~

+ 3

jiend aiia einem Nd -Glasstab und aus Li- (4-

Jimetnylai.;inodithiobenzil)"]Jickal , alü üüttiy-

2 0 9 8 1 U U 3 3 Docket WA 9Gy

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baren absorbierenden Q-Schalter, erzeugt wurde,

Fig. 4 -der zeitliche Verlauf eines charakteristischen

Ramanimpulses mit einer Wellenlänge von 1,5 um, der bei Verwendung einer aus CH. bestehenden Ramansubstanz entsteht,

Fig. 5 die graphische Darstellung des Verlaufes der

spektralen Helligkeit als Funktion der Wellenlänge eines Riesenimpulses, der bei Verwendung eines Hd -Glasstabes als Lasersubstanz und eines aus Bi-(4-Dimethylaminodithiobenzil)-Nickel bestehenden sättigbaren absorbierbaren Q-Schalters entsteht.

Die in Fig. 1 dargestellt Anordnung besteht aus einem Riesenimpulslaser 1, dessen Ausgang mit einem aus einer ramanaktiven Substanz bestehenden Element 2 optisch gekuppelt ist. Die vom Laser 1 ausgehende Strahlung besteht aus Impulsen sehr hoher Energie mit einer Wellenlänge von 1,06 paa. Diese Strahlung regt das ramanaktive Element 2 zur Aussendung von Impulsen mit einer Wellenlänge von 1,5 yum an, die bekanntlich für das menschliche Auge weitgehend unschädlich ist. Die Wellenlänge des Ramanimpulses unterscheidet sich von der Wellenlänge des zugeführten Riesenimpulses durch die Ramanverschiebung des Elementes 2.

In Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, mit dem über längere Zeiträume und unter wechselnden Bedingungen Impulse mit einer Wellenlänge von 1,5 ^um erzeugt werden können. Die anordnung besteht aus einer vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellten zylinderförmigen Zelle 11, in der eine den Ramaneffekt auf v/eisende Substanz 10 untergebracht ist. Die Stirnwände der Zelle 11 sind mit reflektierenden konkaven Flächen überzogen, die einen Resonator bilden. Die reflektierenden Flächen 12 und 14 bewirken durch ihre konkave Ausbildung, daß die im Hohlraum auftretende Strahlung fokusiert und parallel gerich-

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Docket ν«Λ UOy 009

tet wird. Ein zwei Bereiche der Zelle 10 verbindender Balg 15 ermöglicht eine Längeneinstellung der Zelle.

In den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung steht die in der Zelle 11 befindliche ramanaktive Substanz CH₄ unter einem Druck von 10 bis 20 atü. Es ist selbstverständlich, daß jedes andere Gas, beispielsweise auch D mit

— 1 einer RamanfrequenzverSchiebung von etwa 3000 cm die gleiche Wirkung hat. Die reflektierende Fläche 12 ist dichroitisch, und reflektiert eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,5 um hundertprozentig, während sie eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 ^JiIi durchläßt. Die reflektierende Fläche 14 ist ebenfalls dichroitisch und so ausgebildet, daß sie eine Strahlung mit einer V7ellenlänge von 1,06 ^om hundertprozentig reflektiert und für eine Strahlung von 1,5 ^im teilreflektierend ist. Der die ramaneiapfindliche Substanz enthaltende Resonator ist in bezug auf den optischen Weg des Riesenimpulslasers ausgerichtet.

Die ^/-geschaltete Rieseniiapulsquelle mit einer Strahlung von 1,06 um besteht aus einem Laserstab 20, in dem die 1,06 ^iia-Strahlung entsteht, einer Blitzlampe 21, einem in einer Zelle 22 untergebrachten Q-schaltenden Farbstoff 23 und einem Reflektor 26. Der Laser besteht aus einem Festkörper-Laserstab 20, der von aus Blitzlampen 21 bestehenden Mitteln zum optischen Pumpen umgeben ist. Die Blitzlampen 21 werden durch eine nicht dargestellte Stromquelle gespeist. Der Laserstab 20 kann aus jeder beliebigen Substanz bestehen, die eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 um erzeugt. In dem vorliegenden bevorzugten luisführungsbeispiel

+3 der Erfindung besteht der Laserstab 20 aus Nd -Glas oder Ud-YAG.

Die Blitzlampen 21 sind handelsübliche Xenonlampen. Die beiden Enden des Laserstabes 20 weisen zur Regenerierung der angeregten Strahlung an einem Ende einen überzug 16 und am anderen i,nde einen Reflektor 26 auf, die gemeinsam einen Resonator bilden. Der Reflektor 26 ist für eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 ^am nahezu 100 Prozent reflektierend, während der überzug für dieselbe Strahlung teildurchlässig ist.

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Die den sättigbaren absorbierenden Farbstoff 23 enthaltende Zelle

22 stellt ein Mittel zur optischen Steuerung dar. Der Farbstoff

23 ist ein bivalentes Übergangsmetall des Dithien-Komplexes mit einer rechteckigen ebenen Struktur. Die zu dieser Klasse gehörenden Substanzen, die eine sättigbare Absorptionscharakteristik bei einer Wellenlänge von 1,06 ^um aufweisen, haben die folgende Formelι

wobei R ein Wasserstoffatom und R₂ entweder ein Wasserstoffatom oder (CH-J₂N sein kann. R und R₂ können auch CH_0 bedeuten. Me ist ein Metall, vorzugsweise Nickel oder Platin. Im vorliegenden, bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Farbstoff 23 aus in 1,2 Dichloroäthan gelösten 3i- (4-Diiaethylaminodithiobenzil) Nickel. Das Absorptionsraaximura dieser Substanzen liegt sehr nahe bei 1,06 um, d. h. der Wellenlänge, die vom Laserstab 20 emitiert wird.

Bei de-i in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Laserstab 20 durch die Blitzlampen 21 zum Senden mit einer Wellenlänge von 1,06 ^im angeregt. Das Senden wird jedoch durch die hohe Absorption des Farbstoffes 23 im Bereich der Wellenlänge von 1,06 ^uia so lange unterdrückt, bis genügend Licht vom Laserstab 20 auf den Farbstoff eingefallen ist. Die vor diesem Zeitpunkt bestehende Undurchlässigkeit verschlechtert das Q des durch die Reflektoren 16 und 26 gebildeten Resonators. Durch längere Erregung des Laserstabes 20 wird genügend Energie erzeugt, um den Farbstoff 23 durch Erregung seiner Moleküle durchsichtig zu machen. ■ ■

Durch das Durchsichtigwerden des Farbstoffes wird die Güte Q de?

BAD

Docket WA 969 009

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Resonators verbessert, so daß mehr Laserlicht gesendet wird. Durch diesen regenerativen Prozeß wird der Farbstoff vollständig durchlässig und es entsteht in einem sehr kurzen Zeitabschnitt ein Riesenimpuls sehr schmaler Bandbreite mit einer Wellenlänge von 1,06 um. Dieser energiereiche Impuls tritt durch den dichroitischen Reflektor 12, der, wie oben angegeben, für eine Strahlung im Wellenlängenbereich von 1,06 um durchlässig ist. Der Impuls wird in einem Punkt innerhalb der den Ramaneffekt aufweisenden Substanz fokusiert und induziert in dieser Substanz einen Gewinn im Bereich der Stokesfrequenz γ_ρ - Y_VerSchiebung' ^{die in} diesem Fall bei 1,5 um liegt. Die durch den Riesenimpuls angeregte Stokesstrahlung wächst in ihrer Amplitude, wobei die Verluste innerhalb des durch die Reflektoren 12 und 14 gebildeten Resonators überwunden werden. Die im Wellenlängenbereich von 1,5 um liegende Strahlung pflanzt sich entweder in Richtung auf den Reflektor 12 oder in Richtung auf den Reflektor 14 fort, wo sie in die den Ramaneffekt aufweisende Substanz 10 zurückreflektiert wird, wobei die Amplitude weiter anwächst. Der Gewinn oder die Verstärkung der Energie der Stokeswelle bei den wiederholten Durchgängen durch die den Ramaneffekt aufweisende Substanz koiapensiert die Verluste, so daß eine stetige Welle aufgebaut wird. Bei jedem Auftreffen der Welle auf den Reflektor 14 durchsetzt ein Teil dieser Welle den Reflektor. Dieser Teil wird wegen der wiederholten Reflektionen ständig verstärkt und bildet die austretende Stokesstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,5 um. Die Strahlungsanteile des Riesenimpulses, die nicht in Ramanstrahlung umgesetzt werden, werden nach dem Durchgang durch die Ramanzelle 11 durch die Reflektion am Reflektor 14 innerhalb dieser Zelle erneut fokusiert.

Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die den Ramaneffekt aufweisende Substanz nicht in der Zelle 11 innerhalb des durch die Reflektoren 12 und 14 gebildeten Resonators angeordnet sein muß. Es ist aucii möglich, das ganze System innerhalb einer aus dem den Ramaneffekt aufweisenden Gas bestehenden Wolke unterzubringen, jjine derartiye ausbildungsforr.i ist für den Mnsatz

Do<*et ν* «₉ «« 2098 H/1433

BAD ORIGINAL

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im Felde besonders vorteilhaft. Selbstverständlich können die Reflektoren 12 und 14 als ebene Reflektoren ausgebildet v/erden, wenn innerhalb des Resonators zusätzliche fokusierende Linsen vorges ehen s ind.

In einer bevorzugten Ausfüiirungsform des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels besteht der Glasstab 20 aus Nd -Glas und die den Ramaneffekt aufweisende Substanz IO aus CH„-Gas. Der

4 __ß

sättigbare absorbierende Farbstoff 23 besteht aus einer 10 molaren Lösung von Bi-(4-Dimethylaininodxthiobenzil)-iiickel, das in 1,2 Dichloroäthan gelöst ist.

In Fig. 3 wird der zeitliche Verlauf eines charakteristischen Riesenimpulses der dargestellten Anordnung wiedergegeben. Die Impulsbreite beträgt 10 Nanosekunden_r geinessen von Kalbwert zu Halbwert des Maximums. Die gesamte Energie des Impulses beträgt etwa 1,72 Joule und ergibt einen gemessenen Leistungsausgang von 85 friW. Die von den Blitzlampen 21 gelieferte Hingangsleistung beträgt 12 i-IW, wobei eine in üblicher vieise ausgebildete Stromversorgung von 3OO Joule erforderlich ist.

Fig. 5 stellt den Verlauf der spektralen Helligkeit als Funktion der Wellenlänge des Riesenimpulses dar. i.s wird darauf hingewie- , sen, daß die Kurve bei l,O64l im ein scharfes Maximum aufweist. Ohne den benützten Farbstoff ist die spektrale Breite des das Hd -Glas verlassenden Strahlung wesentlich größer und wäre nicht in der Lage, in Cn. eine Raman-Emission anzuregen, obwohl der Leistungsausgang von Qb iIW wesentlich über den theoretisch berechneten Schwellwert von 50 MK zur Erzeugung von Raman-Emission in CH. liegt.

In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf eines charakteristischen kamaniiupulses wiedergegeben, der in der den Ramaneffekt aufweisenden Substanz IO durch einen Q-geschalteten Impuls erzeugt wird. Die Impulsbreite beträgt etwa IO wanosekunuen und hat bei einer "ellenlän_,e von l,i>4 um eine Hner^ie von 10(J ilillijoule.

2098U/U33 BAD

rocket nil

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Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einordnung aus einem lld-YAG-Laserstab 20. Die den Ramaneffekt aufweisende Substanz 10 besteht aus CH.-Gas und der Farbstoff 23 aus Bi-(4~Dimethylaminodithiobenzil)-wickel. Eine Emission hoher Energie mit einer Wellenlänge von 1,54 tun wird durch diese Anordnung erzeugt. Die durcri die Blitzlarapen 21 zu erzeugende Eingabeenergie zur Erzeugung eines Riesenimpulses mit der Wellenlänge von 1,06 um beträgt 50 Joule.

Zur Herabsetzung des Schwellwertes und zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, die Ramanzelle in einem konzentrischen Resonator anzuordnen, der dynamisch mit dem Resonator des Laserstabs gekoppelt ist. Eine quantitative Beschreibung einer derartigen Anordnung kann nur empirisch erfolgen. Ein ideales Ausführungabeispiel wird durch einen konzentrischen Raiuanresonator angenähert, wobei der Laser-Pumpimpuls eine üvanderwelle ist, die im Bereich der Mode iait dem kleinsten Durchmesser des Resonators fokusiert wird. Die Lösung zeigt an, daß der kleinste Schwellwert für einen Resonator rait einer ilode kleinsten Querschnittes erreicht wird, woraus hervorgeht, daß die Laser-Pumpenergie auf dem kleinstmöglichen Durchmesser fokusiert werden muß. Eine Begrenzung des Durchmessers des Pump-Lasers wird durch das Auftreten von laserinduzierten·Funkendurchbrüchen bei hohen Intensitäten im Bereich des iörennpunktes des Laserresonators definiert. Es hat sich geaeigt, daß für die in Frage koiamenden Pumphelligkeiten und CH. Funkendurchbrüche in einem konzentrischen Resonator von 5 cm nicht auftreten. Demzufolge wird eine Resonatorlänge von 5 cm als optimal betrachtet.

Die Abklingaeit des Resonators sollte mindestens mit der Impulsdauer des Q-geachalteten PuTtpiuipulses veryleicnbar sein, d. h. in der Größenordnung von 10 Uanosekunden liegen, damit das Stokes-Sign&l als stehende Welle anwachsen kann, üie i' lebensdauer eine3 Resonators wird durch die Formel getj

P c(l-R)

BAD ORtGINAL

2 0 9 0 1 4 / H 3 3

Wxv 'ju') "Ο')

2U4201

wobei t die Lebensdauer eines Photons innerhalb des Resonators,

L die Resonatorlänge, c die Lichtgeschwindigkeit und R die Quadratwurzel des Produktes der Keflektivitäten bei einer Wellenlänge von 1,54 rro ist. Die gewünschte Abklingzeit von 10 i.\;anosekunden bei einer Länge von 5 era ergibt eine Reflektivität von 98,4 %.

Bei Vorliegen anderer Randbedingungen ist es selbstverständlich auch möglich, im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Länge der Ramanzelle, die Brennweite der fokusierenden Elemente und die Reflektivität des Resonators wesentlich zu ändern. Ubenso ist es möglich, dem Farbstoff für das y-Schaltelement in anderen Substanzen als üichloroäthan zu lösen.

BAD

2U98H/U33

Claims

21U201

P A ΐ E H TAi-SSPRUCHE

(l.J Ramanlaser, gekennzeichnet durch einen Riesenirapulslaser mit einem einen sehr schmalen spektralen Durchlaßbereich und eine sättigbare Absorptionscharakteristik aufweisenden Q-S ehalte lenient und ein im Strahlengang des Riesenimpuls-lasers angeordnetes, den Ramaneffekt aufweisendes Element.
2. Ramanlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rieseniiapuls laser einen Ud -Glasstab enthält.
3. Raitianlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Riesenimpulslaser einen ftd-YAG-Stab enthält.
4. Ramanlaser nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den Ramaneffekt aufweisende Element aus Methan besteht.
5. Ramanlaser nacn den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurcu gekennzeichnet, daß das den Ramaneffekt aufweisende Element aus Deuterium besteht.
6. Ramanlaser nacxi einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Q-Schalteleiuent aus einera bivalenten übergangsiaetall-Dithieri-xvoraplex nach folgender Formel bestenti

v/obei Ii₁ und R„ ^^τ^ ^unc^ ^iie ^e*-ⁿ bivalentes übergangsinetall ist.

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Docket WA 9 ^ ooy ^BAD ORIGINAL

21U201
7. Raraanlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsmetall aus Nickel oder Platin-besteht.
8. Ramanlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Q-Schaltelement aus einem bivalenten Übergangsmetall-Dithien-Koinplex nach folgender Formel besteht;

wobei R ein Wasserstoffatom, R_ ein Substituend aus der Gruppe, bestehend aus einem Wasserstoffatom und und Me ein bivalentes übergangsraetall ist.
9. Raraanlaser nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dithien-Komplex aus Bi-(4-Dimethylamino dithiobenzil)--Nickel besteht.
10. Ramanlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,5 Jim, gekennzeichnet durch eine Quelle (20) für Laserstrahlung von einer Wellenlänge von 1,06 um, die in einem ersten Resonator angeordnet ist, dessen eine Seite für den zu emitierenden Riesenimpuls halbdurchlässig ist, einen Q-Schalter, (22), bestehend aus einer Lösung von Bi-(4-Dimethylaminodithiobenzil)-Nickel zum Schalten der Laserstrahlung, Mittel (21) zum Pumpen des 1,06 um Lasers, einen konzentrischen Resonator, der aus einem Paar auf den optischen Weg des ersten Resonators ausgerichteten Reflektoren (12, 14) besteht, wobei die Länge des konzentrischen Resonators kleiner als etwa 5 cm ist, und die Quadratwurzel des Produktes der Reflekti-

üocket VvA 9G9 009

2098U/U33

_BAD

2H42-01

vitäten der konkaven Reflektoren bei einer wellenlänge von 1,5 im durch die Beziehung

t =

c(l-R)

definiert wird, wobei t die Photonenlebensdauer innerhalb des konzentrischen Resonators, L die Länge des konzentrischen Resonators und c die Lichtgeschwindigkeit ist, und
durch ein den Ramaneffekt aufweisendes Medium (10), bestehend aus ilethangas, das innerhalb des konzentrischen Resonators angeordnet ist, wobei das Methan zur Emission von
Strahlungsimpulsen mit einer Wellenlänge von 1,54 um durch Eiesenimpulse angeregt wird.

BAD ORSGiNAL

' 2098H/U33

Docket WA 969 Ü09

L e e r s e i t e