DE2144201B2

DE2144201B2 - Ram anlaser

Info

Publication number: DE2144201B2
Application number: DE2144201A
Authority: DE
Inventors: James Thomas Rockville Vanderslice, Md. (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-09-25
Filing date: 1971-09-03
Publication date: 1979-08-09
Also published as: DE2144201C3; SE363547B; DE2144201A1; CA940219A; FR2107959A1; GB1333808A; JPS4945636B1; FR2107959B1; US3668420A

Description

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wobei Ri und Ri CH3O und Me ein bivalentes Übergangsmetall ist.

7. Ramanlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Obergangsmetall aus Nickel oder Platin besteht.

8. Ramanlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der das Güteschaltelement bildende Übergangsmetall-Dithian-Komplex nach folgender Formel aufgebaut ist

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O V R₂

wobei Ri ein Wasserstoffatom, R₂ ein Substituent aus der Gruppe, bestehend aus einem Wasserstoffatom und (CH3J2N und Me ein bivalentes Übergangsmetall ist.

9. Ramanlaser nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dithian-Komplex aus Bi-(4-Dimethylaminodithiobenzil)-Nickel besteht.

10. Ramanlaser nach den Ansprüchen 4 und 9, dadurch gekennzeichnet daß der erste Resonator als konzentrischer Resonator susgebildet ist 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 Reflektivitäten der konkaven Reflektoren bei einer Wellenlänge von 13 um durch die Beziehung

definiert wird, wobei t_p die Photonenlebensdauer innerhalb des konzentrischen Resonators, L die Länge des konzentrischen Resonators und c die Lichtgeschwindigkeit ist und daß das ramanaktive Medium (10) innerhalb des konzentrischen Resonators angeordnet ist

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 μπι und 2,2 μπι begrenzt wird. Es hat sich gezeigt daß bei Wellenlängen unter 1,3 μπι eine starke Schädigung der Netzhaut eintritt, da die Strahlung in diesem Frequenzbereich durch die Linse des Auges auf die Netzhaut fokussiert wird, in deren Bereich Energiedichten auftreten, die um sechs Größenordnungen über den im Bereich der Hornhaut und anderen Gewebeteilen auftretenden Energiedichten liegen. Bei über 2,2 μιη liegenden Wellenlängen tritt eine starke Erwärmung der Hornhaut auf. Untersuchungen haben gezeigt, daß das Maximum der Augenunempfindlichkeit, d. h. die geringste Empfindlichkeit des Auges gegen Schäden, bei einer Wellenlänge von etwa 1,5 μιη liegt. Diese Untersuchungen sind beispielsweise in der Literaturstelle Laser Focus, Juni 1969, S. 38, 39 wiedergegeben. In dieser Literaturstelle wird auch die Verwendung der Ramanstreuung zur Erzeugung einer im augenunschädlichen Bereich liegenden Strahlung diskutiert, wobei ein im Wellenlängenbereich von 1,06 μιη emittierender Neodym-Laser ein ramanaktives Medium anregt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die im Bereich von 1,06 μιη emittierenden Neodym-Laser für die Anregung von Ramanstrahlung wenig geeignet sein dürften, da diese durch kürzere, im sichtbaren Bereich liegende Strahlung besser angeregt wird.

In der Literaturstelle Applied Physics Letters, Bd. 3 (1963), Nr. 10, S. 181 bis 184, wird die Anregung von Ramanstrahlung in H2, D2 und CH4 mit Hilfe von Rubinlasern diskutiert. In der Literaturstelle Brit. J. Appl. Phys., Bd. 18 (1967), H. 12, S. 1739 bis 1742, wird die Anregung von Ramanstrahlung in H₂ mit Hilfe von Infrarotlasern, also Nd³⁺ oder Dy²⁺ Ionen enthaltenden Lasern diskutiert. Dabei wurde eine durch Verwendung eines eine Modenselektion bewirkenden Resonanzreflektors bedingte relativ schmale spektrale Linienbreite sichergestellt. Die Frequenz der dabei erzeugten Ramanstrahlung lag bei 8,8 μιη, also weit außerhalb des Frequenzbereiches, der für das menschliche Auge unschädlich ist.

In der Literaturstelle Applied Optics, Bd. 5 (1966), Nr. 9, S. 1463 bis 1465, wird die Verwendung von sättigbaren Gateschaltern bei Neodym-Lasern besprochen, ihre Verwendbarkeit zur Anregung von Rarqanstrahlung wurde jedoch nicht erkannt.

Mit keinem der oben beschriebenen Verfahren ist es jedoch möglich, einen mit gutem Wirkungsgrad arbeitenden Laser herzustellen, dessen Strahlung im Bereich der obengenannten Wellenlängen liegt

Die üblicherweise verwendeten Laserentfernungsmesser verwenden meistens Rubinlaser, deren Strahlung im sichtbaren Bereich Hegt, so daß selbst bei Entfernungen von mehreren Kilometern eine Gefährdung der Augen auftritt Bei dem Versuch, außerhalb des sichtbaren Spektrums liegende Strahlungsquellen zu finden, wurden, entsprechend dem durch die obengenannten Literaturstellen beispielsweise charakterisierten Stände der Technik, drei verschiedene Lasersysteme als besonders erfolgversprechend untersucht

Das erste System besteht aus einem (^-geschalteten Erbium-Glaslaser, dessen Strahlung eine Wellenlänge von 1,54 μπι hat, also im augenunschädlichen Wellenlängenbereich liegt Der Wirkungsgrad, ausgedrückt im Verhältnis zwischen der Ausgabeenergie und der elektrischen Eingabeenergie, ist aber bei diesem Laser sehr schlecht, so daß zu ihrem Betrieb große Energien erforderlich sind. Aus diesem Grund ist der Erbium-Glaslaser zum Einsatz im Felde wenig geeignet.

Beim zweiten System wird eine parametrische Umformung verwendet, wobei eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 μπι in eine Strahlung mit 1,5 μπι umgewandelt wird. Bei diesen Anordnungen wird der von einem Laser erzeugte Strahl durch einen geeigneten, nichtlinearen 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 Phasenabstimmung 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 vcn 1,06 μπι aufweisende Strahlung eines O-geschalteten Riesenimpulslasers durch ein ramanaktives Medium mit einer Frequenzverschiebung von etwa 3000cm-' geleitet wird. Ramanlaser, wie die oben beschriebene Art von Umformern bezeichnet wird, weisen als Wellenlängsumformer einen hohen Wirkungsgrad auf. Darüber hinaus liegt die Divergenz in der Nähe der Beugungsgrenze.

Es ist bisher jedoch nicht gelungen, ein Ramanmedium zur Aussendung von Strahlung hoher Energie mit einer Wellenlänge von etwa 1,5 μπι 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. (Siehe beispielsweise die Ausführung in der obengenannten Literaturstelle »Laser Focus«...)

Um die Schwierigkeiten bei der Herstellung eines im Wellenlängenbereich von 1,5 μπι emittierenden Ramanlasers zu verdeutlichen, wird im folgenden auf die Funktion der Bestandteile eines derartigem Systems eingegangea

Ein (^-geschalteter Riesenimpulslaser 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 durch einen <?-Schalter so lange unterdrückt bis eine sehr starke Besetzunginversion eintritt Wird das unterdrückende Element entfernt oder unwirksam

ίο gemacht so emittiert das System mit sehr hoher Energie. Weiterhin ist es schon seit einigen Jahren bekannt daß ein sättigbarer Farbstoff mit einem Absorptionsmaximum im Bereich der Wellenlänge des Lasers als Q-Schslter verwendet werden kann. Der Q-Schalter verhindert das Senden des Lasers, indem er 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 (^-Schalters oder Güte-Schalters mit Hilfe eines sättigbaren absorbierenden Mediums wird beispielsweise in der Literaturstelle »Theory of Laser Giant Pulsing by a Saturable Absorber«, A. Szabo und R. A. Stein, Journal of Applied Physics, Vol. 36, Nr. 5, Mai 1965, Seiten 1562 bis 1566, beschrieben.

Unter einer Ramansubstanz wird eine Substanz verstanden, in der ein Primärstrahl in eine Strahlung mit anderen Frequenzen umgewandelt wird, die in bezug

jo auf die Frequenz des Primärstrahls um die für die Substanz charakteristischen Ramanfrequenzen verschoben sind. Diese verschobenen Frequenzen sind im allgemeinen um 200 bis 4000 pro cm-' höher oder niedriger als die Frequenz des einfallenden Primär-Strahls. Die niedrigeren Frequenzen werden mit Stokeslinien und die höheren Frequenzen mit Anti-Stokeslinien bezeichnet Der größte Anteil der umgewandelten Energien tritt in den Stokeslinien auf.

Bei genügender Rückkopplung der durch Frequenzverschiebung erzeugten Strahlung wird eine kohärente Strahlung im Bereich dieser Frequenzen aufgebaut. Die hierzu erforderliche Energie wird durch den Primärstrahl geliefert. Der Primärstrahl wird im allgemeinen durch einen Riesenimpulslaser geliefert, da derartige Laser besonders geeignet zur Erzeugung der zur Anregung von Ramanstrahlung erforderlichen hohen Energien sind.

Als besonders vorteilhaft haben sich mit Neodym verunreinigtes Glas (Nd⁺³-Glas) und ein neodymverunreinigter Yttrium-Aluminium-Granat (Nd-YAG) erwiesen, die eine kohärente Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 μπι erzeugen, wenn sie durch eine geeignete Quelle gepumpt werden. Methan (CH4) und Deuterium (D₂) sind als Substanzen bekannt, die eine Raman-Frequenzverschiebung von etwa 3000 cm-' erzeugen. Bei Verwendung von Nd⁺³-Glas und D2 kann leicht errechnet werden, daß die stimulierte Raman-Stokes-Strahlung eine Wellenlänge von 1,5 μπι gemäß der folgenden Beziehung hat:

- r

'Verschiebung 'stokes '

wobei γ_ρ die Reziproke der Wellenänge des durch das Nd -^-Glas erzeugten Primärstrahls, !»verschiebung die Frequenzverschiebung des Deuteriums und ystokes die Reziproke der Wellenlänge der Raman-Stokes-Emission ist. Eine Emission wird erwartet, wenn die Energie des Primärstrahles genügend groß ist und die Schwel-

lenwertbedingungen des Resonators überschreitet, in dem sich die Ramansubstanz befindet.

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

VI _pL = InK₁R₂,

(2)

!0

wobei V eine dem spontanen Ramanquerschnitt proportionale Konstante, l_p die Intensität des Primärstrahlfeldes, L die Länge des die Ramansubstanz enthaltenden Resonators und /?i/?2 das Produkt der Refiektivitäten der den Resonator bildenden Spiegel ist.

Aus einer aufgrund der Gleichung (2) durchgeführten Berechnung wurde erwartet, daß mit einer derartigen Anordnung eine Stokes-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,5 μΐη relativ leicht zu erreichen sein müßte. Versuche haben jedoch gezeigt, daß ein verwertbarer Ausgangsstrahl nicht erhalten werden konnte. Bei einem derartigen Versuch wurde ein Stab aus Nd⁺³-Glas als Riesenimpulslaser, ein im Handel unter der Bezeichnung Eastman 9740 erhältlicher bleichbarer absorbierender Farbstoff als Q-Schalter und Deuterium (D2) als Ramanoszillator verwendet. Auch nachdem das Deuterium (D₂) durch Methan (CH₄) ersetzt wurde, das eine Ramanfrequenzverschiebung von 2916 cm-' aufweist, konnte kein Ausgangsstrahl beobachtet werden. Bei anderen Versuchen wurde als Q-Schalter eine Pockelszelle anstelle des ausbleichbaren absorbierenden Farbstoffes verwendet. Auch in diesem Fall konnte kein meßbarer Ausgangsstrahl erzeugt werden.

Nachdem die obengenannten Versuche erfolglos geblieben sind, wurde eine Anordnung untersucht, bei der Wasserstoff (H₂) anstelle des bisher verwendeten D2 oder CH₄ und eine Pockelszelle als Q-Schalter verwendet wurden. Wie erwartet, trat eine kräftige Raman-Stokes-Emission auf, die aber nicht innerhalb des oben besprochenen augenunschädlichen Bereiches lag. Da H2 einen Gewinn hat der um den Faktor 3 höher als der Gewinn von D2 oder CH4 ist, wurde angenommen, daß ein Riesenimpulslaser mit einer größeren Energie die stimulierte Emission in D₂ oder CH₄ anregen müßte. Bei einer weiteren Vergrößerung der vom Riesenimpulslaser erzeugten Energie entstand aber ein optisch induzierter Funkendurchbruch, so daß der größte Teil der Energie des Pump-Lasers durch inverse Bremsstrahlungsvorgänge absorbiert wurde, ohne daß eine stimulierte Ramanemission aufgetreten wäre.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen Ramanlaser anzugeben, der bei gutem Wirkungsgrad und einfacher Bauweise eine energiereiche kohärente Strahlung mit einer Wellenlänge liefert, die im sogenannten augenunschädlichen Bereich liegt

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches beschriebene Erfindung gelöst

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anschließend anhand der Figuren erläutert Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Erzeugung eines sehr hellen und sehr energiereichen Strahles mit einer Wellenlänge im Bereich von 1,5 μιη,

F i g. 2 die schematische Darstellung eines einfachen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lasers zur Erzeugung eines im augenunschädlichen Bereich liegenden Strahles,

F i g. 3 der zeitliche Verlauf eines charakteristischen Riesenimpulses, der in einer Anordnung, bestehend aus einem Nd⁺³-Glasstab und aus Bi-(4-Dimethylaminodithiobenzil)-Nickel, als sättigbaren absorbierenden Q-Schalter, erzeugt wurde,

F i g. 4 der zeitliche Verlauf eines charakteristischen Ramanimpulses mit einer Wellenlänge von 1,5 μΐη, der bei Verwendung einer aus CH₄ bestehenden Ramansubstanz entsteht,

F i g. 5 die graphische Darstellung des Verlaufes der spektralen Helligkeit als Funktion der Wellenlänge eines Riesenimpulses, der bei Verwendung eines Nd⁺³-Glasstabes als Lasersubstanz und eines aus Bi-(4- Dimethylaminodithiobenzil)-Nickel bestehenden sättigbaren absorbierbaren Q-Schalters entsteht.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einem Riesenimpulslaser 1, dessen Ausgang mit einem aus einer ramanaktiven Substanz bestehenden Element 2 optisch gekoppelt ist. Die vom Laser 1 ausgehende Strahlung besteht aus Impulsen sehr hoher Energie mit einer Wellenlänge von 1,06 μίτι. Diese Strahlung regt das ramanaktive Element 2 zur Aussendung von Impulsen mit einer Wellenlänge von 1,5 μιη 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 F i g. 2 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, mit dem über längere Zeiträume und unter wechselnden Bedingungen Impulse mit einer Wellenlänge von 1,5 μηι erzeugt werden können. Die Anordnung besteht aus einer vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellten zylinderförmigen Zelle 11, in der eine den Ramaneffekt aufweisende Substanz 10 untergebracht ist. Die Stirnwände der Zelle 11 sind mit reflektierenden konkaven Flächen versehen, die einen Resonator bilden. Die reflektierenden Flächen 12 und 14 bewirken durch ihre konkave Ausbildung, daß die im Hohlraum auftretende Strahlung fokussiert und parallel gerichtet 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 bar (10 bis 20atü). Es ist selbstverständlich, daß jedes andere Gas, beispielsweise auch D₂ mit 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 μηι hundertprozentig, während sie eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 μιη durchläßt Die reflektierende Fläche 14 ist ebenfalls dichroitisch und so ausgebildet daß sie eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 μιη hundertprozentig reflektiert und für eine Strahlung von 1,5 μιη teilreflektierend ist Der die ramanempfindliche Substanz enthaltende Resonator ist in bezug auf den optischen Weg des Riesenimpulslasers ausgerichtet

Die Q-geschaltete Riesenimpulsquelle mit einer Strahlung von 1,06 μιη besteht aus einem Laserstab 20, in dem die l,06^m-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 μηι erzeugt. In dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der Laserstab 20 aus Nd⁺³-Glas oder Nd-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 Ende einen Reflektor 26 auf, die gemeinsam einen Resonator bilden. Der Reflektor 26 ist für eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 μπι nahezu 100 Prozent reflektierend, während der Überzug 16 für dieselbe Strahlung teildurchlässig ist.

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 μηι aufweisen, haben die folgende Formel:

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wobei Ri ein Wasserstoffatom und R₂ entweder ein Wasserstoffatom oder (CH₃J₂N sein kann. R_t und R₂ können auch CH3O bedeuten. Me ist ein Metall, vorzugsweise Nickel oder Platin. Im vorliegenden, bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Farbstoff 23 aus in 1,2 Dichloräthan gelösten Bi-(4-DimethyIaminodithiobenzil)-Nickel. Das Absorptionsmaximum dieser Substanzen liegt sehr nahe bei 1,06 μπι, d. h. der Wellenlänge, die vom Laserstab 20 emittiert wird.

Bei dem in F i g. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Laserstab 20 durch die Blitzlampen 21 zum Senden mit einer Wellenlänge von 1,06 μπι angeregt. Das Senden wird jedoch durch die hohe Absorption des Farbstoffes 23 im Bereich der Wellenlänge von 1,06 μπι 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 des 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 μπι. 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 fokussiert und induziert in dieser Substanz einen Gewinn im Bereich der Stokesfrequenz tp—^verschiebung, die in diesem Fall bei 1,5 μπι hegt 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 μιτι 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 kompensiert die Verluste, so daß eine stetige Welle aufgebaut wird. Bei jedem Auftreffen der Weile auf den Reflektor 14 durchsetzt ein Teil dieser Welle den Reflektor. Dieser Teil wird wegen der wiederholten Reflexionen ständig verstärkt und bildet die austretende Stokesstrahlung.mit einer Weileniänge von 1,5 μιτι. Die Strahlungsanteiie des Riesenimpulses, die nicht in Ramanstrahlung umgesetzt werden, werden nach dem Durchgang durch die Ramanzelle 11 durch die Reflexion am Reflektor 14 innerhalb dieser Zelle erneut fokussiert.

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 auch möglich, das ganze System innerhalb einer aus dem den Ramaneffekt aufweisenden Gas bestehenden Wolke unterzubringen. Eine derartige Ausbildungsform ist für den Einsatz im Felde besonders vorteilhaft. Selbstverständlich können die Reflektoren 12 und 14 als ebene Reflektoren ausgebildet werden, wenn innerhalb des Resonators zusätzliche fokussierende Linsen vorgesehen sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform des in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels besteht der Glasstab 20 aus Nd⁺³-Glas und die den Ramaneffekt aufweisende Substanz 10 aus CH.t-Gas. Der sättigbare absorbierende Farbstoff 23 besteht aus einer 10~⁶ molaren Lösung von Bi-^-DimethylaminodithiobenzilJ-Nickel, das in 1,2 Dichloroäthan gelöst ist.

In F i g. 3 wird der zeitliche Verlauf eines charakteristischen Riesenimpulses der dargestellten Anordnung wiedergegeben. Die Impulsbreite beträgt 10 Nanosekunden, gemessen von Halbwert zu Halbwert des Maximums. Die gesamte Energie des Impulses beträgt etwa 1,72 Joule und ergibt einen gemessenen Leistungsausgang von 85 MW. Die von den Blitzlampen 21 gelieferte Eingangsleistung beträgt 12 MW, wobei eine in üblicher Weise ausgebildete Stromversorgung von 300 Joule erforderlich ist

F i g. 5 stellt den Verlauf der spektralen Helligkeit als Funktion der Wellenlänge des Riesenimpulses dar. Es wird darauf hingewiesen, daß die Kurve bei 1,0641 μπι ein scharfes Maximum aufweist Ohne den benutzten Farbstoff ist die spektrale Breite der das Nd⁺³-Glas verlassenden Strahlung wesentlich größer und wäre nicht in der Lage, in CH4 eine Raman-Emission anzuregen, obwohl der Leiistungsausgang von 85 MW wesentlich über den theoretisch berechneten Schwellenwert von 50 MW zur Erzeugung von Raman-Emission in CH4 liegt

In Fi g. 4 ist der zeitliche Verlauf eines charakteristischen Ramanimpulses wiedergegeben, der in der den Ramaneffekt aufweisenden: Substanz 10 durch einen Q-geschalteten Impuls erzeugt wird. Die Impulsbreite beträgt etwa 10 Nanosekunden und hat bei einer Wellenlänge von 1,54 um eine Energie von 100 Millijoule.

Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht die in

F i g. 1 schematisch dargestellte Anordnung aus einem Nd-YAG-Laserstab 20. Die den Ramaneffekt aufweisende Substanz 10 besteht aus CFU-Gas und der Farbstoff 23 aus Bi-(4-Dimethylaminodithiobenzil)-Nikkel. Eine Emission hoher Energie mit einer Wellenlänge von 1,54 μιη wird durch diese Anordnung erzeugt. Die durch die Blitzlampen 21 zu erzeugende Eingabeenergie zur Erzeugung eines Riesenimpulses mit der Wellenlänge von 1,06 μιη 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 Ausführungsbeispiel wird durch einen konzentrischen Ramanresonator angenähert, wobei der Laser-Pumpimpuls eine Wanderwelle ist, die im Bereich der Mode mit dem kleinsten Durchmesser des Resonators fokussiert wird. Die Lösung zeigt an, daß der kleinste Schwellwert für einen Resonator mit einer Mode kleinsten Querschnittes erreicht wird, woraus hervorgeht, daß die Laser-Pumpenergie auf dem kleinstmöglichen Durchmesser fokussiert werden muß. Eine Begrenzung des Durchmessers des Pump-Lasers wird durch das Auftreten von laserinduzierten Funkendurchbrüchen bei hohen Intensitäten im Bereich des Brennpunktes des Laserresonators definiert. Es hat sich gezeigt, daß für die in Frage kommenden Pumphelligkeiten und CH4 Funkendurchbrüche in einem konzentrischen Resonator von 5 cm nicht auftreten. Demzufolge wird eine Resonatorlänge von 5 cm als optimal betrachtet.

Die Abklingzeit des Resonators sollte mindestens mit der Impulsdauer des (^-geschalteten Pumpimpulses vergleichbar sein, d.h. in der Größenordnung von 10 Nanosekunden liegen, damit das Raman-Stokes-Signal als stehende Welle anwachsen kann. Die Photonenlebensdauer eines Resonators wird durch die Formel gegeben

^lp c(l-R)

wobei Ip die Lebensdauer eines Photons innerhalb des Resonators, L die Resonatorlänge, c die Lichtgeschwindigkeit und R die Quadratwurzel des Produktes der Reflektivitäten bei einer Wellenlänge von 1,54 μπι ist. Die gewünschte Abklingzeit von 10 Nanosekunden bei einer Länge von 5 cm ergibt eine Reaktivität von 98,4%.

Bei Vorliegen anderer Randbedingungen ist es selbstverständlich auch möglich, im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Länge der Ramanzelle, die Brennweite der fokussierenden Elemente und die Reflektivität des Resonators wesentlich zu ändern. Ebenso ist es möglich, den Farbstoff für das <?-Schaltelement in anderen Substanzen als Dichloroäthan zu lösen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ramanlaser mit im 1,5 μην Bereich liegender Emission, gekennzeichnet durch einen im 1,06 jim-Bereich emittierenden, gütegeschalteten Riesenimpulslaser, der aus einem in einem ersten, an einer Seite teildurchlässig ausgebildeten Resonator (16, 26) angeordneten, im 1,06 um-Bereich emittierenden Lasermedium (20), einer Pumplichtquelle (21) ι ο und einer Lösung (23) eines bivalenten Übergangsmetall-Dithian-Komplexes mit einer quadratischen planaren Struktur besteht, die eine bei 1,06 μΐη liegende sättigbare Absorptionscharakteristik aufweist und als Güteschalter für den ersten Resonator dient, und durch einen mit dem ersten Resonator gekoppelten zweiten Resonator (12,14), in dem ein durch den gütegeschalteten Laser zur Emission von im 1,5 μΓη-Bereich liegenden Impulsen anregbares ramanaktives Medium (10) mit einer Ramanver-Schiebung im Bereich von 3000 cm-¹ untergebracht ist

2. Ramanlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (20) ein Nd⁺³-Glasstab ist

3. Ramanlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (20) ein Nd-YAG-Stab ist.

4. Ramanlaser nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ramanaktive Medium (10) aus Methan besteht.

5. Ramanlaser nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ramanaktive Medium (10) aus Deuterium besteht.

6. Ramanlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der das Güteschaltelement bildende Übergangsmetall-Dithian-Komplex nach folgender Formel aufgebaut ist