DE2161743A1

DE2161743A1 - Vorrichtung zur stimulierten emission von kohaerenter durchstimmbarer ramanstrahlung

Info

Publication number: DE2161743A1
Application number: DE19712161743
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Phys Dr Re Schmidt
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1971-12-13
Filing date: 1971-12-13
Publication date: 1973-06-28
Also published as: DE2161743C3; FR2163561A1; FR2163561B1; GB1418299A; DE2161743B2

Description

FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)

Vorrichtung zur stimulierten Emission von kohärenter durchstimmbarer Ramanstrahlung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von stimulierter Emission von kohärenter durchstimmbarer Ramanstrahlung, insbesondere im IR-Gebiet, bestehend aus einem optischen Sender mit stimulierbarem Medium, optischem Resonator und Pumpeinrichtung zur Anregung des Mediums und aus einem mit Raman-aktivem Material gefüllten Resonator, in welchem das Lipht des Senders von der Frequenz ν um einen festen Betrag Δν verschoben wird.

Durchstimmbare kohärente IR-Strahler sind seit einiger Zeit ein intensives Forschungsziel, weil sie bei optischen Untersuchungen ein hohes Auflösungsvermögen gestatten und damit die Entwicklung neuartiger und äußerst leistungsfähiger IR-spektroskopischer Verfahren und Instrumente ermöglichen, die beispielsweise einen genauen Nachweis der als Schadstoffe in der Atmosphäre vorliegenden Moleküle gestatten. Auch chemische Reaktionen lassen sich durch Zuführung definierter Aktivierungsenergien mittels durohstimmbarer IR-Laser gezielt beeinflussen.

Es sind bereits einige Methoden zur Erzeugung kohärenter Strahlung mit abstirnmbarer Wellenlänge, die ins nahe IR-Qebiet hineinreichen, bekannt. So kann beispielsweise eine Laseremission aus Farbstoffmolekülen gewonnen werden und die Emissionsbande mit geeigneten Wellenlängenselektoren eingeengt und durchgestimmt werden. Auf diese Weise läßt sich Laseremission zwischen j55O und 1200 nm erzeugen. Es ist weiterhin bekannt, durch Einstrahlung von intensivem Laserlicht fester Wellenlängen in geeignete Medien stimulier-

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te Ramanemission im IR-Gebiet sowie im kurzwelligeren Bereich zu erzeugen. Die Frequenz des Ramanlichtes ist dabei gegenüber der des eingestrahlten Lichtes um einen vom Medium"abhängigen festen Betrag Δν verschoben, der einem bestimmten Energieübergang im Ramanmedium entspricht. Bei einer Stokes'sehen Ramanverschiebung ist das Ramanlicht zu niedrigeren Frequenzen und bei einer Antistokes'sehen Ramanverschiebung zu höheren Frequenzen verschoben. Das stimulierte Ramanlicht kann wiederum stimulierte Ramanstreuung hervorrufen. Die Frequenz dieser stimulierten Ramanemission zweiter Stufe ist um den Betrag 2 Δ ν gegenüber der eingestrahlten Laserfrequenz verschoben. Dieser Prozeß kann sich mehrmals wiederholen, so daß Frequenzverschiebungen um η Δν erzeugbar sind, wobei η eine ganze Zahl ist. Der Nächteil der bekannten Methoden liegt darin, daß entweder der Emissionsbereich nicht breit genug ist oder daß bei der stimulierten Ramanemission nur diskrete. Ramanlinien erzeugt werden, oder daß sie in der praktischen Anwendung sehr kompliziert sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Ramanlaser anzugeben, der in einem breiten Bereich, insbesondere im IR-Gebiet kontinuierlich durchstimmbar ist und dabei in seinem Aufbau einfach und in der technischen Handhabung unkompliziert ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Sender mindestens ein in einem breiten Wellenlängenbereich mit kleiner Linienbreite emittierender Laser, vorzugsweise ein Farbstofflaser dient und dessen bzw. deren Strahlung in einem Wellenlängenbereich kontinuierlich durchstimmbar ist, dessen Breite der Ramanversehiebung entspricht und daß weiterhin im Ramanresonator Mittel vorgesehen sind, welche die Auswahl einer bestimmten Ramanstufe ermöglichen.

Als Ramanmedien können sowohl Gase als auch Flüssigkeiten und Medien, in denen elektronische Ramanstreuung stattfindet, verwendet werden. Mit besonderem Vorteil wird als Ramanmedium unter

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variierbarem Druck stehender Wasserstoff verwendet, weil dieser einen großen Bereich für die Ramanversehiebung liefert und praktisch dispersions- und absorptionsfrei ist. Die Intensität der Ramanstreuung ist in gewissen Grenzen druckabhängig.

Für eine gute Ausnutzung des Anregungslichtes und eine Wellenlängenselektion des Ramanlichtes ist es vorteilhaft, die für den Ramanresonator vorgesehenen Spiegel mit wellenlängenabhängiger Reflektion und Absorption zu gestalten. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der in Richtung des auftreffenden Anregungslichtes erste Spiegel der Ramanzelle für die Wellenlänge des anregenden Lichtes durchlässig und für die Wellenlänge des stimulierten Ramanlichtes reflektierend, während der zweite Spiegel das zur Anregung der gewünschten Ramanstufe dienende Licht, das sich aus dem primären Laserlicht und stimuliertem Ramanlicht anderer Stufen zusammensetzt, zurückreflektiert und für die gewünschte Stufe des Ramanlichtes teildurchlässig ist.

Zur Erzeugung von stimulierter Ramanemission in Hg ist es vorteilhaft, als Sender drei Farbstofflaser zu verwenden, die sich in ihrem Emissionsbereich überlappen und die einen Wellenlängenbereich überdecken, der gerade der Ramanverschiebung in Hp entspricht. So stehen für die anregende Strahlung in dem betreffenden Bereich von 530 - 678 nm besonders starke, beispielsweise mit Fluoreszein, Rhodamin 6G oder Kresylviolett arbeitende blitzlampengepumpte Farbstofflaser zur, Verfügung, mit denen dieser Bereich lückenlos überdeckt werden kann. Bei Verwendung von H₂ als Ramanmedium, bei dem die Frequenzverschiebung im Wellenzahlmaßstab 4160 cm" beträgt, kann die mit diesen Lasern erzeugte Stokes'sehe Ramanemission bis zur vierten Stufe den gesamten Spektralbereich von 678 nm bis ins fernste IR und in der Antistokes'schen Ramanemission von 530 - 282 nm überdecken. Dieser Sachverhalt ist in der Tabelle für Anregungswellenlängen von 530 und 678 nm dargestellt.

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Tabelle

Wellenlänge in nm

Anregender Laser 530 678

Stokes'sehe Ramanemission in Hp

1. Stufe ^ 678 9^7

- 2. Stufe 9^7 I56O

3. Stufe I56O 4440

4. Stufe ' 4440 (00)

α Antistokes'sehe Ramanemission

1. Stufe 4^3 530

2. Stufe 368 433

3. Stufe 319 368

4. Stufe 282 319

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene Methode relativ einfach durchzuführen ist, daß hohe Intensitäten der Ramanstreuung erreichbar sind, da die Umwandlungsausbeuten sehr hoch sind, vor allem aber darin, daß die Erfindung eine kohärente Lichtquelle angibt, die in einem breiten Spektralbereich, der vom sichtbaren Gebiet sowohl ins ferne IR-Oebiet, als auch ins nahe UV-Gebiet reicht, durchstimmbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 einen schematisehen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, in dem die Resonatorspiegel der Rämanzelle innerhalb der Zelle angebracht sind;

Fig. 2 eine Ramanzelle für die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die Anregungsstrahlung transversal eingestrahlt wird und die Resonatorspiegel außerhalb der Zelle angebracht sind;

Fig. J5 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung.

In der Fig. 1 ist mit 1 eine Pumplichtquelle für den Farbstofflaser 2 bezeichnet. Die Sammellinse 3 bündelt das vom Laser 2 kommende Licht innerhalb der mit Hp gefüllten Ramanzelle 10. Zur Steuerung der Intensität der Ramanstreuung kann die Zelle unter variierbarem Druck, beispielsweise zwischen 20 und 150 atü, gehalten werden. Mit 4 und 5 sind die Fenster der Ramanzelle bezeichnet. Für das Fenster 4 wird vorteilhafterweise Material genommen, welches für die Anregungsstrahlung des Lasers 2 durchlässig ist, während für das Fenster 5 IR-durchlässiges Material verwendet wird. Der Spiegel 6 ist an seiner Oberfläche 6^! mit einer Schicht belegt, die das Ramanlicht reflektiert und das vom Laser 2 kommende Anregungslicht durchläßt, während die Fläche 7¹ des Spiegels 7 mit einer Schicht belegt ist, die das anregende Licht reflektiert und das Ramanlicht der gewünschten Stufe teilweise durchläßt, so daß es durch das Fenster 5 auf die Sammellinse 9 trifft und von dort dem Anwendungszweck zugeleitet wird.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Ramanzelle tritt das Anregungslicht senkrecht zur optischen Achse der Spiegel 6 und 7 durch das Fenster 11 in die Zelle. Die Fenster und 15 sind IR-durchlässig. Der Spiegel 6 ist so mit einer Spiegelschicht 6' belegt, daß er das Ramanlicht nahezu vollständig reflektiert, während der Spiegel J für das Ramanlicht teildurchlässig ist.

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In dem in Fig. 3 perspektivisch dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine rechteckige Laserküvette 16 zwischen mehreren, als Pumplichtquelle dienenden Blitzlampen 17 angebracht. Mit 22 ist eine Vorrichtung zum Einengen der Emission und Durchstimmen der Wellenlänge bezeichnet. Das Laserlicht' tritt als breiter Strahl aus, der von der Zylinderlinse 19 in der Brennlinie 21 in der Ramanzelle gesammelt wird. Die abschließenden Seitenfenster und die Resonatorspiegel der Ramanzelle sind der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen. Das stimulierte Ramanlicht kann in den Richtungen 23 und 24 die Zelle verlassen. Der Zylinderspiegel 18 ist reflektierend für das anregende Laserlicht.

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Claims

# Patentansprüche

1.J Vorrichtung zur stimulierten Emission von kohärenter durchstimmbarer Rarnanstrahlung, insbesondere im IR-Gebiet, bestehend aus einem optischen Sender mit stimulierbarem Medium, einem optischen Resonator und einer Pumpeinrichtung zur Anregung des Mediums und aus einem mit Raman-Material gefüllten Resonator, welcher das Licht des Senders von der Frequenz ν um einen festen Betrag Δ ν verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender mindestens ein in einem breiten Wellenlängenbereich mit kleiner Linienbreite emittierender Laser, vorzugsweise ein Farbstofflaser dient und dessen bzw. deren Strahlung in einem Wellenlängenbereich kontinuierlich durchstimmbar ist, dessen Breite der Ramanversehiebung entspricht, und daß weiterhin im Ramanresohator Mittel vorgesehen sind, welche die Auswahl einer bestimmten Wellenlänge ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ramanmedium Wasserstoff dient, der unter variierbarem Druck steht.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Ramanresonator Spiegel mit wellenlängenabhängiger Reflektion und Absorption verwendet werden.

Brd/Hgs
O6I27I

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