DE2246425A1 - Optischer sender oder verstaerker zur erzeugung kurzer, kohaerenter lichtstrahlungsimpulse kleiner strahldivergenz, mit stickstoff als stimulierbarem medium - Google Patents

Description

• Optischer Sender oder Verstärker zur Erzeugung kurzer, kohärenter Lichtstrahlungsimpulse kleiner Strahldivergenz, mit Stickstoff als stimulierbarem Medium.
• Für viele optische Experimente, technische Anwendungen, wie z. B. für optisches Radar, zum Pumpen von Farbstofflasern und für Zellchirurgie (Mikrostrahlenstich) werden kurze, intensive Ultraviolett-Lichtimpulse mit kleiner Strahldivergenz benötigt.
• Die zu lösende Auf gabe besteht nun darin, optische Sender oder Verstärker mit Stickstoff als stimulierbaren Medium (Stickstoff-Laser) so zu verbessern, daß Geräte erhalten werden, die einfacher, robuster und kompakter sind als bisher bekannte und beschriebene und dabei eine geringere Strahldivergenz und niedrigere Versorgungsspannung aufweisen.
• Bekannt sind Systeme, die hohe Versorgungsspannungen von mehreren zehntausend bis ungefähr hunderttausend Volt benötigen, die ferner in der superstrahlenden Emissionsweise betrie .ben werden, oder, wenn Spiegel vorgesehen sind, diese nicht als Resonator zu benutzen vermögen, weil die Baulänge so groß ist, daß die Resonatorumlaufzeit des stimuliert emittierten Lichtimpulses größer oder vergleichbar zur Impulsdauer ist. Bekannt sind Systeme, die außerdem Spezialkondensatoren verwenden und mehr oder weniger kompliziert, aufwendig und groß aufgebaut sind, s. Lit. 1.) -Bei Stiekstofflasern erfolgt stimulierte Emission aus dem Übergang C3#u#B3#g(0,0) des Stickstoff-Moleküls. Da das Laser-Endniveau metastabil ist, schaltet sich die stimulierte Emission spätestens nach einer Zeit, die der halben natürlichen Lebensdauer des Laser-Ausgangsniveaus entspricht, von selbst ab, nämlich nach 20 nsec, s. Lit. 5). In der Praxis liegt diese Zeit bei einigen wenigen nsec.
• Zur Lösung der oben genannten technischen Aufgabe sind deshalb ein Pumpen des Lasermediums (Stickstoff) durch eine möglichst einfache, jedoch sehr schnelle elektrische Hochspannungsentladung mit möglichst geringer Versorgungsspannung und ein kurzer Laserkanal bzw. Laserresonator erforderlich. Die Anstiegszeit der Hochspannungsentladung muf3 kürzer sein als die Laserimpulsdauer. Von ihrer Kürze hängt in bekannter Weise auch die Überspannunffl ab, die sich am Laserkanal ausbilden kann, bevor ein anregender elektrischer Durchbruch erfolgt.
• Je höher die erreichbare Überspannung über der statischen Durchbruchspannung liegt, desto höher ist die Pumpleistung im Entladungskanal. Eine hohe Überspannung wird in der vor geschlagenen Losung durch einen sehr schnell ansteigenden Versorgungsimpuls erreicht, der in einem kompakt aufgebauten, und damit induktionsarmen und schnellen Marx'schen Spannungsteroopplungs-Stoßenerator erzeugt wird. Für diesen Stoßgenerator werden handelsübliche Kondensatoren verwendet.
• Sie sind in unmittelbarer ähe zum Laserkanal angeordnet oder mit diesem in eine Baueinheit integriert. Die Spannungsverdoppelung sorgt nicht nur für einen sehr steil ansteigenden Versorgungsimpuls sondern reduziert auch die benötigte Betriebsspannung auf die Hälfte. (Typische Werte liegen zwischen 5 und 10 kV). Der Laserkanal selbst ist in bekannter Weise, s. Lit. 4.), koaxial aufgebaut mit integriertem Koaxial-Kondensator, welcher in bekannter Weise für eine besonders induktionsarme und damit stromstarke Entladung sorgt.
• Wie bereits erwahnt, liegt die Dauer der stimulierten Emission typisch bei einigen Nanosekunden. Eine wirkungsvolle optische Rückkoppelung in Anordnungen, die länger sind als der Weg, den das Licht während der Laserimpulsdauer zurücklegt, ist nicht möglich. Deshalb werden solche Laser üblicherweise als Superstrahler ohne Resonator betrieben. Die Erfindung schlägt nun vor, den Laserkanal kürzer zu machen, so daß ein optischer Resonator mit einem Spiegelabstand von einigen Zentimetern bis einigen zehn Zentimetern angefügt werden kann. Damit lässt sich a) eine Verringerung der Strahlaivergenz auf ca.t mrad erzielen, was insbesondere der durch Fokussierung erreichbaren Leistungsdichte zugutekommt sowie b) ein Betrieb mit guter.
• optischer Ausgangsleistung bei vergleichsweise geringen Spannungen ermöglichen. Die Erfindung schlagt fer: r vor, einen Resonatorspiegel ca. 95 % reflektierend zu machen (z. B. mit Aluminium bedampft) und als Auskoppelspiegel einen unbedampften Ein-Platten-Quarzresonanzreflekotr zu verwenden. Dadurch lässt sich außerdem das vergleichsweise breite Emissionsgebiet des Stickstofflasers bei geeigneter Wahl der Dicke des Resonanzreflektors spektral einengen.
• Außerdem wird vorgeschlagen, handelsübliche Vakuum-Kleinflansch-Bauteile zum Aufbau des Laserkanals und der Gaszuführung mitzuverwenden, um das System einfach und kompakt zu halten. Ferner, die Spiegel auf Rundschnurringen (O-Ringen) aus Gummi oder einem anderen elastischen Material vakuumdicht zu lagern und mittels Stellschrauben gegen die restliche Gummielastizität zu justieren.
• Im Folgenden wird unter Verweis auf die beigefügteZeichnung ein Ausführungsbeispiel erläutert: Der Laser-Entlandungskanal (1) wird von der Bohrung eines Glas-oder uarz-Kapillarrohrs (2), das koaxial in einer Metallhülse (3) steckt, gebildet. Die metallhülse (3) und ein in sie hineinragendes Stück eines dünnwandigen Metallrohrs.(4) bilden über die ihnen gemeinsame Länge einen Koaxialkondensator, welcher von den dicht daneben angeordneten Versorgungskonbensatoren (5) und (o) über kurze und deshalb induktionsarme Leitungen aufge laden wird. Die Kondensatoren (5) und (6) ihrerseits werden dabei über Ladewiderstände zunächst parallel durch eine Versorgungsspannung von beispielsweis 10 kV aufgeladen. Wenn dabei die Überschlagsspannung der Funkenstrecke (7) erreicht wird, schlägt diese durch und schaltet die beiden Kondensatoren in Serie, so daß nun an der ca. 10 % längeren Bunkenstrecke (8) die doppelte Spannung anliegt und diese ebenfalls sehr schnell zum Durchbruch bringt. Dadurch wird der beschriebene Soaxialkondensator so schnell aufgeladen, daß eine erhebliche.Über-Spannung über die statische Durchbruchspannung des anschließen den Laserkanals erreicht wird1 bevor dieser ebenfalls durchbricht.
• Der- optische Resonator wird beispielsweise durch einen Aluminiumbedampften Reflektor (9) und einen Quarz-Resonanzreflektor (10).
• gebildet, beide mit einer Ebenheit von ca. #/10. Der Reflektor (9) liegt auf einem 0-Ring (11) auf und wird von einem 0-Ring (12) zentriert. Über eine Andrückplatte (13) und drei Stelischrauben (14) kann der Spiegel gegen die restliche Gummielastizität des 0-Rings (11) justiert werden, nachdem zuvor die Kappe (15) so weit angezogen wurde, daß Vakuumdichtigkeit erreicht wurde. Der Auskoppel-Resonanz-Reflektor (10) ist in eine Metallplatte eingekittet und wird mit dieser von einem Schrautring (16) zentriert und gegen ein MW 10-Vakuum-Kleinflansch-T-Stück (17) mittels eines 0-Rings (18) und eines Andrückrings (19) gedichtet. nle Justierung erfolgt mit Stellschrauben (20) gegen die restliche Gummielastizität des 0-Rings (18). Mittels eines Kleinflansch-Vakuum-bauteils (21) kann der Laser z. B. an einen Vakuum-Reiter für optische Bänke starr angeflanscht werden. Zum Betrieb wird er evakuiert und dann mit ca. 12 torr Stickstoff gefüllt.
• In Betracht gezogee Literatur: 1.) H. Haare Nature, Nov. 16, 667, (1963) 2.) D.A. Leonard, Appl.Phys.Letters j, 4, (1965) 3.) J. D. Shipman, Appl.Phys.Letters 10, 3, (1967) 4.) G. Ericsson und R. Lidholt, Arkiv för Fysik 37, 557, (1967) 5.) K.G.Ericsson und L.R.Lidholt, Appl.Optics , 211, (1968) 6.) M. Geller, D.E. Altman und T.A. DeTemple, Appl. Optics 7, 2232, (1968) 7.) G. Herziger und F.J. Theiss, Z. angew. Phys. 29, 157, (1970) 8. ) H.E.B. Andersson, Physica Scripta 4, 215, (1971)

Claims (9)

1. ? a t e n t a n s p r ü c h e Optischer Sender oder Verstärker zur Erzeugung kurzer kohärenter lichtstrahlungsimpulse kleiner Strahldivergenz mit Stickstoff als stimulierbarem Medium, dadurch gekennzeichnet, daß der durch eine sehr kürze elektrische Entladung stimulierte Gasentladungskanal sich in einem optischen Resonator befindot .; n d daß die Anordnung Gasentladungskar,al - Resonator eine so geringe Länge hat, daß die Resonator-Umlaufzeit des tichts, kürzer ist als die Dauer des stimuliert emittierten Lichtimpulses, wodurch eine hohe Verstärkung durch Mehrfach-Durchgang eines Teils des stimuliert emittierten Lichts durch den invertierten Gasentladungskanal und eine sehr geringe Strahldivergenz von ca. 1 mrad oder weniger erreicht wird u n d daß der für die kurze elektrische Entladung erforderliche kurze Versorgti:ngsimpuls in nächster ähe zum Laserkanal durch eine induktionsarme Spannungsverdopplungsschaltung erzeugt wird, derart, daß zwei Kondensatoren parallel aufgeladen und über zwei Funkenstrecken in Serie entladen werden, wobei der spontane Überschlag einer der beiden Funkenstrecken die Spannungsdifferenz der zweiten so erhöht, daß diese ebenfalls und sehr schnell durchbricht.
2. 2. OptiEcher Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorspiegel auf elastische Rur.dschnurringe vakuumdicht angepresst werden und gleichzeitig noch gegen die restliche Elastizität der Rundschnurringe feinjustiert werden können, z. B. durch Stellschrauben.
3. 3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel relativ hoch reflektierend ist, z. B. zwischen 80 und 100 % und der andere von einer planparallelen für die Laserwellenlänge durchlässigen Platte gebildet wird, von einer solchen Plattendicke, daß die Interferenz des an Vorder- und Rückseite reflektierten Lichts eine spektrale Einengung der laseremission :rewirkt (1Resonanzreflektor1).
4. 4. Optischer Sender oder Verstärker nacn Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 in Verbindung mit einen oder mehreren tier Ansprüche 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dad handelsübliche Kleinflansch- Vakuumbauteile zum Aufbau des Laserkanals und der Vakkum- bzw. Gaszuführung teilweise oder ausschließlich Verwendung rinden.
5. 5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch l oder nach Anspruch 1 in Verbindung nit einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß andere Gase als Lasermedium Verwendung finden, insbesondere Neon, Wasserstoff, schwerer Wasserstoff, oder Kohlenmonoxyd
6. 6. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Versorgungsimpulses nicht durch eine Verdopplung sondern durch eine Vervielfachung der eingespeisten Spannung entsteht.
7. 7. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch l oder nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem oder mehreren der Arlsprüche 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Funkenstrecken triggerbar ist.
8. 8. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch t oder nach Anspruch 1 in Verbindung mit einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Funkenstrecken der Verdoppler- oder Vervielfachungsschaltung aer Laserkanal selbst ist.
9. 9. Optis-cher Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 in Verbindungt mit einem oder mehreren er Ansprüche 2, 3, 4, 5, 6, 7 und b', dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkanal, der optische Resonator und der Versorgungsimpulsgenerator einen Funktionsblock bilden, etwa derart, daß sie in einem Metall- oder Kunststoffblock vereinigt sind.

   L e e r s e i t e