DE2255340A1 - Verfahren und vorrichtung zur frequenzumsetzung optischer strahlung - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzumsetzung optischer Strahlung.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechen*- den U,S. Anmeldung Serial No. 197 889 vom 11. November 1971 in Anspruch genommen. ·

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Frequenzumsetzung optischer Strahlung unter Verwendung eines Metal !dampf es.»

Es ist bereits bekannt, zur Erzeugung von Qberschwingungsfrequenzen einer einfallenden Strahlung nichtlineare optische Anordnungen mit Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen zu verwenden, die mit Strahlung einer Wellenlänge bestrahlt werden und Strahlung einer-Oberwelle oder -schwingung abgeben. Außerdem ist bekannt, einen Phasenangleich bei den zwei Frequenzen zu erzielen. In einem Aufsatz.von Armstrong u»a» mit dem Titel "Interaction Between Light Waves In Non-Linear Dielectric" ("Wechselwirkung zwischen Lichtwellen im nichtlinearen Dielektrikum"), Physical Review 127, 1918 (1962) ist auch bereits vorgeschlagen worden, den Phasenangleich durch Zumischung von MölekÜlarten zu bewirken.

Die meisten Flüssigkeiten und Feststoffe sind jedoch für Wellenlängen unterhalb von etwa 2500 Angstrom im ultra*

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violetten Spektralbereich opak und daher für diesen Bereich nicht geeignet. Die bekannten, mit Gas arbeitenden Vorrichtungen zur Erzeugung von Oberwellen sind andererseits aufgrund ihres niedrigen Wirkungsgrades ungeeignet.

Durch die Erfindung sollen daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Frequenzumsetzung insbesondere im ultravioletten Spektralbereich liegender optischer Strahlung geschaffen werden, die einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Metalldampf, der zwischen der Frequenz der einfallenden Strahlung und der Umsetzfrequenz liegende Atomresonanzen aufweist , mit einem Dampf oder Gas normaler Dispersion vermischt und die Konzentration des Metalldampfes und die des Dampfes oder Gases so bemessen werden, daß die Geschwindigkeit der das Medium durchsetzenden einfallenden Strahlung einer Frequenz gleich ist der bei der Umsetzfrequenz.

Entsprechend weiteren Merkmalen der Erfindung kann als Metalldampf ein Alkalimetalldampf, und als Gas oder Dampf ein inertes Gas wie z.B. Xenon verwendet werden. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Frequenz der einfallenden Strahlung in die der dritten Oberwelle umgesetzt.

Die zur Ausführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Zelle, die Metalldampf enthält, eine zur Einhaltung einer vorbestimmten Konzentration des Metalldampfes innerhalb der Zelle dienende

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Vorrichtung und durch eine zur Abgabe von zur Frequenzumsetzung bestimmter Strahlung durch die Zelle dienende mono~ chromatische Strahlungsquelle.

Gemäß weiteren Ausgestaltungen kann der in der Zelle enthaltene Metalldampf mit einem Gas oder Dampf normaler Dispersion vermischt sein und aus einem Alkalimetalldampf bestehen. Das Verhältnis von .Metalldampfatomen zu Gas oder Dampf normaler Dispersion kann so bemessen sein, daß die Phasengeschwindigkeit der Strahlung bei der Grundfrequenz gleich ist der bei der Umsetzfrequenz. Die zur Einhaltung einer vorbestimmten Metalldampfkonzentration innerhalb der Zelle dienende Vorrichtung kann aus einem zur Aufrechterhaltung einer erhöhten Zellentemperatur dienenden Ofen bestehen, Die Erfindung wird im nächfolgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 stellt schematisch eine Frequenzumsetzvor-:

richtung nach der Erfindung dar. Fig. 2 stellt schematisch die bevorzugte Ausführungsform der Frequenzumsetzvorrichtung dar. Fig. 3 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform der Umsetzvorrichtung dar, in welcher drei Frequenzen umgesetzt werden.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Brechzahlverlauf s von Rubidium und Xenon in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung der Ausgangsleistung der dritten Oberwelle als Funktion der Temperatur von Rubidiumdampf.

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Fig. 6 ist eine grafische Darstellung der Ausgangsleistung der dritten Oberwelle als Funktion der Temperatur eines Gemisches aus Rubidiumdampf und Xenon.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung zur Frequenzumsetzung optischer Strahlung besteht aus einer Gas- oder Dampfzelle 11, die mit wenigstens einem Metalldampf gefüllt ist und auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten wird, bei welcher gewährleistet ist, daß in der Zelle ausreichend viele Metallatome vorhanden sind, durch welche die mit ω bezeichnete einfallende Strahlung in solche der dritten Oberwelle umgesetzt werden kann, welche durch 3ω angedeutet ist. Die Zellentemperatur wird vermittels des sie umgebenden Ofens 12 aufrecht erhalten. Die Zelle 11 kann beispielsweise aus einem langgestreckten, lichtundurchlässigen Gehäuse bestehen, das an beiden Enden jeweils ein Fenster 13 bzw. 14 trägt. Die Zelle kann auch in anderer Weise beschaffen sein, wobei sie lediglich den Bedingungen genügen muß, den Metalldampf innerhalb der Zelle auch bei erhöhter Temperatur desselben zurückzuhalten.

Der zur Umsetzung einer Frequenz in ihre dritte Oberschwingungsfrequenz verwendete Metalldampf weist eine dominierende Atomresonanzfrequenz oder eine Gruppe starker Atomresonanzfrequenzen im Spektralbereich zwischen der umzusetzenden Grundfrequenz ω und der zu erzeugenden dritten Oberschwingungsfrequenz 3ω auf.

Die Übergangsfrequenzen (Frequenzen der Strahlung

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für Übergänge zwischen Energieniveaus) der Atome der Alkalimetalldämpfe von Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Caesium (Gs) liegen im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich und sind daher geeignet zur Umsetzung der Ausgangswellenlänge oder -frequenz vieler bekann-, ter Laser in eine höhere, im ultravioletten Spektralbereich liegende Frequenz.

Es sei hier eine vereinfachte Beschreibung des Umsetzvorgangs gegeben.. Die mit der Grundfrequenz ω einfallende Welle weist eine ausreichend hohe Leistung auf, indem ihre Leistungsdichte ziemlich hohen elektrischen Feldstärken (in der Größenordnung von 10 Volt /cm) entspricht. Dieses starke elektrische Feld bewirkt in Wechselwirkung mit den Metalldampf atomen eine elektrische Dipol-Polarisierbarkeit. Dabei handelt es sich um die normale (lineare) Polarisierung, und diese wird noch verstärkt, wenn die Grundfrequenz in der Nähe einer Atomresonanzfrequenz (Übergang in den Grundzustand) liegt. Die vorgenannte Polarisierung (Polarisierbarkext) überlagert sich dem einfallenden elektrischen Feld und bewirkt Fluktuationen in der Atombevölkerung mit einer Frequenz, die doppelt so hoch ist wie die der einfallenden Grundstrahlung. Der Ausdruck "Fluktuationen" der Ätombevölkerung ^wi^pd hier im verallgemeinerten Sinne gebraucht und sehließt Off-diagonal'- oder Mixed-state-Fluktuationen der Diohtgmatrix ein. '

Wenngleich in dem Atomsystem Fluktuationen mit einer Frequenz 2ω auftreten, ist bei dieser Frequenz keineStrah·-.

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lungsemission möglich. Zur Strahlungserzeugung muß eine weitere, nichtlineare Stufe der "inneren" Atomwechselwirkung durchlaufen werden. Auch hier überlageren sich wiederum die im vorstehenden Absatz beschriebenen Fluktuationen der Atombevölkerung dem einfallenden elektromagnetischen Feld und bewirken eine Dipol-Polarisierung mit dem dreifachen der einfallenden oder Grundfrequenz. Dieses Dipolmoment führt dann zu Strahlung mit der dritten Oberschwingungsfrequenz.

In Zusammenfassung sind die nichtlinearen Vorgänge im Atom wie folgt: Das elektrische Feld mit der Frequenz ω erzeugt eine Dipol-Polarisierung mit der Frequenz ω. Diese wiederum überlagert sich dem elektrischen Feld mit der Frequenz ω und bewirkt Fluktuationen der Atombevölkerung mit der Frequenz 2ω , welche sich dem einfallenden elektromagnetischen Feld überlagert und zu einer Dipol-Polarisierung mit der Frequenz 3ω führen. Die Dipol-Polarisierung mit der Frequenz 3ω führt zu Strahlung mit der dritten Oberschwingungsfrequenz.

Die Formeln für die nichtlineare Polarisierung dritter Ordnung (die Polarisierung oder Nichtlinearität wird deswegen mit der Bezeichnung "dritte Ordnung" belegt, weil zur Erzeugung einer vierten Frequenz drei Frequenzen erforderlich sind) sind aus der einschlägigen Literatur bekannt. Ganz allgemein läßt sich sagen, daß die Nichtlinearität stark ist, wenn die Atome starke Übergänge zwischen mehreren unterschiedlichen Atomzuständen aufweisen, deren Resonanzfrequenzen entweder bei der Grundfrequenz oder dem doppelten oder

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W Π mm

dreifachen Wert der Grundfrequenz liegen* Das ist wie oben erwähnt der Fall für Alkalimetalldampfe bei Erzeugung der dritten Oberschwingungsfrequenzen im nahen oder mittleren ultravioletten Spektralbereich. Für weiteres Vordringen-in den ultravioletten Spektralbereich kann ein Metalldampf eines anderen Metalls erforderlich sein. Zur Erzeugung von Frequnzen' im Spektralbereich von .- 3547 bis 1182 X würde sich beispielsweise Hg-Dampf eignen. Ausschlaggebend für die Wahl eines Dampfes mit starker Nichtlinearität ist, daß dieser Resonanzfrequenzen aufweisen muß, die verhältnismäßig dicht , bei entweder der Frequenz ω, der doppelten Frequenz 2ω oder der dreifachen Frequenz 3ω liegen, wobei ω die Frequenz des einfallenden Laserstrahls ist, welche in die dritte Oberschwingungsfrequenz umgesetzt werden soll.

Der nichtlineare Vorgang dritter Ordnung in Metalldämpfen kann auch zur Umsetzung von drei Eingangsfrequenzen ω., ω_? und ω₃ und Erzeugung einer vierten Frequenz ω^ ausgenutzt werden. Die Strahlung., bewirkenden Polarisationen werden durch den nichtlinearen Vorgang im Atom erzeugt, und die Ausgangsleistung entspricht den Frequenzen + ω. + ω_ο + ω_, wobei die Kombinationsfrequenz eine positive Zahl ist. Im Sonderfall sind die drei Frequenzen gleich, und es wird 3 ω. erhalten. · ·

In Fig. 2 ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche oder entsprechende Teile sindjeweils mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. ,1 bezeichnet. Der Metalldampf ist in einem vorbestimmten Verhältnis

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mit einem anderen Metalldampf oder mit einem Gas gemischt. Die Menge an zusätzlichem Dampf oder Gas steht in einem solchen Verhältnis, daß die Brechzahl bei der dritten Oberschwingungsfrequenz im wesentlichen gleich ist der bei der Grundfrequenz, so daß die Phasengeschwindigkeiten des Gemischs bei den beiden Frequenzen im wesentlichen gleiqh groß sind.

Der Phasenangleich erfolgt erfindungsgemäß durch Vermischung des Metalldampfes negativer Dispersion mit einem Gas normaler Dispersion in der Weise, daß bei der Grund- und der dritten OberSchwingungsfrequenz gleiche Phasengeschwindigkeiten erhalten werden.

Wie oben ausgeführt, wird der Metalldampf danach ausgewählt, daß er in der Nähe der umzusetzenden Grundfrequenz liegende Atomresonanz — Frequenzen aufweist. Eine weitere, in die Auswahl eines geeigneten Dampfes eingehende Überlegung ist, daß der Metalldampf außerdem einen geeigneten Brechzahlwert aufweisen muß, damit er zum Phasenangleich phasenmäßig an den zweiten Dampf oder das Gas angepaßt werden kann. So ist beispielsweise für das Alkalimetall Rubidium in Fig. U der Brechzahlverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge schematisch, d.h. in großen Zügen qualitativ dargestellt. Wie daraus ersichtlich , liegt die dominierende oder Hauptresonanz bei etwa 7800 K. Bekanntlich nimmt die Brechzahl bei Annäherung an den Resonanzwert von längeren Wellenlängen her kommend zu, und liegt auf der negativen Seite bei etwas oberhalb der Resonanzwell en! ängc» liegenden Frequenzen. Die Brechzahl steigt

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darin zum ultravioletten Spektralbereich hin kontinuierlich an und bleibt auf einem unter 1 liegenden Wert, sofern keine weitere Atomresonanz auftritt. .

In der gleichen Zeichnungsfigur ist weiterhin der Brechzahlverlauf für ein Gas normaler Dispersion, wie z.B. Xenon (Xe) dargestellt. Die Atomresonanz von Xenon liegt im •ultravioletten Spektralbereich, so daß die Brechzahl im sichtbaren Spektralbereich entsprechend der in Fig. 4 dargestellten gestrichelten Kurve langsam ansteigt. Aus Fig. 4 ist weiterhin ersichtlich, daß die Brechzahl von Rubidium bei 3547 A* kleiner ist als" die Brechzahl bei 1064 Ä\ Dagegen ist die Brechzahl von Xenon bei der kürzeren Wellenlänge größer als bei der längeren Wellenlänge. Anhand der Zeichnung läßt sich somit ersehen, daß.für ein bestimmtes Xenon-Rubidium- „ Verhältnis die Brechzahl bei 3547 R gleich sein muß der bei .1064 Ä. Dieser Verhältniswert wird als Phasenangleich (phase matching) bezeichnet.

. -. Zur Erzeugung bestimmter Oberschwingungsfrequenzen wird daher ein Metalldampf verwendet, dessen dominierende Atomresonanzgrundfrequenz zwischen der umzusetzenden Grundfrequenz und der zu erzeugenden dritten Oberschwingungsfrequenz liegt. Für das Puffergas ergeben sich keine derartigen Anforderungen. Das Gas muß lediglich eine normale Dispersion aufweisen. Die Resonanzfrequenzen des Gases liegen in praktisch allen Fällen oberhalb der· zu erzeuegenden dritten Oberschwingungsfrequenz, d.h. bei kürzeren Wellenlängen. Nach

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- ίο -

freier Wahl eines zu diesem Zweck geeigneten Metalldampfes läßt sich das erforderliche Verhältnis vermittels der Formel oder der Gleichungen von Sellmaier genau berechnen. Diese Gleichungen sind bekannt, müssen jedoch in jedem Einzelfall entsprechend aufgestellt werden. Dazu ist im allgemeinen die Kenntnis der Oszillatorstärken aller in Frage kommenden und verhältnismäßig starken Übergänge aus dem Grundzustand erforderlich. Für Alkalimetalldämpfe und andere Metalldämpfe liegen diese Daten tabellarisch vor. Für einige Metalle stehen diese Daten noch nicht zur Verfügung. In diesem letzteren Falle läßt sich der geeignete Metalldampf durch Versuche ermitteln.

Unter der Annahme, daß die Daten zur Verfügung stehen, kann die Sellmeier-Gleichung aufgestellt werden, welche entsprechend Fig. 1+ den Brechzahlverlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge angibt. Dieser Rechnungsgang wird für jeden Metalldampf durchgeführt, wobei dann eine entsprechende Gleichheit herbeigeführt wird, mit der sich das erforderliche Atomverhältnis der einen Art zu der anderen Art rechnerisch bestimmen läßt.

Im Falle von drei Eingangsfrequenzen ist ein allgemeinerer Phasenangleichszustand erforderlich. Die Brechzahlen der drei Frequenzen müssen nämlich in einer solchen Beziehung zueinander stehen, daß die Polarisationswelle, welche die erzeugte elektromagnetische Welle "treibt", im wesentlichen die gleiche Phasengeschwindigkeit aufweist wie die freie elektromagnetische Welle bei der erzeugten Umsetzfre-

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- li -

quenz. Diese Bedingung wird allgemein ausgedrückt durch die Beziehung k^ + k„ + k„ = k^_s in welcher der tiefstehende Index M- die Frequenz der erzeugten Welle bezeichnet.

Für Rubdium- und Natrium-Metalldämpfe mit Xenon-Puffergas wurden die entsprechenden Berechnungen durchgeführt. Die Rechnungsergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle I -aufgeführt, welche drei Möglichkeiten der Frequenzverdreifachung angibt:

Tabelle I

~ ^XGrundfrequ. ->■ 10640 K'■*■ . 6 943 8 -► . 6000 K ·*■

^λdritte Oberschwing. 3547 8 2314 ft 2000 8

2_ Metalldampf . · Rb Na Na _3 Puffergas- Xe ' Xe Xe

k Metallatome/ccm 2,25 ΊΟ¹⁷' 7,73'1O¹⁶ 2,12·1Ο¹⁶ Partialdruck des ._{K n K un Λ R1} Metalldampfs (mm Hg) ^lb'^U · ^b'^{W 1}V¹

_6 Zellentemperatur 415 ⁰C 527 ⁰C ■ 461 ⁰C

κ Metalldampf (Ein- 7,42-10 ^ύ1 5,86-10. ^öa 16,36*10 ^öä heiten des CGS-Systems) . .

Kohärenzlänge L (cm) 9,62-ΙΟ"² 2,60-1O^-1 Ι,ΙΟΊΟ"¹

9. Anzahl Puffergasatome 412 .■. 100 476 Anzahl Metälldampfatome 1 1 1

ί,Ο P /A (50% Umsetzung; 97.m⁸ 1 7^-1O¹⁰ 5 07 m¹⁰ — ^F L=50 cm) (Watt/cm²) ⁷'^{27 10} . ^{1>75 1U b}'^U ''¹⁰ •11 P_F (50% Umsetzung) ₁₎₉₃._1O ⁶ . ₃,Ο.4·1Ο⁷ 7,61·1Ο⁷

P_ = Gruiidleistung; Pp/A = Grundleastungsdichte

In jedem Falle wird die Anzahl der Metallatome pro Kubikzentimeter so bemessen, daß sich bei ■ der Grundi'requenz oder der dritten Oberschwingungsfrequenz ein maximaler Transmiss ionsvcrlust von 25 % in einer 50 cm langen Zelle ergibt.*-?·

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die ein zum Phasenangleich dienendes Puffergas unter einem höheren Druck enthält. Die Berechnung der dritten Oberwellenlinearität erfolgte vermittels der Formeln von Armstrong u.a. , die angegeben sind in dem vorgenannten Aufsatz "Wechselwirkung zwischen Lichtwellen im nichtlinearen Dielektrikum", Physical Review 127, 1918 (1962), und die entsprechenden Ergebnisse sind in Zeile 7 von Tabelle I angegeben.

Die Brechzahlen der Metalldämpfe wurden nach der Standardformel von Sellmaier berechnet, und die Kohärenzlänge für die Erzeugung der dritten Oberwelle für Metalldampf ohne Phasenangleich ist in Zeile 8 angegeben und entspricht dem in Zeile 5 angegebenen Metalldampfdruck.

Zur Erzielung von Phasenangleich und Steigerung des

Umsetzwirkungsgrades um (L/L ) wird ein Puffergas normaler Dispersion unter einem Partialdruck verwendet, damit die Breqhzahlen oder die Phasengeschwindigkeiten bei der Grundfrequenz und der dritten Oberschwingungsfrequenz gleich sind. Die Brechzahlen von Xenon wurden nach der von Koch angegebenen Formel aus "On the Refraction and Dispersion of the Noble Gases Krypton and Xenon" (Oberdie Brechung und Dispersion der Edelgase Krypton und Xenon), Kungl. Fysiografiska Sällskapets I Lund Forhandlingar 19, 173 (1949) ermittelt. In Zeile 9 der Tabelle I ist das Verhältnis der Anzahl an Xenonatomen zur Anzahl an Metalldampfatomen angegeben, das zum Phasenangleich erforderlich ist.

In den Zeilen 10 und 11 der Tabelle I sind die erforderliche GrundleiütungBdiclite und Grundleistung (bei angenom-

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men konfokaler Fokussierung) angegeben, welche zur Erzielung eines Wirkungsgrades von 50 % bei der Umsetzung in die dritte Oberschwingung erforderlich sind. Die angegebenen Werte beruhen auf- einer Zellenlänge von 50 cm und der in Zeile 4 angegebenen Anzahl von Metalldampfatomen pro Kubikzentimeter.

Die vorstehend genannten Zahlenangaben wurden durch , Versuche mit Frequenzumsetzvorrxchtungen der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen bestätigt. Die Versuchsanordnung bestand aus einem Q-geschalteten akustisch-optischen Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser-Verstärker, der bei 1064 8 bis zu 100^ kW TEM -Modus-Strahlung lieferte. Die

oo ·

Rubidium enthaltende Zelle hatte eine Länge von 19 cm und bestand aus Pyrex. Der Rubidiumdampf wurde in einen seitlichen Schenkel der Zelle eingeführt, welche auf einer etwas niedrigeren Temperatur als die Hauptzelle gehalten wurde. Durch Regelung der Temperatur des seitlichen Zellenschenkels von etwa 100 ⁰C zu 320 ⁰C konnte der Dampfdruck zwischen 2 · 10~⁴ Torr und 2 Torr kontinuierlich verändert werden. Bei der zweiten Versuchsreihe wurde Xenon unter unterschiedlich hohen Drücken in die Zelle eingebracht, und diese dann abgedichtet. •Die Strahlung von 3547 8 wurde mit einem Fotovervielfacher =*> des Typs RCA IP2 8 mit einer S5-Fötokathode aufgefangen, die Filtern und einem zur Unterdrückung der Strahlung von 1064 8 dienenden Monochromator nachgeschaltet waren.

Der erste Versuch wurde ohne Xenon durchgeführt und hatte zum Ziel, die Nichtlinearität des Rubidiumdampfes zu messen. Der einfallende Laserstrahl- war auf einen Strahl-

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durchmesser von 0,5 2 mm am Austrittsfenster der Rubidiumdampf enthaltenden Zelle fokussiert. Die konfokalen Parameter für diese Brennweite lagen bei 40 cm, so daß sich ein über die Zellenlänge leicht konvergierender Strahl ergab. In Fig. 5 ist die Leistung in der dritten Oberwelle als Funktion der Rubidiumdampftemperatur dargestellt. Die ausgezeichnete Kurve gibt die theoretisch errechneten Werte an. Zu Vergleichszwecken wurden die Daten normalisiert.

Figur 6 zeigt Versuchsergebnisse, aus denen ersichtlich ist, daß der Phasenangleich von Rubdiumdampf durch Einführen eines Gases normaler Dispersion wie z.B. Xenon erfolgen kann, so daß sich die Wechselwirkung über mehrere Kohärenzlängen erzielen läßt. Für diesen Versuch wurde Xenon unter einem Druck von 81 Torr und mit einer Temperatur von 20 C in die Zelle eingeführt, und dann diese abgedichtet. Die Rechnung nach der Sellmaier-Gleichung zeigte, daß ein Phasenangleich bei einem Rubidiumdampfdruck auftreten würde, der einer Zellentemperatur von T = 2 62 ⁰C entspricht. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt. Wie daraus ersichtlich, übersteigt die Spitzenleistung bei gleicher Eingangsleistung und gleichem Brennpunkt im Falle des Phasenangleichs die mit reinem Rubidium erhaltene Leistung um etwa den Faktor 33.

Durch die beiden, vorstehend beschriebenen Versuche wird damit die Erzeugung dritter OberSchwingungsfrequenzen unter Verwendung von Metalldämpfen bestätigt und nachgewiesen, daß die Erzeugung der dritten Oberschwingungsfroquenzen

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wesentlich gesteigert oder unter einem höheren Wirkungsgrad erfolgen kann, wenn in die Zelle ein zum Phasenangleich dienendes zweites Gas normaler Dispersion eingeführt wird.

Bei-dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Zelle mit drei Eingangsfrequenzen ω., ω_ und ω_ be*- strahlt, wobei die von der Zelle abgegebene Ausgangsleistung in der vorstehend beschriebenen Weise angedeutet ist. ·

Vermittels des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich somit Strahlung einer Frequenz in solche einer anderen. Frequenz umsetzen.

- Patentansprüche -

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Claims (12)

Patentansprüche :

1.) Verfahren zur Frequenzumsetzung optischer Strahlung einer Frequenz in solche einer anderen Frequenz, dadurch gekennzeichnet , daß ein Metalldampf, der zwischen diesen Frequenzen liegende Atomresonanzen aufweist, mit einem Dampf oder Gas normaler Dispersion vermischt und die Konzentration des Metalldampfes und die des- Dampfes oder Gases so bemessen werden, daß die Geschwindigkeit der das Medium durchsetzenden Strahlung einer Frequenz gleich ist der bei der Umsetzfrequenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der einfallenden Strahlung in die der dritten Oberwelle umgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalldampf ein Alkalimetalldampf verwendet wird.

k. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas oder Dampf ein inertes Gas verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Xenon verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Frequenzumsetzung optischer Strahlung einer Frequenz in solche einer anderen Frequenz, zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der

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Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine Zelle (11), die Metalldampf enthält, eine zur Einhaltung einer vorbestimmten Konzentration des Metalldampfes innerhalb der Zelle dienende Vorrichtung (12) und durch eine zur Abgabe von zur Frequenzumsetzung bestimmter Strahlung durch die Zelle dienende monochromatische Strahlungsquelle (ω).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Zelle ,(11) enthaltene Metalldampf mit einem Gas oder einem Dampf normaler Dispersion vermischt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in-der Zelle enthaltene Metalldampf aus einem Alkalimetalldampf besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verhältnis von Metalldampfatomen zu Gas oder Dampf normaler Dispersion so bemessen ist, daß die Phasengeschwindigkeit der Strahlung bei der Grundfrequenz gleich ist der bei der Umsetzfrequenz.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Umsetzung der Strahlung einer Frequenz in solche der dritten Oberwelle ausgelegt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einhaltung einer vorbestimmten Metalldampfkonzentration innerhalb der Zelle dienende Vorrichtung aus einem zur Aufrechterhaltung einer erhöhten Zellentemperatur dienenden Ofen (12) besteht.

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12. Vorrichtung nach Anspruch I₉ wobei durch die monochromatische Strahlungsquelle Strahlung einer oder mehrerer Frequenzen in die Zelle abgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zelle (11) den Frequenzen (ω₁, ω_, ω~) der einfallenden Strahlung entsprechende Umsetzfrequenzen (+ω. +ω + ω₀)erzeugbar sind.

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