DE2363065A1

DE2363065A1 - Verfahren und anordnung zur erzeugung einer im infrarotbereich oder ultraviolettbereich liegenden abstimmbaren strahlung

Info

Publication number: DE2363065A1
Application number: DE2363065A
Authority: DE
Inventors: Rodney Trevor Hodgoson; John Robert Lankard; Peter Pititinovich Sorokin; James Jeffrey Wynne
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-03-21
Filing date: 1973-12-19
Publication date: 1974-10-03
Also published as: FR2222772A1; CA1016639A; JPS5010094A; US3816754A; FR2222772B1; GB1421607A; JPS5127991B2; DE2363065C2; IT999372B

Description

Böblingen, den 13. Dezember 1973

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 001

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung einer im Infrarotbereich oder UltraviQlettbereich liegenden abstimmbaren Strahlung

Infrarotquellen werden auf den verschiedensten Gebieten, beispielsweise auf den Gebieten der Spektroskopie, der Nachrichtenübertragung, der gesteuerten" örtlichen Erwärmung, und der Medizin verwendet. Die meisten bekannten Strahlungsquellen, insbesondere die zur Erzeugung kohärenter Strahlung verwendeten Laser, erzeugen jeweils nur Strahlungen einer bestimmten Wellenlänge. Die wenigen bekannten abstimmbaren Strahlungsquellen der genannten Art weisen jedoch nur beschränkte Abstimmungsbereiche und Leistungen auf. Außerdem ist ihre Zuverlässigkeit und Lebensdauer gering. Es sind zwar aus Bleichalcogeniden bestehende Halbleiterlaser bekannt, die innerhalb eines bestimmten Bereichs abgestimmt d.h. in ihrer Frequenz verändert werden können. Da ihre Arbeitstemperatur aber bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs liegt, sind die Anwendungsmöglichkeiten dieser Vorrichtungen sehr beschränkt. Ein weiterer Nachteil dieser Laser liegt ferner darin, daß die Abstimmung durch eine Änderung der Zusammensetzung der sie bildenden Substanzen erfolgt.

Ein anderer bekannter Laser mit veränderbarer Wellenlänge ist der im englischsprachigen Schrifttum als Spinn-Flip-Raman-Laser bekannte Laser _f bei^dem ein von einem Magnetfeld durchsetzter Halbleiterkörper bei tiefen Temperaturen der im 10 jpm-Bereich liegenden Strahlung eines C0_o-Lasers ausgesetzt wird. Durch

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Änderung des magnetischen Feldes kann die Wellenlänge dieses Raman-Lasers im Bereich zwischen 11 und 13 pm verändert werden. Bei Verwendung eins CO-Lasers kann die Wellenlänge in der Umgebung von 6 pm. in engen Grenzen verändert werden. Es sind auch Vorrichtungen bekannt, die aus einem Farbstofflaser und einem Rubinlaser bestehen _f deren Strahlungen auf einen LiNbO--Kristallfallen. Durch ein Mischen der Differenzfrequenzen kann, wie beispielsweise in der US Patentschrift 3 665 338 beschrieben, die Wellenlänge im Bereich zwischen 3 und 4,5 pm verändert werden. Die bekannten Infrarotstrahler erzugen somit entweder keine kohärente Strahlung oder erlauben im Falle kohärenter Strahlung nur geringfügige Veränderungen der Wellenlängen der erzeugten Strahlung. Es ist auch eine Anordnung zur Erzeugung einer UV-Strahlung bekannt, die aus einem abstimmbaren Farbstofflaser und einem nichtlinearen und nichtzentriachen Kr.-ista.il besteht, der die zweite harmonische der Farbstofflaserfrequenzen erzeugt. Mit dieser Anordnung können jedoch nur Strahlungen mit Wellenlängen in der Umgebung von 2500 S erzeugt werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Verfahren und eine Anordnung sur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem bei geringem technischem Aufwand eine Strahlung hoher Intensität und Eonstanz mit in weiten Grenzen veränderbarer Wellenlänge erzeugt werden kann, die entweder im ultraroten oder im ultravioletten Bereich liegt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Strahlung mit veränderbarer Frequenz durch Anregung einer nichtlinearen Substanz mit mindestens zwei kohärenten Strahlungen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein erster Laserstrahl mit einer ersten veränderbaren Frequenz einer nichtlinearen, einen bestimmten, mit dem Grundzustand durch einen Ramanprozeß verbundenen Energiezustand aufweisenden Substanz zugeführt wird und dort durch simulierte Raman-Streuung eine Strahlung erzeugt, deren Frequenz gleich ist der Differenz zwischen der Frequenz des ersten Laserstrahls und der der Energie-

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differenz zwischen den beiden Zuständen der nichtlinearen Substanz entsprechenden Frequenz, daß ein zweiter Laserstrahl mit einer zweiten veränderbaren Frequenz der nichtlinearen Substanz kolinear mit dem ersten Laserstrahl zugeführt wird, derart, daß die dort vorliegenden drei Frequenzen eine vierte Frequenz erzeugen, die durch Veränderung der zweiten Frequenz einstellbar ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht aus zwei Farbstofflasern mit veränderbarer Frequenz, von denen der erste eine erste Pumpfrequenz f_x und der zweite eine zweite Frequenz f_p erzeugt. Die Frequenzen f.. und f_p werden mit Hilfe von Prismen oder Spiegeln zu einem kolinearen Strahl zusammengefaßt und mittels einer Linse in eine in einem Ofen untergebrachte röhrenförmige Kammer fokussiert, die einen Alkalimetalldampf enthält. Die Pumpfrequenz f erzeugt im dampfförmigen Medium, durch einen elektronisch stimulierten Raman-Effekt eine dritte Frequenz f_g. Die Frequenz f_p wird mit den Frequenzen f^ und f_T gemischt, um eine Frequenz f zu erzeugen, wobei f = £+ - £„ + f_. Da f_ - f_c eine Konstante K darstellt, kann die

Jj b -tr Jj O

erzeugte Frequenz durch die Beziehung f = K + f_ definiert

Iv Jr

werden. Da die Differenz K - f_ ohne weiteres sehr klein gemacht werden kann, ist es auch möglich, den Abstimmbereich der Vorrichtung bis in den fernen Ultrarotbereich zu erstrecken. Die Summe K + f_p bewirkt, daß der Abstimmbereich bis ins Ultraviolett reicht. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteränsprüchen.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines bevorzugten

Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 ein Energieniveauschema zur Veranschaulichung

eines parametrischen Vierwellenmischprozesses

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zur Erzeugung einer abstimmbaren, im Infrarotbereich liegenden Strahlung mit Hilfe einer
Rubidiumdampfzelle,

Fig. 3 ein Energieniveauschema zur Veranschaulichung

eines parametrischen Vierwellenmischprozesses zur Erzeugung einer abstimmbaren, im Infrarotbereich liegenden Strahlung mittels einer
Kaliumdampfzelle,

Fig. 4 die schematische Darstellung der Intensitätsänderung einer stimulierten Raman-Stokes-Emission im Falle von Kaliumdampf als Funktion der Pumpfrequenz für zwei verschiedene Drücke des Kaliumdampfes _t

Fig. 5 ein Energieniveauschema zur Veranschaulichung

eines parametrischen Vierwellenmischprozesses zur Erzeugung einer abstimmbaren, im Ultraviolettbereich liegenden Strahlung mit Hilfe
einer RubidiumdampfzeHe.

Die in Fig. 1 dargestellte, zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung enthält zwei abstimmbare Farbstofflaser 2 und 4, die durch einen gemeinsamen dritten Laser 6 gepumpt werden. Das Pumpen der beiden Farbstofflaser 2 und 4 kann beispielsweise durch einen Stickstofflaser oder durch Blitzlampen erfolgen. Im zuletzt genannten Fall muß jedoch für eine Synchronisation der Ausgangsstrahlungen der beiden Laser
Sorge getragen werden. Die Frequenz der vom Laser 2 erzeugten
Strahlung wird im folgenden als Pumpfrequenz f_ und die Frequenz

J-I

der vom Laser 4 erzeugten Strahlung mit f_p bezeichnet. Ferner sind Spiegel 8 und 10 vorgesehen, die die beiden, die Frequenzen f_T

und fp enthaltenden Strahlen zu einem kollinearen Strahl 12 zusammenfassen. Dieser Strahl wird durch eine Linse 14 in eine
einen Alkalimetalldampf enthaltende röhrenförmige Kammer 18

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eines Ofens 19 fokussiert. Als besonders geeignet haben sich Lithium-, Natrium-, Kalium-, Cäsium- und Rubidium-Dämpfe erwiesen. Für jedes Alkalimetall sind bestimmte Farbstofflösungen für die Laser 2 und 4 erforderlich. Die Kammer 18 ist auf der den Lasern 2 und 4 zugekehrten Seite durch ein Fenster 16 verschlossen, das für die Frequenzen f_T und f_. durchlässig ist,

la ir

während die gegenüberliegende Seite der Kammer 18 durch ein Filter 22 verschlossen ist, das für Strahlungen im Bereich von 2 bis 200 μ oder für Strahlungen im ultravioletten Bereich durchlässig ist. Die Kammer 18 wird durch den sie umgebenden Ofen 19 auf einer Temperatur gehalten, bei der der Druck des Alkalimetalldampfes einige Torr beträgt.

Für eine Beschreibung der Funktion der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird auf Fig. 2 bezug genommen. Die Alkalimetalldampffüllung 20 der Kammer 18 besteht aus Rubidiumdampf. Um den für Rubidiumdampf erforderlichen Druck von 2 bis 20 Torr zu erhalten, wird die Kammer 18 auf eine Temperatur von 400 bis 500 C erwärmt. Das Energieniveauschema für Rubidium ist in Fig. 2 wiedergegeben. Die Resonazlinien 5s bis 6p treten bei 4202 und 4216 A auf, was einer Differenz von 78 cm entspricht. Die Frequenz des durch einen Stickstofflaser gepumpten Farbstofflaser 2 wird durch ein Beugungsgitter oder ein anderes an sich bekanntes frequenzbestimmendes, nicht dargestelltes Mittel auf eine Frequenz eingestellt, die in der Nähe der Frequenz der Resonanzlinien 6 und 6 liegt. Der Farbstofflaser 2

^p3/2 ^pl/2

kann beispielsweise eine Toluollösung mit zweiwertigem MSB enthalten. Gleichzeitig wird der Farbstofflaser 4 durch den gleichen Stickstofflaser 6 gepumpt und erzeugt einen Strahl mit der Frequenz fρ. Die durch die beiden Laser 2 und 4 erzeugten Strahlen werden, wie oben angegeben, zu einem kollinearen Strahl 12 zusammengefaßt und der Rubidiumdampf enthaltenden Kammer 18 zugeführt. Ist die Intensität des die Frequenz f_ aufweisenden Strahles groß genug, so tritt stimulierte Raman-Streuung (SRS) im Rubidiumdampf 20 auf, wodurch ein Strahl mit einer Frequenz f_c er-zeugt wird. Der Schwellwert für das Auftreten des SRS-Prozesses wird durch

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die Nähe der Resonanz von f_ mit den 6 Zuständen wesentlich

L ■ ρ

herabgesetzt. Dieser Vorteil kann dadurch erreicht werden, daß die Frequenz der Strahlung des Lasers 2 in der Nähe dieser Zustände eingestellt wird. Die stimulierte Raman-Streuung tritt für den 6s-Zustand mit f_g % 3660 cm" und \„ %, 2,73 pm auf.

Die drei Wellen mit den Frequenzen f_T , f_e und f_ erzeugen eine

J-IO IT

nichtlineare Polarisation im Bereich einer vierten Frequenz f_. und bewirken die Erzeugung eines diese Frequenz aufweisenden Strahles. Da f = E(6 )/h - f_, wobei E(6 ) = der Energiedifferenz

xs. S x. S

zwischen dem Zustand 6 und dem Grundzustand 5 und h die

s s

Planck'sehe Konstante ist. Mu f bei einer bestimmten Farblösung im Farbstofflaser 4 innerhalb eines Bereiches von 1500 cm eingestellt werden kann, kann die Frequenz der erzeugten vierten .Welle im infraroten Gebiet innerhalb eines Bereiches von 1500 cm abgestimmt werden. So kann beispielsweise mit einer einzigen Färblösung im Laser 4 eine innerhalb des Bereiches von 2,5 pm (4000 cm ) bis 4 pm (2500 cm" ) einstellbare Strahlung erzeugt werden. Durch Verwendung anderer Farbstoffe im Laser 4 können beliebige andere,· etwa den gleichen Umfang aufweisende Bereiche im Infrarotgebiet erzielt werden.

Der hohe Wirkungsgrad des erfindurigsgemäßen Verfahrens wird auch durch den durch Resonanz erhöhten nichtlinearen Koeffizienten der dritten Ordnung χ bestimmt» Der Ausdruck für χ enthält frequenzabhängige Resonanz-Nenner, die aus Faktoren bestehen, deren Realteile (f_fip - f_L) , (f_&s - f_L + f_g) und" (f_6p - f_L + f_g + f_p) wobei f_c = E(6_)/h und f_c = E(6 )/h ist. Der erste dieser

bS S "1? I?

Ausdrücke ist angenähert gleich Null, während der zweite identisch Null ist, so daß eine große Resonanzverstärkung von χ auftritt.

Eine weitere Ursache für den guten Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der großen Kohärenzlänge L , die durch die Beziehung

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C Δη_ An_c Δη_ρ Δη

^{A A λ}

wobei Δη. = η. -1, und η. der Berechnungsindex bei der Wellenlänge λ. ist. Der Betrag der parametrisch erzeugten Leistung

¹ 2

bei f„ wird um den Faktor (L /L) von ihrem theoretischen Maxiraum herabgesetzt, das durch die Beziehung

¹R = ' ^²Vs¹P

bestimmt wird, wobei K eine Konstante, L die Länge der Dampffüllung 20 in der Kammer 18 und χ der Ausdruck für die Nichtlinearität dritter Ordnung dieses Dampfes ist. Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten, L auf einen Maximalwert zu bringen. Das

C ■ ·

kann beispielsweise durch eine geeignete Einstellung der Frequenz f erfolgen. Der Nenner des Ausdruckes der Gleichung (1) kann durch Einstellung der Frequenz f_T gleich Null gemacht werden. Ein signifikanter Beitrag zu Δη erfolgt durch die 6 -Resonanzlinien als Ergebnis ihrer Nähe zu f_L. Auf diese Weise kann durch Änderung von f_T der Ausdruck Δη geändert werden, um den

Jb Ij

Nenner gleich Null zu machen. Dies ist ein bekanntes Verfahren zur Phasenabstimmung.

Der Wert L kann auch dadurch vergrößert werden, daß dem in der Kammer 18 befindlichen Medium aus anderen Alkalimetalldämpfen bestehende Zusätze (Natrium, Kalium, Cäsium) beigegeben werden. Durch derartige Zusätze wird der Brechungsindex für die vier Frequenzen im wesentlichen aufgrund der beiden Hauptresonanzlinien des Dampfes (5896 8 und 5890 S Linien bei Natrium) beeinflußt. Auf diese Weise kann die Anordnung "vorgespannt" werden, so daß eine Phasenabstimmung mit einer Einstellung von f im Bereich hoher Raman-Kräfte (siehe Fig. 3) erfolgen kann. Um f_, in verschiedenen Bereichen des Infrarotgebietes zu erzeugen, kann die "Vorspannung" geändert und f_ in seiner optimalen Lage für die

JLi

Raman-Emission gehalten werden. In einem konzentrischen Wärme-

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rohofen können beliebige Mischungen von zwei Alkalimetalldämpfen untergebrächt werden.

Wie schon oben näher beschrieben, wird die Frequenz f_n der im nichtlinearen Medium 20 erzeugten Strahlung durch die veränderbare Frequenz f_p des im Laser 4 erzeugten Strahls bestimmt, während die Amplitude des erzeugten Strahls durch die Frequenz f_T des Lasers 2.durch die veränderbare Zusammensetzung des Dampf gemisches oder durch beides bestimmt wird, und zwar durch eine maximale Einstellung der Kohärenzlänge L für eine bestimmte Frequenzeinstellung f_p. Tritt eine Änderung der Kohärenzlänge während der Dauer eines Laserimpulses dadurch auf, daß der 6s-Zustand in der Kammer signifikant besetzt wird, so kann f_L auf empirische Weise eingestellt werden und zum Zeitpunkt des Auftretens der Impulsspitze eine maximale Kohärenzlänge zu erhalten.

In Fig. 3 werden die Zustände veranschaulicht, die bei Verwendung von Kaliumdampf als nichtlineares Medium in der Kammer 18 vorliegen. Die 4s bis 5p Resonanzlinien treten bei 4044 und 4047 R entsprechend einer Differenz von 18,76 cm auf. Wird der durch den Stickstofflaser 6 gepumpte Farbstofflaser 2 so abgestimmt, daß seine Frequenz in der Nähe dieser Linien liegt, dann tritt stimulierte Ramanstreuung in bezug auf den 5s-Zustand mit fg % 3690 cm"¹ und λ £ 2,7 pm auf. Wird als Alkalimetalldampf Kaliumdampf genommen, so wird als Farbstoff für den Laser 2 zweckmäßigerweise eine Äthanollösung mit 2-hydroxy-4-methyl-7-aminoquiline verwendet.

Alkalimetalldämpfe sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft, da sie eine leichte Abstimmung in weiten Bereichen dadurch ermöglichen, daß der Dampf stark durchlässig für die erzeugte Infrarotstrahlung ist. Darüberhinaus verhindert die Inversionssymmetrie des Systems ein nichtlineares Mischen im Bereich der dritten Ordnung nicht, während ein Mischen im Bereich der zweiten Ordnung einen azentrischen Kristall erfordert. Der resultierende Strahl, dessen Frequenz im infraroten

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Gebiet liegt, ist mit der nichtlinearen Polarisation des die Infrarotstrahlung erzeugenden Dampfes oder des oben genannten "vorspannenden" Zusatzes phasenabgestimmt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Abstimmbarkeit der Frequenz f . Bei Verwendung eines Hochleistungslasers zur Erzeugung der Frequenz f und wenn p-Niveaus erreicht werden können, die höher sind als 5p, so ergibt sich eine Reihe von mäßig breiten Sprektralgebieten, in deren Bereich f_c abgestimmt werden kann.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren findet sowohl abstimmbare stimulierte Ramanstreuung als parametrische Vierwellenumwandlung statt. Dabei ist zu beachten, daß bei der parametrischen Vierwellenumwandlung eine bessere Abstimmbarkeit als bei Verwendung der stimulierten Ramanstreuung erhalten wird.

Bei der parametrischen Vierwellenumwandlung in Alkalimetalldämpfen spielt auch die elektronische Ramanemission eine Rolle. In Fig. 4 wird die Veränderung der Ramanemission als Funktion von f_T und des Druckes des Natriumdampfes in der Kammer 18 dargestellt, wenn dieser Druck von 0,2 bis 20 Torr verändert wird und wenn die Spitzenleistung des Strahls mit der Frequenz f 100 Watt überschreitet. In Fig. 4 zeigt die Kurve A die gemessenen Intensitätsänderungen des Raman-Stokes Strahls bei f_g bei niedrigen Drücken von beispielsweise 0,5 Torr als Funktion von f . Dabei ist

— 1 . L·

f £ 3700 cm (λ £ 2,7 pm). Die Kurve B in Fig. 4 zeigt die gleichen gemessenen Veränderungen der Raman-Stokes Intensität, bei einem Kaliumdampfdruck in der Nähe von 20 Torr. Eine Erhöhung des Kaliumdampfdruckes führt zu keinen wesentlichen Änderungen der Kurve B.

Außer dem bisher beschriebenen Verfahren zur Erzeugung einer in weiten Grenzen abstimmbaren oder veränderbaren Infrarotstrahlung ist es auch möglich, das Verfahren als Vierwellenmischprozeß zur Erzeugung einer in weiten Grenzen abstimmbaren Ultraviolettstrahlung auszugestalten. Die Verhältnisse werden durch das in

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~ J.U —

Fig. 5 dargestellte Diagramm verdeutlicht. Die Laser 2 und 4 sind, wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 2 angegeben, Farbstofflaser. Die nichtlineare Susceptibilität wird in der gleichen Weise wie oben beschrieben, durch Resonanz erhöht. Um die Erzeugung von Ultraviolettstrahlung auf·Kosten von Infrarotstrahlung stark zu erhöhen, muß der vorbeschriebene Prozeß unter Phasenabstimmung ablaufen. Im allgemeinen wird nur einer der beiden Prozesse phasenabgestimmt verlaufen und daher von ausschlaggebender Wirkung sein. Die Kohärenzlänge für die in Fig. 5 wiedergegebenen Verhältnisse wird im Gegensatz zu den durch die Gleichung (1) wiedergegebenen Verhältnisse durch folgende Gleichung definiert:

c Δη Δη Δη Δη

9 f E: 4- _ - - —\

A λ λ X

Der Unterschieden zwischen den beiden Beziehungen liegt in dem Vorzeichen der Thermes Δη_ρ/λ_ρ im Nenner. Bei Phasenabstimmung durch Einstellung von f_ werden verschiedene'Werte dieser

Ij

Frequenz benötigt, um in den beiden Fällen den Nenner gleich Null zu machen. Wie im Falle der Erzeugung von Infrarotstrahlung mit hohem Wirkungsgrad sollte f " ebenfalls so eingestellt werden, daß eine intensive stimulierte Ramanstreuung entsteht, d.h. f_T sollte so eingestellt werden, daß es einem der in Fig.

4 dargestellten Maxima entspricht. Ist dies mit einer Phasenabstimmung in reinem Rubidiumdampf nicht verträglich, so sollte ein zweiter Alkalimetalldampf in die Kammer 18, wie im Zusammenhang mit der Erzeugung von Infrarotstrahlung erläutert, eingeführt werden.

Im folgenden wird eine weitere Betriebsart angegeben, die zwar eine geringere Abstimmbreite aufweist, jedoch für Anwendungen mit höherem Energiebedarf nützlich sein kann. Dabei wird nur ein Laser, beispielsweise der Laser 2 benötigt. Bei den durch Fig.

5 wiedergegebenen Verhältnissen wird f„ gleich f_T gesetzt. Der

Jr Jb

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dann eintretende Vierwellenmischprozeß erzeugt ultraviolette Strahlung mit einer Frequenz fL = 2f_ - f_o. Die Kohärenzlänge

JA Jj D

wird definiert durch die Beziehung

Δη_ο 2Δη_τ
E. „. ϊί\

wobei für eine maximale Ausgangsleistung der Nenner der Gleichung (4) annähernd gleich Null gemacht werden soll. Die bei Verwendung eines einzigen Lasers nach diesem Verfahren erzeugte Ultraviolettstrahlung kann nur in einem Umfang verändert werden, der durch die Breite der Raman-Intensitätsverteilung nach Fig. 4 gegeben ist. Für jedes f kann die Phasenabstimmung durch Zusatz■ eines weiteren Alkalimeta.1 !dampfes erreicht werden.

Ein dazu analoges Verfahren kann durch Gleichsetzung von f und f_s unter den in Fig. 2 dargestellten Verhältnissen durchgeführt werden. Der Ausgangsstrahl weist die Frequenz f_n = f_ - 2f_o auf.

K Li ο

Bei Verwendung von Rubidium- und Kaliumdampf mit den in den Fign. 2 und 3 angegebenen Energieniveaus liegt f im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Mit den beschriebenen Verfahren und Anordnungen kann eine kontinuierlich veränderbare Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung mit engster Bandbreite erzeugt werden. Diese Strahlung kann in Form von kurzen Impulsen mit hohen Wiederholungsfrequenzen auftreten.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Erzeugung einer Strahlung mit veränderbarer Frequenz durch Anregung eines nichtlinearen Mediums mit mindestens zwei kohärenten Strahlungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Laserstrahl mit einer ersten veränderbaren Frequenz (f_) einem nichtlinearen, einen bestimmten mit dem Grundzustand (4s, 5s) durch einen Raman-Prozeß verbundenen Energiezustand aufweisenden Medium (20) zugeführt wird und dort durch stimulierte Raman-Streuung eine Strahlung erzeugt, deren Frequenz (f„) gleich ist der Differenz zwischen der Frequenz (f_T) des ersten Laserstrahls und der der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen des nichtlinearen Mediums entsprechenden Frequenz, und daß ein zweiter Laserstrahl mit einer zweiten veränderbaren Frequenz (f_p) dem Medium kolmear mit dem ersten Laserstrahl zugeführt wird, derart, daß die dort vorliegenden drei Frequenzen eine vierte Frequenz (f„) erzeugen, die durch die Veränderung der zweiten Frequenz (f ) einstellbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserstrahlen einem Medium (20) zugeführt werden, das neben dem mit dem Grundzustand über einen Raman-Prozeß verbundenen Energiezustand noch weitere, insbesondere Zwischenenergiezustände aufweist, deren Frequenzen angenähert in Resonanz mit der ersten Frequenz sind.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f ) des ersten Lasers (2) auf einen Wert einstellbar ist, der mit der Phase des die Ausgangsstrahlung (Frequenz f_) erzeugenden Vierwellengemisches abgestimmt ist, wobei die Frequenz (f_o) der erzeugten Infrarot-Ausgangsstrahlung gleich der Frequenz (fj.) des ersten Lasers (2) minus der dritten Frequenz minus der zweiten Frequenz ist.

^{Y0 973} °⁰¹ 409840/0688
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die PhasenabStimmung durch den Zusatz weiterer nichtlinearer Substanzen zum nichtlinearen Medium (20) bewirkt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f_L) des ersten Lasers (2) auf einen Wert einstellbar ist, der mit der Phase des die Ausgangsstrahlung (Frequenz f ) erzeugenden Vierwellengemisches abgestimmt ist, wobei die Frequenz der erzeugten ültraviolettausgangsstrahlung gleich der ersten Frequenz (f_T) des ersten Lasers (2) minus der

Lj

dritten Frequenz (f ) plus der zweiten Frequenz (f ) ist.
6. Verfahren zur Erzeugung einer kohärenten Ultraviolettstrahlung mit veränderbarer Frequenz (f ) durch Anregung eines Mediums mit einer kohärenten Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl mit einer ersten Frequenz (f_T) einem nichtlinearen, einen bestimmten mit dem Grundzustand durch einen Ramanprozeß verbundenen Energiezustand aufweisenden Medium (20) zugeführt wird, und dort durch eine stimulierte Ramanstreuung eine Strahlung erzeugt, deren Frequenz (f_) gleich ist der Differenz zwischen der ersten Frequenz (f_T) des ersten

Lj

Lasers (2) und der der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen des angeregten Mediums entsprechenden Frequenz, wobei durch Mischung der ersten Frequenz mit sich selbst und der dritten Frequenz eine vierte Frequenz (f_.) entsteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz (f_T) des ersten Lasers (2) veränderbar ist,

Li

und das nichtlineare Medium außer dem ersten Energiezu-· stand noch weitere Energiezustände, vorzugsweise Zwischenenergiezustände aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß YO 973 001

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eine Phasenabstimmung durch Abstimmung der Frequenz des Lasers erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenabstiinmung durch Beigabe von zuästzliehen nichtlinearen Substanzen zum anregbaren nichtlinearen Medium (20) erfolgt.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein in einer heizbaren Kammer (18) untergebrachtes nichtlineares Medium (20) mit einem durch einen Raman-Prozeß mit dem Grundzustand verbundenen Energiezustand und mindestens *zwei Lasern (2, 4) mit einstellbaren Frequenzen (f , f ).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ganz- und halbreflektierende Spiegel (8, 10) und eine Linse (14) zur kollinearen Zuführung der beiden Laserstrahlen zum nichtlinearen Medium (20).
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Medium zentralsymmetrisch ist.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Medium aus einem gasförmigen Dampf besteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare aus einem Alkalimetalldampf bestehende Medium, beispielsweise aus Kaliumdampf, Natriumdampf, Rubidiumdampf, Cäsiumdampf oder Lithiumdampf besteht.

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