DE2407010A1 - Photochemischer laser - Google Patents

Description

Böblingen, den 8. Februar 19 pr-fe-f r 2407010

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 002

Photochemischer Laser

Die Erfindung betrifft einen photochemischen Laser mit einem aus einem beliebigen Perfluoralkyljod oder Alkyljod bestehenden, eine Steigerung der Leistung bewirkende Zusätze enthaltenden aktiven Material und einer Vorrichtung zum optischen Pumpen.

Es ist bekannt, daß in den Resonatorhohlräumen von Lasern, deren aktives Material aus Jodverbindungen besteht, die erregten Jodatome Iw₂* im folgenden als I* bezeichnet, durch die Reaktion CF₃I+hv'-^CF₃.+I* entstehen. Durch diese Reaktion entstehen aber auch Jodmoleküle, durch die aber eine Dämpfung bzw. eine Auslöschung der erregten Jodkomponenten und somit eine starke Herabsetzung des Wirkungsgrades des Lasers bewirkt wird.

In der US-Patentschrift 3 529 261 wird ein Jodlaser beschrieben, dessen Ausgangsleistung in gewissem Umfang durch Alkalizusätze verbessert wird. Trotz der bei diesem Verfahren zum Teil nur mit hohem technischen Aufwand realisierbaren Randbedingungen konnten die erzielten Ergebnisse nicht voll befriedigen.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, die Ausgangsleistung von Lasern der obengenannten Art weiter zu verbessern und steuerbar zu machen, indem dem aktiven Material Zusätze beigegeben werden, für die keine besonderen technischen Vor-

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kehrungen erforderlich und keine schwierig zu erfüllenden Randbedingungen einzuhalten sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen photochemischen Laser mit einem aus einem beliebigen Perfluoralkyljod oder Alkyljod bestehenden, eine Steigerung der Leistung bewirkende Zusätze enthaltenden aktiven Material und einer Vorrichtung zum optischen Pumpen gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen dem aktiven Material beigefügten, aus einem freien Radikal bestehenden oder ein solches Radikal erzeugenden Zusatz, der durch die Pumpvorrichtung gleichzeitig mit dem aktiven Material photolysiert wird. Diese zu injizierenden oder auf andere Weise zuzuführenden freien Radikale können beliebige mehratomige Substanzen mit einem unpaarigen Atom sein und werden dem Laser von einer besonderen Quelle bzw. durch eine bestimmte Quellsubstanz zugeführt. Durch die Zuführung der genannten Substanzen entsteht eine Verarmung des im Grundzustand befindlichen Jods und von Jodmolekülen, durch die die Emission des Lasers beeinträchtigt wird. Darüberhinaus wird die als Quellsubstanz dienende Substanz durch das Pumpen des Lasers gleichzeitig mit dem aktiven Material photolysiert, so daß zusätzlich freie Radikale entstehen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird bei den bekannten Jodlasern, deren aktive Materiale PerfluoralkyIjodide oder Alkyl j odide enthalten, nicht nur die Energie der Laserimpulse sondern auch ihre Dauer vergrößert.

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

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Jod-Lasers

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Vorrich

tung zur Zuführung der die freien Radikale erzeugenden Quellsubstanz

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Fig. 3 die schematische Darstellung der Abhängigkeit

der relativen Lichtintensität des Lasers als Funktion der Impulsdauer

Fig. 4 eine Aufstellung zur Veranschaulichung der

Abhängigkeit der relativen Laserintensität vom Druck des zugeführten freien Radikals.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem elliptischen Körper 2, dessen innere Fläche 4 für das von einer in einem Brennpunkt der Ellipse angeordneten Blitzlampe 6 ausgehende Licht hochreflektierend ausgebildet ist. Im zweiten Brennpunkt des elliptischen Körpers 2 ist eine durchsichtige Röhre 8 angeordnet, die sowohl das die Laseremission erzeugende Jod, als auch das diese Emission verbessernde freie Radikal enthält. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der elliptische Körper 2 in einem Gehäuse 10 untergebracht, wobei die durchsichtige Röhre so ausgebildet ist, daß die erforderlichen Substanzen sowohl in den Laserresonator eingeführt als auch aus diesem abgeführt werden können.

Obwohl in Fig. 1 ein Laser mit einem spiegellosen Resonator dargestellt wird, ist es selbstverständlich auch möglich, im Zusammenhang mit der Erfindung auch andere Arten von Resonatorhohlräumen, beispielsweise Fabry-Perot-Hohlräume zu verwenden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ist ferner ein Detektor 12 vorgesehen, der z.B. als Indium-Antimonid-Detektor ausgebildet werden kann, mit dessen Hilfe, beispielsweise über einen geeigneten Oszillographen, die Ausgangsimpulse des Lasers überwacht werden können.

Zur Funktion des erfindungsgemäßen Lasers wird darauf hingewiesen, daß bei den bekannten photochemischen Jodlasern folgende grundlegende Reaktionen stattfinden:

(1)	973	CF	3I+hv *	CF3+I*	und
(2)	I*	·*■ I+hv	(Laser)
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Durch Einführung von CF₃I und von Hexafluoroazomethane CF₃NNCF₃ (HFAM), die beide vor Gebrauch in flüssigem Stickstoff entgast werden, in die Röhre 8 und durch Betätigung der Blitzlampe 6 entsteht eine Strahlungsintensität, die weit über der Strahlungsintensität eines Jodlasers ohne dem freien Radikal liegt.

Wenn auch fast jedes freie Radikal die gewünschte Wirkung im gewissen Umfange herbeiführt, hat es sich gezeigt, daß CF «Radikale, die den Jodiden im Laser vor der Photolyse zugeführt werden, besonders vorteilhaft sind. Das trifft insbesondere für CF₃NNCF₃, CF₃COCF₃ und CF₃NO zu. Die gleichen vorteilhaften Wirkungen haben auch Methylradikale, wobei besonders vorteil hafte Quellen für CH₃ Azomethan, Azeton und CH₃NO sind. Bei Einführung von CF₃I bei einem Druck von 40 Torr in den Laserresonator entsteht durch die Jodatome bei einer Blitzdauer der Lampe 6 von 20 ps ein 1,3 um-Laser-Impuls mit einer Energie von 265 Millijoules. Bei Hinzufügung von CF₃NNCF- in den Laserresonator unter einem Druck von 10 Torr entstand ein Ausgangssignal mit einer Energie von 360 Millijoules, während bei einem Druck von 20 Torr die Ausgangsenergie des Lasers 460 Millijoules betrug.

In der in Fig. 4 dargestellten Tafel werden die Verhältnisse dargestellt, die bei einem konstanten Druck von CF₃I vorliegen, wenn der Druck des HFAM-Zusatzes von 0 zu 30 Torr geändert wird. Aus der Tafel geht hervor, daß das Maximum der von einem Jodlaser emittierten Gesamtenergie bei einem Druck des HFAM von 20 Torr liegt und anschließend bei größer werdenden Drücken wieder kleiner wird. Es wird angenommen, daß die maximale Zersetzung des HFAM bei 20 Torr liegt, wobei auch die maximale Energieabgabe erfolgt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wächst die Impuls-, länge mit größer werdenden Drücken für HFAM.

Im folgenden wird eine mögliche Erklärung zur Veranschaulichung der beim erfindungsgemäßen Laser ablaufenden Vorgänge gegeben. Die oben angegebenen Gleichungen (1) und (2) beziehen sich auf YO 9 73 002

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die bekannten Jodlaser, bei denen keinerlei Zusätze verwendet werden. Bei Verwendung eines Zusatzes, beispielsweise von CF₃NNCF₃ gelten folgende Reaktionen

(3) CF₃NNCF₃+ hv->-2CF₃+N₂

(4) CF

(5) CF^₃

(6) cf₃+i*-h:f₃i .

Durch die Reaktion (4) wird molekulares Jod aus dem Resonator entfernt, das, wie oben erläutert, auf I* eine stark dämpfende bzw. löschende Wirkung ausübt. Dieser Vorteil wird teilweise durch die Einführung eines weiteren Jodatoms rückgängig gemacht, da dadurch die Entstehung einer Besetzungsinversion verzögert wird. Da es sich aber hierbei um einen relativ langsamen Vorgang handelt, wird er erst gegen Ende eines Pumpblitzes wirksam.

Die Reaktion gemäß Gleichung (5) ist besonders vorteilhaft, da durch sie die Umkehr der Besetzungsdichten aufrechterhalten und dadurch sowohl die Länge eines Laserimpulses als auch das Vorliegen von CF₃~Radikalen gefördert wird.

Eine weitere Wirkung von HFAM besteht darin, daß es als Falle für CF₃~Radikale wirkt, die es selbst erzeugt oder die durch das Vorhandensein von CF₃I entstehen, wie aus den folgenden Gleichungen zu ersehen ist.

(7) CF^CF₃NNCF₃-*- (CF₃ J₃NNCF₃ und

(8) CF₃+(CF₃) ₂NNCF₃-»-(CF₃)₂NN (CF₃ J₂ .

Da die Absorption von HFAM schwächer als die von CF_I ist, ist zu erwarten, daß bei hohen Drücken von CF₃I die Photodissoziation von HFAM wirksam wird und seine Wirkung als Falle für CF₃-Radikale vorherrschend ist. Unter diesen Bedingungen wird die

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durch den Laser erzeugte Strahlung herabgesetzt, wobei dieser Effekt über die gesamte Dauer eines Laserimpulses wirksam bleibt.

Für geringe CF.^-Konzentrationen wird ein Zusatz von HFAM (4 Teile CF₃I und 1 Teil HFAM) die am Ausgang des Lasers auftretende Strahlung um 40 % vergrößern. Dieser Effekt wird mit größer werdendem Druck von HFAM anwachsen. Das ist auf die vollständige Zersetzung von HFAM zurückzuführen, durch die eine Erhöhung der Konzentration von CF₃-Radikalen erfolgt. Bei einem Verhältnis von CF₃LHFAM von 4:3 wird die Ausgangsstrahlung f des Lasers anfangen abzufallen, obwohl sie größer ist als bei reinem CF₃I bei gleichem Druck. Dieser Vorgang ist darauf zurückzuführen, daß HFAM nicht vollkommen dissoziert wird, wobei das nicht zersetzte Material die vorteilhafte Wirkung des CF₃ rückgängig macht. Es ist daher wesentlich, den Druck von HFAM gemäß den Reaktionsbedingungen zu optimieren.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Photochemischer Laser mit einem aus einem beliebigen
   Perfluoralkylxod oder Alkyliod bestehenden, eine Steigerung der Leistung bewirkende Zusätze enthaltenden aktiven
   Material und einer Vorrichtung zum optischen Pumpen,
   gekennzeichnet durch einen dem aktiven Material beigegebenen, aus einem freien Radikal bestehenden oder ein solches Radikal erzeugenden Zusatz, der durch die Pumpvorrichtung gleichzeitig mit dem aktiven Material
   photolysiert wird.
2. 2. Photochemischer Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet
   durch eine Vorrichtung zur Einführung des Zusatzes in

   den Resonator.
3. 3. Photochemischer Laser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das freie Radikal erzeugende Substanz aus Hexafluoroazomethan besteht.
4. 4. Photochemischer Laser nach den Ansprüchen 1 bis 3,
   dadurch gekennzeichnet, daß das freie Radikal ein
   Methylradikal ist.
5. 5. Photochemischer Laser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das freie Radikal erzeugende Substanz aus CF₃COCF₃ besteht.
6. 6. Photochemischer Laser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Radikal aus CF₃ besteht.
7. 7. Photochemischer Laser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das freie Radikal erzeugen-' de Substanz aus Azomethan besteht.
8. 8. Photochemischer Laser nach einem oder mehreren der vor-YO 973 002

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   hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das freie Radikal erzeugende Substanz aus Azeton besteht.

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