DE2409940A1 - Verfahren zum erzeugen eines strahlungsimpulses hoher leistung und photochemischer jodlaser zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

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j 1. Harz 1374

9268-73 Dr.ν.Β/Ε

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung

der Wissenschaften e.V. 3400 Göttingen, Bunsenstraße 10

Verfahren zum Erzeugen eines Strahlungsimpulses hoher Leistung und photochemischer Jodlaser zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Schwierigkeiten beim Bau von Höchstleistungslasern, die Festkörpermaterialien als aktive, stimulierbare Lasersubstanz enthalten, führten in den letzten Jahren zur Suche nach geeigneten gasförmigen Lasersubstanzen. Gaslaser haben im Vergleich zu Festkörperlasern einige entscheidende Vorteile: Große geometrische Dimensionen können relativ leicht verwirklicht werden und die Lasersubstanz kann schnell und ohne große Kosten ersetzt werden. Die optische Qualität ist unabhängig von der Größe des Aufbaues; die Zerstörungsgrenze liegt um ein bis zwei Größenordnungen über der von Festkörpern. Schließlich lassen sich Strahlungsbündel mit lediglich durch die Beugung begrenzter Divergenz ohne große Schwierigkeiten erreichen.

Auf der anderen Seite gibt es schwerwiegende Begrenzungen für Gaslaser: Der große Wirkungsquerschnitt für induzierte Emission führt schon bei geringen Inversionen zu so

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hohen Verstärkungen, daß der Laser bereits bei kleinen gespeicherten Energien zur Selbsterregung neigt. Die mit den bekannten Gaslasern erreichbaren Leistungen werden ferner durch Stoßdesaktivierungsprozesse begrenzt.

Ein im Hinblick auf hohe Strahlungsleistungen vielversprechender Gaslaser ist der photochemische Jodlaser, der mit einem gasförmigen Gemisch chemischer Substanzen arbeitet, deren aktiver Bestandteil eine der photolytischen Spaltung ("Blitzliehtphotolyse") zugängliche organische Jodverbindung ist. Unter dem Einfluß eines Lichtimpulses werden in einem solchen gasförmigen Gemisch Jodatome im spektroskopischen Zustand

2
5 P_1/o freigesetzt, die zur Abstrahlung kohärenten Lichtes

I f mm

(Laserstrahlung) veranlaßt werden können.

Vereinfachend lassen sich diese Vorgänge durch die folgenden beiden chemischen Gleichungen beschreiben, in denen R ein organischer Molekülrest ist:

(1) RJ + Photolyselicht + R + J (5²P_1/2)

(2) J (5²P_1/2) ■*■ J(5²P_3/2) + Laserstrahlung

Neben der phptochemischen- Spaltungsreaktion gemäß Gleichung (1) tritt noch eine Reihe chemischer Sekundärreaktionen auf, die teilweise für den Laserbetrieb von Bedeutung sind. Auf diese Reaktionen wird, soweit für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, noch eingegangen werden.

über die Laseremission von Jod unter ähnlichen wie den hier geschilderten Bedingungen wurde erstmals von Kasper tlfod Pimentel 1965 berichtet: J.V.V. Kasper, G.C. Pimentel, Appl.Phys.Lett.J5., 231 1964; J.V.V. Kasper, J.H. Parker,

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G.C. Pimentel, Phys.Rev. Lett. 14_, 352 1965; J.Chem.Phys.43, 1827 1965..Es sind auch bereits Jodlaser relativ hoher Leistung bekannt (P. Gensei, K. Hohla, K.L. Kompa, Appl.Phys. Lett. 18_, 48 1971; K. Hohla, K.L. Kompa, Chem.Phys.Lett.l4_, 445 1972; K. Hohla, K.L. Kompa, Z. Naturforschg. 27a, 938 1972; K. Hohla, P. Gensei, K.L. Kompa, Proc. 2nd Workshop on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, J. Schwarz, H. Hora Eds. Plenum Publishing Corp. 1972).

Die bei den erwähnten Hochleistungs-Jodlasern verwendeten Jodverbindungen besitzen eine breite Absorptionsbande im ultravioletten Spektralbereich, die eine wirksame optische Pumpmöglichkeit bietet. Die Ausgangsleistung der bekannten Jodlaser wird jedoch durch die folgenden Effekte begrenzt:

1. Beim Pumpen mit hoher Lichtintensität für eine Dauer von mehr als einigen Mikrosekunden können durch Photolyse t»ine übermäßige Aufheizung und damit Zersetzung des Lasermate'rials (Pyrolyse) sowie chemische Sekundärreaktionen, die die Ausbeute erniedrigen, eintreten.

2. Normalerweise wird das aktive Material des Lasers in verhältnismäßig kurzer Zeit ganz oder zum großen Teil verbraucht, so daß es ersetzt werden muß.

3. Die Erzeugung von Strahlungsimpulsen hoher Leistung und sehr kurzer Dauer, d.h. in der Größenordnung von 10 s, ist mit gasförmigen Lasersubstanzen sehr schwierig. Um diese, für alle gasförmigen Lasersubstanzen charakteristischen Schwierigkeiten zu verstehen, ist es nötig, das Konzept der Riesenpulserzeugung genauer zu betrachten: Grundlage dieses Konzeptes ist die Speicherung der Strahlungsenergie, d.h. der Photonen, in angeregten Zuständen. Mit einer Pumplichtquelle

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wird hierfür eine Inversion im aktiven Lasermaterial erzeugt und die auf diese Weise gespeicherte Energie wird ann zu einem bestimmten Zeitpunkt t durch ein Strahlungsfeld abgerufen. Die bis t durch die Inversion gespeicherte Energie, gemessen in Joule und bezogen auf den Laserquerschnitt ist ein Maß für die Energiespeicherfähigkeit des betreffenden Lasers. Diese wird im wesentlichen durch zwei Effekte begrenzt:

a) durch strahlungslose Verlustprozesse, die bei Gaslasern eine entscheidende Rolle spielen. Die angeregten Atome bzw. Moleküle geben dabei die in den höheren Energieniveaus gespeicherte Energie bereits vor dem Zeitpunkt t in Stößen zweiter Art strahlungslos ab ("Quenchprozesse");

b) durch die sogenannte Selbsterregung, d.h. der Laser schwingt vor dem vorgesehenen Zeitpunkt t an, so daß dann keine weitere Pumpenergie mehr gespeichert, sondern diese sofort in Strahlungsenergie umgewandelt wird.

Zunächst soll auf Punkt b) näher eingegangen werden: Ein Laseroszillator schwingt an, sobald die Schwellinversion erreicht wird, die sich genähert aus der Schawlow-Townes-Bedingung berechnen läßt:

(3) V²R₁ · R₂T² = 1

Darin is V die Kleinsignalverstärkung bei einfachem Durchgang der Strahlung durch die Läsersübstanz, R- und R₂ die Reflexionswerte der den optischen Resonator des Lasers begrenzenden Spiegel, und durch T werden die Verluste innerhalb des Resonators beschrieben. Anschaulich bedeutet die Beziehung gemäß Gleichung (3) daß beim Erreichen der Schwelle die Verluste gerade durch die Verstärkung ausgeglichen werden. Die Gleichung (3) läßt sich auch auf einen Verstärker anwenden, der ja wegen der unvermeidlichen Reflexionen an Staubteilchen

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•ο-

und begrenzenden Flächen ebenfalls als Oszillator angesehen werden kann, allerdings als ein Oszillator mit hoher Schwell inversion. Die Schwellinversion ΔΝ erhält man aus der Gleichung (3), wenn man berücksichtigt, daß V = exp (σ ΔΝ& die Länge des aktiven Lasermaterials ist, zu:

^ANs - 4σΓ ¹ⁿ

σ, der Wirkungsquerschnitt für induzierte Emission, läßt sich mit Hilfe der spontanen tibergangswahrscheinlichkeit A, der Frequenz ν des strahlenden Überganges und der Linienbreite Δν näherungsweise wie folgt angeben:

(5) σ fe

₂
8irv Δν

Setzt man σ aus der Gleichung (5) in die Gleichung (4) ein, so sieht man, daß die Schwellinversion proportional der Linienbreite Δν des Überganges ist. Bei Gasen mit Drücken im Torr-

— Iß —18 ")

Bereich liegt σ in der Größenordnung von 10 ...10 cm . Damit ergeben sich zunächst sehr hohe Verstärkungen, die jedoch vom Gasdruck abhängig sind. Dieser große Unterschied zu Festkörperhochleistungslasern ist im wesentlichen eine Folge der unterschiedlichen Linienbreite und scheint den Bau starker Gashochleistungslaser, basierend auf dem Energiespeicherkonzept, in Frage zu stellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt also, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, die Impulsleistung eines photochemisehen Jodlasers zu erhöhen, bei welchem durch UV-Strahlung von einer Pumplichtquelle eine in einem Entladungsgefäß enthaltene gasförmige Jodverbindung photolytisch zersetzt und die dabei entstehenden Jodatome unter Erzeugung einer Besetzungsinversion angeregt werden.

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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Strahlungsimpulses hoher Leistung mittels eines phtochemischen Jodlasers der oben angegebenen Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Druck im Photolysegefäß mittels eines die Laserfunktion der Jodverbindung nicht wesentlich beeinträchtigenden zusätzlichen Gases auf mindestens 150 Torr erhöht wird und daß die Pumplichtenergie mit einer Geschwindigkeit zugeführt wird, die wenigstens annähernd gleich oder kleiner als die Abschwingdauer des Lasers bei Selbsterregung ist.

Ein photochemischer Jodlaser zum Erzeugen eines Strahlungsimpulses hoher Leistung, mit einem Entladungsgefäß, das eine stimulierbare gasförmige Jodverbindung enthält, und einer Pumplichtquelle zum Erzeugen eines kurzen Strahlungsimpulses mit beträchtlicher Energie im ultravioletten Spektralbereich, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Photolysegefäß eine Mischung aus der gasförmigen Jodverbindung und einem zusätzlichen, die Laserfunktion der Jodverbindung nicht wesentlich beeinträchtigenden Gas ("Fremdgas") enthält, wobei der Gesamteindruck der Mischung mindestens 80 Torr und der Partialdruck des Fremdgases mindestens 30 Torr, vorzugsweise mindestens 50 Torr, betragen und daß die Pumplichtquelle Strahlungsimpulse zu erzeugen gestattet, deren Halbwertdauer gleich oder kleiner als die Anschwingdauer des Lasers bei Selbsterregung ist.

Die Erfindung ist sowohl auf Laseroszillatoren als auch auf Laserverstärker anwendbar. Mit einem Laseroszillator gemäß der Erfindung konnte dne Ausgangsstrahlungsleistung von 1 Megawatt in einem 100-ns-Impuls erzeugt werden, die in einem nachgeschalteten Laserverstärker gemäß der Erfindung auf über 100 MW erhöht werden konnte.

Durch die beanspruchten Maßnahmen ist ein schnelles es u
mehr als 1O²⁵

22 Pumpen eines Jodlasers mit Pumpraten von mehr als 10 bis

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—Π —

Photonen pro cm des ."Laserquerschnitts" und pro Sekunde möglich. Durch den verhältnismäßig hohen Gasdruck wird einerseits die Wärmekapazität der Gasfüllung erhöht und das Auftreten von schädlichen Pyrolyseeffekten verhindert und andererseits wird die Bandbreite des laseraktiven Übergangs erhöht.

Man kann auf diese Weise bei Laseroszillatoren im ersten sich entwickelten Laserimpuls beträchtliche Leistungen erreichen und Laserverstärker für kurze Zeiträume über die Selbsterregungsschwelle zu pumpen und somit sehr hohe Verstärkungswerte ohne optische Isolationselemente und ohne Selbstanschwingenjdes Verstärkers erreichen. Gleichzeitig werden chemische Desaktivierungsprozesse, die auf einer längeren Zeitskala ablaufen, sowie die Entwicklung von optischen Inhomogenitäten verhindert. Bei Prototypen des erfindungsgemäßen Lasers konnte ein Wirkungsgrad von0,7% gerechnet als das Verhältnis von der den Blitzlampen zugeführten elektrischen Energie zu der aus dem Laser ausgekoppelten Strahlungsenergie erreicht werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, die eine Laseranordnung mit einem Laseroszillator und Laserverstärker schematisch darstellt, welche beide Ausführungsbeispiele der Erfindung sind.

Die dargestellte Laseranordnung enthält einen Laseroszillator mit einem rohrförmigen Photolysegefäß 1, welches von einer koaxialen Blitzlampe umgeben ist. Der Resonator des Laseroszillators wird durch einen Konkavspiegel 2, der einen Krümmungsradius von 5m hat und eine 100% reflektierende Goldschicht aufweist, sowie einen ebenen Auskoppelspiegel 3, der ein Reflexionsvermögen von 40% hat, gebildet. Im Resonator befindet sich in der Nähe des Auskoppelspiegels 3 eine übliche Modenblende 4.

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-S-

Die koaxiale Blitzlampe, die das Photolvse-1 umgibt, ist über eine Schaltfunkenstrecke 5 mit einer 160-J-Energieversorgung 5a verbunden. Die Ausgangsstrahlung des Laseroszillators durchläuft eine Blende 6, einen Strahlteiler 7_f der einen geringen Bruchteil der Strahlung zu einer Meßvorrichtung 8 auskoppelt und ein Filter 9,das etwaiges gestreutes Pumplicht sperrt, anschließend durchläuft die Oszillatorstrahlung ein Photolysegefäß 11 des Laserverstärkers (das wie das photolysegefäß 1 durch Brewster-Fenster abgeschlossen ist}. Die Achse des Photolysegefäßes 11 fällt mit der einen Brennlinie eines die Form eines elliptischen Zylinders aufweisenden Reflektors 13 aus Aluminium zusammen, in dessen anderer Brennlinie eine rohrförmige Blitzlampe 10 angeordnet ist. Die Blitzlampe 10 ist an eine 3-kJ-Energieversorgung 14 angeschlossen, die ebenfalls eine Schaltfunkenstrecke enthält. Zur Messung der Ausgangsstrahlung des Laserverstärkers dient wieder eine Anordnung aus einem Strahlteiler 7 und einer Meßvorrichtung 8 sowie ein Energiemeßgerät 15.

An die Photolys_egefäß_e 1 und 11 ist ein Rohrleitungs- und Vakuumsystem angeschlossen, das in üblicher Weise ausgebildet sein kann und z.B. ein Manometer 16, einen Vorratsbehälter 17 für eine laseraktive Substanz (z.B. CF₃J), Gefäße 18 für die Mischung und Reinigung des Füllgases, eine Kühlfalle 20, eine Diffusionspumpe 21 und verschiedene Ventile 22 enthalten kann.

In bestimmten Gasmischungen verläuft die Photolyse unter Bildung angeregter Jodatome reversibel. Dadurch besteht die Möglichkeit, die gleiche Gasmischung im Laser mehrfach (z.B. für mehr als 100 Belichtungen) zu verwenden. Ein für diese Betriebsweise besonders geeignetes Jodid ist Perfluor-tertiär-Butyljodid (t-C.FgJ). Gute Ergebnisse lassen sich auch mit Perfluor-Isopropyl-Jodid (X-C₃F₇J) sowie C₃F₅J und Ver-

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bindungen dieser Art, bei denen das Fluor ganz oder teilweise durch Brom und/oder Chlor ersetzt ist, erzielen. Diese Verbindungen haben eine ausreichende Flüchtigkeit (Dampfdruck) bei guter Reversibilität, die sich, wie auch bei anderen Jodverbindungen, gegebenenfalls noch durch Kühlung verbessern läßt.

Die Erhöhung der Bandbreite Δν des die Laserstrahlung liefernden Überganges durch einen relativ hohen Gasdruck in den Photolysegefäßen stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar, da hierdurch nicht nur die Energiespeicherfähigkeit erhöht, sondern auch die Verstärkung einzelner Verstärkerstufen nach Belieben den jeweiligen technischen Anforderungen angepaßt werden kann. Es wurde gefunden, daß durch Zusatz verschiedener Gase (z.B. Schwefelhexafluorid SF_g, Argon Ar oder CO₂) mit Drücken von mindestens etwa 30 Torr, vorzugsweise mindestens 100 bis 200 Torr bis zu etwa 2 bis 3 Atmosphären, u.U. auch bis 10 Atmosphären die speicherbare Energie auf über 1 J/cm erhöht werden kann. Dieser Effekt ist dem verwendeten Fremdgasdruck direkt proportional. Die oben erwähnten zusätzlichen Gase und viele andere Gaszusätze beeinträchtigen die für die Laserwirkung nutzbar gemachten photochemischen Prozesse praktisch nicht, da der Photolyseprozess unabhängig vom Fremdgasdruck ist.

Die dargestellte Laseranordnung kann z.B. mit einer Gasmischung betrieben werden, die 50 Torr Partialdruck C₃F^J und 400 Torr Partialdruck CO₂ enthält. Sowohl im Oszillator wie im Verstärker werden schnelle Blitzlampen mit einer Halbwertsdauer des Lichtimpulses von etwa 2ps oder weniger ver-

22 -2 -3

wendet. Die Pumprate soll, wie erwähnt, über 10 cm s betragen und die Gasmischung soll sehr rein sein, um Quensch-Prozesse durch Stöße zweiter Art klein zu halten. Unter den genannten Bedingungen steht am Ausgang des Laseroszillators eine Strahlungsleistung von 1 MW in einem 100-ns-Impuls zur

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Verfügung, die im Laserverstärker auf über 100 MW erhöht wird. Zusätzlich zu den anhand der Abbildung erläuterten Maßnahmen ist es möglich, durch die konventionellen Techniken der Modenkopplung Impulse mit einer Dauer von weniger als 1 ns zu erzeugen, die mit einem Verstärker der beschriebenen Art auf über 3 GW gebracht werden können. Bei entsprechend größeren Verstärkerabmessungen und gegebenenfalls mehreren Verstärkerstufen sind Impulsleistungen in der Größenordnung von 1OO GW und mehr erreichbar.

Die Bandbreite des laseraktiven Überganges kann außer durch die beschriebene Erhöhung des Gasdruckes zusätzlich noch durch inhomogene Magnetfelder erhöht werden, wie es in der DT-OS 2 058 276 beschrieben ist. Diese Magnetfelder lastsen sich gegebenenfalls durch den die Elitslampen durchfließenden Strom erzeugen, so daß außer geeigneter Schaltung und Anordnung der Blitzlampen (die z.B. auch wendelförmig ausgebildet sein können) keine zusätzlichen technischen Maßnahmen erforderlich sind. Es ist insbesondere möglich, die Blitzlampenströme im Oszillator und den nachfolgenden Verstärkern zeitlich, z.B. mit Abständen von 1 με, zu staffeln und dadurch den Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission und damit den Verstärkerfaktor der laseraktiven Substanz entsprechend zu steuern.

In der im Photolysegefäß enthaltenen Gasmischung kann der Partialdruck der laseraktiven Jodverbindung zwischen etwa 5 und 60 bis 70 Torr liegen; der Partialdruck des Fremdgases soll über 30 Torr liegen «nd kann bis zu mehreren Atmosphären (z.B. b is zu 10 Atm.) betragen. Der Gesamtdruck der Gasmischung im Photolysegefäß soll im allgemeinen über 80 Torr liegen.

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Claims (11)

1. 24099Λ0

   Patentansprüche

   .J Verfahren zum Erzeugen eines Strahlungsimpulses hoher Leistungen mittels eines photochemischen Jodlasers, bei welchem durch UV-Strahlung von einer Pumplichtquelle ein in einem Photolysegefäß enthaltene gasförmige Jodverbindung photolytisch zersetzt und die dabei entstehenden Jodatome unter Erzeugung einer Besetzungsinversion angeregt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Photolysegefäß mittels eines die Laserfunktion der Jodverbindung nicht beeinträchtigenden zusätzlichen Gases um mindestens 30 Torr erhöht wird und daß die Pumplichtenergie mit einer Geschwindigkeit zugeführt wird, die wenigstens annähernd gleich oder kleiner als die Anschwingdauer des Lasers bei Selbsterregung ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, daß die Pumplichtenergie mit

   22 25 einer Geschwindigkeit von mehr als 10-10 photolytisch ak-

   _ ο

   tiven Photonen pro cm des Laserquerschnitts pro Sekunde zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß in das Photolysegefäß Fremdgas mit einem Partialdruck bis zu einigen Atmosphären eingeführt wird.
4. 4. Photochemischer Jodlaser zum Erzeugen eines Strahlungsimpulses hoher Leistung mit einem Photolysegefäß, das eine stimulierbare gasförmige Jodverbindung enthält, und mit einer Pumplichtquelle zum Erzeugen eines kurzen Strahlungsimpulses mit beträchtlicher Energie im ultravioletten Spektralbereich, dadurch gekennzeichne z, daß das Photolysegefäß außer der gasförmigen Jodverbindung noch ein zusätzliches Gas (Fremdgas) mit einem Partialdruck zwischen 30 Torr und mehreren Atmosphären enthält, wobei der Gesamtdruck mindestens 80 Torr beträgt, und daß

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   24Q9940

   /λ«

   22 25 die Pumplichtquelle an die Gasmischung 10 -10 photolytisch

   aktive Photonen pro cm und pro Sekunde während einer Zeitspanne, die mindestens annähernd gleich oder kleiner als die Anschwingdauer des Lasers bei Selbsterregung ist.
5. 5. Jodlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtquelle Strahlungsimpulse mit einer Halbwertsdauer von 2 ys oder kleiner liefert.
6. 6. Jodlaser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck der Jodverbindung zwischen 5 und 100 Torr, vorzugsweise zwischen 30 und 70 Torr liegt und daß der Gesamtdruck der Gas^mi*^chun9 mindestens 300 Torr beträgt.
7. 7. Jodlaser nach Anspruch 4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtdruck der Gas^mi~ schung kleiner als 10 Atmosphären ist.
8. 8. Jodlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung mindestens eine der Verbindungen t-C.X-J; i-C₃X-J oder C₃F₅J enthält, wobei X für Fluor und/oder Brom und/oder Chlor steht.
9. 9. Jodlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 8, g e kennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines inhomogenen Magnetfeldes in der Gasmischung während der Zuführung der Pumplichtenergie.
10. 10. Jodlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen des inhomogenen Magnetfeldes den Blitzlampenstromkreis enthält.
11. 11. Jodlaser nach einem der Ansprüche 4 bis 10, gekennzeichnet durch einen Laser-Oszillator mit einem optischen Resonator (2, 3), einem in diesem angeordneten Photolysegefäß (1) und einer Pumplichtquelle (5, 5a); mindestens einen Laserverstärker mit einem im Weg der Ausgangs-

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    strahlung des Laseroszillators angeordneten Photolysegefäß (11) und einer Pumplichtquelle (10, 14); und einer Steuervorrichtung, die die Pumplichtquellen des Lasercszillators und des oder der folgenden Laserverstärker mit einem zeitlichen Abstand von größenordnungsmäßig 1 us auslöst.

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    L e e r s e i t e