DE2422974A1

DE2422974A1 - Gepulste mehrlinien-co tief 2-laseroszillatoreinrichtung

Info

Publication number: DE2422974A1
Application number: DE19742422974
Authority: DE
Inventors: Martin Stanley Piltch
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1973-05-23
Filing date: 1974-05-13
Publication date: 1974-12-12
Also published as: AU6912574A; FR2231134A1; CA1038070A; GB1443127A; JPS5021694A

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Gepulste Mehrlinien-CO^-Laseroszillatoreinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf gepulste CC^-Laseroszillatoren und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung einer mehrere Linien aufweisenden Ausgangsgröße an einem gepulsten C0₂-Laseroszillator.

Der Kohlenstoffdioxydlaser ist der bei weitem am wirkungsvollsten arbeitende Gaslaser und der am leistungsfähigsten kontinuierlich betriebene Laser. Wirkungsgrade von ungefähr 20% und Ausgangsgrößen im Bereich von 10-20 Kilowatt sind bei vorhandenen Einzellinienausgangsgrößen-Kohlenstoffdioxydlasern

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möglich, die im Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern arbeiten. Zur Verwendung bei Kernschmelzversuchen haben derzeit verwendete modenverriegelte ("mode locked") CO₀-La-

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ser Leistungen von 10 Watt in Impulsform von 1 Nanosekunde

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(10 Sekunde)-Dauer erzeugt.

Um Laserwirkung im Infrarotbereich zu erreichen, müssen Energieniveau oder Energiepegel gefunden werden, deren Trennung relativ klein ist. Geeignete Niveau werden in Molekülen gefunden, die nicht von der Anregung elektronischer Energieniveaus abhängen, sondern von der Quantisierung der Schwingungs- und Rotations-Bewegungen des Moleküls. Diese Niveaus können mit großem Wirkungsgrad angeregt werden.

Der Kohlenstoffdioxydlaser verwendet tatsächlich zwei weitere Gase, und zwar Stickstoff und Helium, wobei die Rolle dieser Gase weiter unten diskutiert werden soll.

Um die Theorie des Betriebs des Kohlenstoffdioxydlasers zu verstehen, ist es erforderlich, daß zunächst die Energieniveaus des Kohlenstoffdioxydmoleküls diskutiert werden. Das-Kohlenstoffdioxydmolekül kann in der Weise dargestellt werden, daß drei Atome normalerweise auf einer geraden Linie liegen, wobei die äußeren Atome Sauerstoff sind und dazwischen das Kohlenstoffatom liegt. Es gibt drei mögliche Schwingungsmoden, wobei in jedem Fall der Schwerpunkt festgelegt bleibt:

1) Die Sauerstoffatome können rechtwinklig zur geraden Linie schwingen, wobei diese Schwingung als Knickschwingung oder Knickmode bezeichnet wird.

2) Jedes Sauerstoffatom kann entgegengesetzt zum anderen längs der geraden Linie schwingen, wobei diese Mode die symmetrische Mode (symmetrische Streckschwingung) genannt wird.

3) Die zwei Sauerstoffatome können um das zentrale Kohlenstoffatom in der Weise herumschwingen, daß sie sich immer in der gleichen Richtung bewegen. Diese Mode wird die unsymmetrische Mode oder unsymmetrische Streckschwingung genannt.

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Jeder mögliche Quantenzustand wird wie folgt bezeichnet: Für die symmetrische Mode wird 100, 200, 300, usw. verwendet; für die Knickmode wird 010, 020, 030, usw. verwendet; für die unsymmetrische Mode wird 001, 002, 003, usw. benutzt. Kombinationen sämtlicher drei Moden sind möglich, beispielsweise 231, aber sie brauchen hier nicht betrachtet werden.

Zusätzlich zu diesen Schwingungsmoden können die Moleküle sich drehen und es sind daher quantisierte Rotationsenergien möglich; ein Satz von Rotationsniveaus oder Pegeln ist jedem Schwingungsniveau -zugeordnet, wobei diese entsprechend der ansteigenden Energie durch J-Werte bezeichnet werden, wobei jeder Wert entweder 0 oder eine positive ganze Zahl ist (Rotationsguantenzahl). Um diese Nomenklatur zu erläutern, zeigt Fig. 1 die Sätze von Energieniveaus, die zu jeder Schwingungsmode gehören, wobei zudem ein Satz von Drehniveaus für die 001 und 100 Moden in stark vergrößertem Maßstab hinzugefügt sind. Der Grundzustand und der erste Anregungszustand des Stickstoffmoleküls sind ebenfalls dargestellt. Da nur zwei Atome vorhanden sind, kann das Stickstoffmolekül nur eine Schwingungsmode aufweisen.

Die Laserwirkung läuft in der folgenden Weise ab: Direkte elektronische Anregung des Stickstoffmoleküls in seinen Einszustand durch eine Kollision der ersten Art. Dieser Vorgang ist durch die folgende Gleichung dargestellt:

e^ + N₂ = N₂* + e₂ (1)

Eine Kollision der zweiten Art mit einem Kohlenstoffdioxydmolekül im Grundzustand mit der Anregung auf den 001-Zustand ist symbolisch wie folgt beschrieben:

N₂ + CO₂ = N₂ + CO₂ (001) (2)

Dies tritt deshalb ein, weil, wie man aus dem Energieniveaudiagramm erkennt, die beiden Energieniveauwerte fast zusammenfallen. Der 100-Schwingungszustand hat eine wesentlich "geringere

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- 4 Energie und kann durch dieses Verfahren nicht besetzt werden.

Die Population oder Besetzung der 001-Niveaus übersteigt nunmehr die Population der 100-Niveaus und somit ist der Populationsinvers ionszustand für ein Platzgreifen der Laserwirkung zwischen diesen Niveaus erreicht. Dabei müssen jedoch zwei Punkte berücksichtig werden. Erstens muß ein Übergang vom 001-Niveau zum 100-Niveau einer Ausfallregel genügen, die besagt, daß J sich nur um - 1 ändern kann. Wenn somit J für ein bestimmtes Niveau gleich 10 ist, dann sind nur Übergänge von J = 9 auf J = 10 und von J = 11 auf J = 10 zulässig. Wenn sich J um +1 ändert, so wird der Übergang als P-Zweig-Übergang bezeichnet, während bei Änderung von J um -1 der Übergang als ein R-Zweig-Übergang bezeichnet wird. Beispielsweise wird ein Übergang von J = 9 auf J = 10 als P(10) und ein Übergang von J = 11 auf J = 10 als R(10) bezeichnet. Zweitens hat die Population oder Besetzung der Rotationsniveaus des 001-Zustands eine Boltzmann-Verteilung, so daß nach Berücksichtigung der Degeneration die effektive Population des J = 11 Niveaus beispielsweise geringer als das J = 9 Niveau ist. Infolge dieser Tatsache dominieren die P-Zweig-Übergänge, weil sich ein spezielles P-Zweig-Niveau (zur Herstellung von Gleichgewicht) durch Verarmung der Population des darüber liegenden R-Zweiges schneller auffüllt,als die Population des R-Zweig-Niveaus durch spontane Emission zum niedrigeren Laserniveau zerfällt. Die den leistungskräftigsten Übergängen des Kohlenstoffdioxydlasers bei normalen Betriebstemperaturen zugeordneten Wellenlängen sind die folgenden: P(18)-10,57 Mikrometer, P(20)-10,59 Mikrometer, P(22)-10,61 Mikrometer. Die Trennung zwischen jedem Übergang beträgt ungefähr 55 GHz.

Jede einem P-Zweig-übergang entsprechende Verstärkungskurve hat eine Linienbreite von ungefähr 50 MHz. Verglichen mit anderen Gaslasern ist dies eine schmale Doppler-Breite, die auftritt, weil die Wellenlänge einige 2o-mal solang und die Masse des Moleküls größer ist als die der meisten Atome. Die Summe der unter jeder Verstärkungskurve in Fig. 2 liegenden Flächen ist proportional zur Populationsinversion oder Besetzungsinversion zwischen den 001 und den 100 Niveaus und somit proportional zur Intensität

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der Ausgangsgröße. Diese Flächen sind in der Tat nicht gleich und wegen der relativen J-Niveau-Populationen ist die Fläche unter der P(20)-Verstärkungskurve die größte. Die axiale Modentrennung für einen 100 cm langen dargestellten Hohlraum ist ungefähr 150 MHz. Fig. 2 zeigt die P(18) und P(20) Verstärkungskurven und die axiale Modenabstandsanordnung.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß dort, wo ein Hohlraum von 1 m Länge verwendet ist, nur eine axiale Mode unter einer Verstärkungskurve zu irgendeiner gegebenen Zeit schwingen kann. Wenn ein längerer Hohlraum verwendet würde, so wurden die Moden dichter beisammen sein und es würden mehrere schwingen. In jedem Fall wird diejenige axiale Mode, welche die größte Verstärkung erfährt, das Bestreben haben, in ihrer Intensität auf Kosten der anderen zu wachsen.

Bei einem kurzen Hohlraum, wo nur eine Mode schwingt, bewirkt die Änderung der Hohlraumlänge·infolge von Instabilitäten eine Fluktuation der Ausgangsleistung. Wenn der Laser derart abgestimmt ist, daß sich die Axialmodenfrequenz auf Mitte befindet, beispielsweise derP (20)-Verstärkungskurve,, dann kann eine graduelle Verminderung der Leistung beobachtet werden, wenn die Axialmodenfrequenz sich verschiebt. Wenn die nächsten Modenspitzen bei P(18) oder P(22) übernehmen, so fluktuiert nicht nur die Leistung, sondern man erhält auch eine Frequenzfluktuation. Andererseits sind im Fall eines 1o m langen Hohlraums mit einer entsprechenden Modentrennung von 15 MHz mehrere Moden unter jeder Verstärkungskurve vorhanden, und so wird der P-Zweig mit einer maximalen Verstärkung stets schwingen, weil eine Axialmode stets unter der Doppler-Verstärkungskurve vorhanden sein wird. Eine analoge Situation herrscht unter den zulässigen Rotationsübergangen des CO₂ ^-MoIeküls, was den Wirkungsgrad der Energieentnahme bei bekannten Lasern beschränkt. Welcher Drehübergang auch immer die höchste Verstärkung besitzt, er wird· das Bestreben haben, in seiner Intensität auf Kosten der anderen zu wachsen. Dies tritt deshalb auf, weil die Linie, die anfangs zu schwingen beginnt, die Besetzung des entsprechenden 001-Niveaus verarmt und, wie oben erläutert, es ist so, daß die Relaxationsrate in ein solches verarmtes

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Niveau von anderen mit dem gleichenSchwingungsniveau zusammenhängenden J-Niveaus (zur Wiederherstellung einer Boltzmann-Verteilung) wesentlich schneller ist als die spontane Zerfallsrate von irgendeinem J-Niveau in ein niedrigeres Schwingungsniveau. Infolgedessen hat die Inversion zwischen anderen Niveaus das Bestreben, in das erste einzuspeisen. Die Verstärkungsprofile nehmen gleichmäßig miteinander ab und es folgt daher, daß die P-Zweig-Obergänge effektiv in homogener Weise verbreitert werden.

Das Helium erhöht die thermische Leitung der Rohrwände und verarmt indirekt die Population oder Besetzung des unteren Laserniveaus 10O, welches durch Resonzanzkollisionen mit den 020 und OTO Niveaus verbunden ist, wobei das letztgenannte Niveau direkt verarmt wird, und zwar durch das Helium und durch "Abkühlung"der 001 Rotationsniveaus, was zur Folge hat, daß die verfügbare Population stärker unter den oberen Laserniveaus verteilt ist.

Für Fusionsreaktionen als ideal bezeichnete Laser müssen die Eigenschaft haben, daß ihre gesamte gespeicherte Energie in Impulsen von 1 Nanosekunde oder weniger freigegeben wird. Im Falle der bekannten C0₂~Laser beschränken die detaillierten dynamischen Vorgänge der angeregten molekularen Spezies - wie oben erwähnt - die zu entnehmende Energiemenge auf einer Nanosekunden-Zeitbasis sehr stark. Diese Beschränkung beruht auf der endlichen Thermalisierungs rate zwischen angeregten Drehenergieniveaus des CO^-Moleküls.

Die in der angeregten C0₂~I»asermischung gespeicherte Energie ist - wie oben erwähnt - in vielen angeregten Rotations- oder Drehniveaus vorhanden, wobei aber der typische zum Betrieb großer Verstärker verwendete Oszillator ein Eingangsspektrum besitzt, welches primär aus den oben angegebenen Gründen aus dem P(20) Rotationsübergang des OO1 zu 100 Schwingungsbandes zusammengesetzt ist. Somit wird auf einer bezüglich der Thermalisierungszeit für die Rotationsniveaus kleinen Zeitskala Energie nur aus dem P (20) Übergang, J = 21 (OO1) auf J = 20 (100) extrahiert, da keine Zeit vorhanden ist, daß sich die im angeregten Zustand befindliche Population oder Besetzung selbst wieder von den anderen nahe gelegenen J-Niveaus auf den OO1-Zustand verteilt und das obere

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Niveau (J = 21) des P(20)-Übergangs wiederbesetzt. Dieser Zustand ist für eine durch Laser eingeleitete Fusion nicht akzeptabel, weil der Wirkungsgrad der Energieextraktion als ein Teil des gesamten Energiegleichgewichtes betrachtet werden muß, wenn die Brauchbarkeit des gesamten laserinduzierten Fusionsvorgangs ausgewertet wird.

Vor den experimentellen Messungen und theoretischen Untersuchungen durch den Erfinder wurde diese ernste Beschränkung des Kurzimpulswirkungsgrads von C0₂-Lasern nicht entsprechend eingeschätzt. Die Arbeit von Cheo und Abrams in "Applied Physics Letters 14, 47 (1969)" stellt fest, daß die Rotationsrelaxationszeit 0,2 Nanosekunden betrug, was zu der allgemein vertretenen Ansicht führte, daß man bei 1 Nanosekunden-Impulsen noch immer sämtliche in der angeregten CO^-N^-He-Mischung verfügbare gespeicherte Energie verwendet., Messungen zeigen, daß nur einige wenige Rotationsniveaus thermalisierten und somit zur Energieextraktion der Nanosekunden-Zeitskala beitrugen. Um diese Nachteile zu beseitigen, weist der mehrere Linien aufweisende erfindunggsgemäße (^"Oszillator ein AusgangsSpektrum auf, welches die P(18), P(20) und P (22) Übergänge bei annähernd gleicher Intensität besitzt. Dieser Oszillator extrahiert gesondert aber gleichzeitig die in mindestens drei~P(18), P(20) und P(22) angeregten Rotationsübergängen im CO₂~Laserverstärker gespeicherte Energie. Der mehrere Linien aufweisende Oszillator überwindet somit die ernsten Nachteil beim Wirkungsgrad der Energieextraktion aus Kilojoule-Verstärkersystemen, wie beispielsweise denjenigen, die zur Einleitung von Laserfusionsreaktionen benutzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgesehen, um eine mehrere Linien aufweisenden Ausgangsgröße von einem C0₂-Laseroszillator zu erzeugen, der einen optischen Resonanzhohlraum aufweist, der ein gasförmiges CO₂-Lasermedium und Mittel enthält, um eine gleichförmige, eine hohe Energie aufweisende elektrische Entladung innerhalb des Lasermediums zu erzeugen, und um eine Populationsinversion im Laser-

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"medium hervorzurufen, wobei ferner Mittel innerhalb des Hohlraums vorgesehen sind, um wellenlängenabhängigen Verlust einzuleiten und aufrechtzuerhalten, um eine mehrere Linien aufweisende Ausgangsgröße vom Laser zu erzeugen.

Gemäß einem bevorzugten modeverriegelten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Modeverriegelung durch einen akustooptischen Modulator und der wellenlängenabhängige Verlust durch ein Fabry-Perot-Etalonfilter erreicht. Sowohl der Modulator als auch das Etaionfilter sind innerhalb des Hohlraums angeordnet. Die gleichförmige elektrische Entladung hoher Energie wird durch Rogowski-Elektroden erzeugt, die betriebsmäßig mit einer Hochspannungsquelle verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung bezweckt also, eine mehrere Linien aufweisende Ausgangsgröße mittels eines CCU-Laseroszillators zu erzeugen, wobei der Wirkungsgrad von CO^-Laserverstärkern erhöht werden soll. Ferner bezweckt die Erfindung, eine Vielzahl von verfügbaren P-Zweig- und R-Zweig-Übergängen innerhalb eines C0₂~Laseroszillators und Verstärkers zu verwenden. Die vorliegende Erfindung hat dabei den Vorteil, daß von einem CO^-Laserverstärker ein erhöhter Ausgangswirkungsgrad erreichbar ist. Ferner hat die Erfindung den Vorteil, daß eine mehrere Linien aufweisende Ausgangsgröße von einem CC^-Laseroszillator erreichbar ist, wobei eine Vielzahl von P-Zweig-Übergängen verwendbar ist, um eine mehrere Linien aufweisende Ausgangsgröße von einem CO^-Laser zu erzeugen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm der Kohlenstoffdioxydlaserenergieniveaus;

Fig. 2 eine typische Verstärkungskurve einer CC^-Laserausgangsgröße für P (18) und P (20) P-ZweLg-Übergänge;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines gemäß einem bevorzug-

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ten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellten gepulsten mehrere Linie aufweisenden CC^-Laseroszillators;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Laseroszillatorausgangsintensität als Funktion des Etalon-Einfallswinkels für mehrere Laserübergänge;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Laserausgangsleistung als Funkti(
gungsband.

als Funktion der Wellenlänge für Übergänge im 00°1-10°0 Schwin-

Der im folgenden verwendete Ausdruck "Hohlraum" bezieht sich nicht nur auf einen durch Wände umschlossenen Hohlraum, sondern auch auf einen solchen, der nicht durch Wände oder dergleichen definiert ist, da in bestimmten Fällen Wände bei der Durchführung der Erfindung nicht wesentlich sind.

Der hier verwendete Aufdruck "Entladung" ist in einem ionisierten Medium der Stromfluß unter dem Einfluß eines elektrischen Aufrechterhaltungsfeldes oder von Feldern. Während die Verwendung von Gleichspannungen bei im Hohlraum angeordneten Elektroden hier in erster Linie beschrieben wird, so kann man doch gemäß der Erfindung auch folgendes vorsehen: Ein Aufrechterhaitungsfeld mit elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern, induktive Elektrodenge-

en bilde, kapazitive Elektrodengebilde, Bewegung eines elektrisch leitenden Mediums bei Vorhandensein eines angelegten Magnetfeldes und das Einführen von Laserenergie in den Arbeitshohlraum.

Im Augenblick ist jedoch - wie bekannt - die elektrische Entladungs anregung das wirkungsvollste Verfahren, um ein gasförmiges Lasermedium zu pumpen. In einer elektrischen Entladung wird das Lasergas sowohl direkt durch Elektronenkollision als auch durch Resonanzenergieübertragung von einem zweiten durch Elektronenkollision angeregten Gas angeregt.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, wo das bevorzugte Ausführungsbeispiel des gepulsten Mehrlinien-C0₂-Laseroszillators der

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- 1O -

Erfindung schematisch dargestellt ist. Der Oszillator 10 weist einen Hohlraum 12 mit einem Brewster-Winkelfenster 14 und einen reflektiven Äusgangsgroßenkoppler oder Spiegel 16 auf, der ein Reflexionsvermögen zwischen 9O% und 98%, vorzugsweise ungefähr 95%, besitzt. Der Äusgangsgroßenkoppler 16 und das Brewster-Fenster 14 werden aus dem üblichen Grunde benutzt, das heißt, um eine verwendbare Laserausgangsgröße und eine Gasabdichtung am Ende des Hohlraums zu bilden, und um eine nicht reflektierende Zwischenschicht mit dem akustooptischen Modulator bzw. Fabry-Perot Etalon zu bilden. Ein im wesentlichen 100% reflektierender Reflektor 18 ist am anderen Ende des Hohlraums vorgesehen.

Das Parallelsein der Spiegel 18 und 16 ist ein rigoroses geometrisches Erfordernis bei Lasern mit niedriger Verstärkung. Der Grund dafür besteht darin, daß bei Lasern mit niedriger Verstärkung bei nicht genau parallel ausgerichteten Spiegeln die sich im Hohlraum aufbauenden Lichtstrahlen das Bestreben besitzen, weiter und weiter zu den Kanten der Spiegel zu wandern, wenn sie zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert werden, was schließlich dazu führt, daß die Strahlen aus dem Hohlraum heraus geworfen werden. Es ist von wesentlicher Bedeutung, daß jede Abweichung gegenüber dem Parallelzustand so klein bleibt, daß die kohärenten Photonenströnte eine hinreichend große Anzahl von Malen hin und her reflektiert werden, um die für Laserwirkung erforderliche Intensität aufzubauen.

Die Spiegel 16 und 18 können einfach poliertes Metall sein oder aber sie können versilbert oder mit einem dielektrischen Überzug versehen sein, so daß sie sich wie Spiegel benehmen, die vom Inneren des Hohlraums 12 auf sie zukommende Photonen reflektieren. Das oben beschriebene Gebilde wird - gleichgültig, ob die Spiegel innerhalb oder außerhalb des Behälters angeordnet sind - als ein optischer Hohlraum bezeichnet. In Oszillatoren wird dieses Gebilde ein optischer Resonanzhohlraum genannt, weil der Abstand zwischen den beiden Spiegeln derart eingestellt ist, daß er eine ganze Zahl von halben Wellenlängen lang ist, wodurch reflektierte Energie der richtigen Phase erzeugt wird, um die erforderliche konstruktive Welleninterferenz zu erzeugen. Das Pumpen wird vor-

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zugsweise durch eine elektrische Entladung mittels der Rogowski-Profilelektroden 20 und 22 erreicht, die auf eine hohe Spannung durch einen zweistufigen Marx-Generator 24 und eine 20 Kilovolt Gleichspannungsguelle 26 aufgeladen sind. Eine durch Kondensatoren 3O und 32 aufgeladene Vorionisationselektrode 28 wird vorzugsweise verwendet. Das die elektrische Entladung hervorrufende System weist die Spannungsquelle 26, den Generator sowie Elektroden 20, 22 und 28 auf, wobei aber diese Bauelemente von üblicher Art sind und kein Teil der Erfindung bilden, weshalb sie hier nicht weiter im einzelnen beschrieben werden.

Die Pumpvorrichtung oder elektrische Entladevorrichtung bringt innerhalb des im Hohlraum befindlichen Lasermediums eine elektrische Entladung zusammen. Die Entladung bewirkt eine Besetzungsinversion oder Populationsinversion unter den gewünschten Energiezuständen. Innerhalb eines kleinen Bruchteils einer Sekunde tritt eine Spontanemission von Photonen aus dem gasförmigen Medium auf. Die meisten Photonen gehen im Medium verloren, aber einige laufen zu den Spiegeln 16 und 18 und werden durch diese viele Male hin und her reflektiert. Wenn diese Photonen das aktive Medium durchlaufen, so stimulieren sie die Emission von Photonen aus allen Atomen in den gewünschten Zuständen,mit denen sie zusammentreffen. Auf diese Weise steigt der Grad der Lichtverstärkung im Medium außerordentlich an. Weil die durch stimulierte Emission erzeugten Photonen die gleiche Richtung und Phase wie die sie stimulierenden Photonen besitzen - angenommen der optische Hohlraum des Lasermediums ist geeignet -, ist das elektromagnetische Strahlungsfeld innerhalb des Zylinders oder Hohlraums kohärent.

Um einen brauchbaren Strahl dieses kohärenten Lichts aus dem Hohlraum zu extrahieren, wird der Spiegel 16 leicht durchlässig gemacht. Ein Teil des äußerst intensiven Strahls wird durch den Spiegel abgezweigt und tritt mit mit regelmäßigem Abstand angeordneten Wellenfronten aus. Dieser Teil wird Laserstrahl genannt .

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Der Laseroszillator im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise modeverriegelt, und zwar zur Benutzung bei Laserfusionsanwendungen. Zur Modeverriegelung ist ein akustooptischer Modulator 30 vorgesehen. Der akustooptische Modulator 30 ist vorzugsweise ein akustooptischer Germanium-Modulator zur aktiven Modenverriegelung des Laseroszillators. Dem Fachmann ist klar, daß Modeverriegelungseinrichtungen nicht auf einen akustooptischen Modulator beschränkt sind. Andere Modenverriegelungsvorrichtungen, wie beispielsweise bleichbare Absorptionsmittel, können auch verwendet werden.

Vorzugsweise liegt die aktive Länge der Vorrichtung in der Größenordnung von 60 cm oder mehr und der Ausgangskopplungsreflektor ist zu annähernd 94% bis ungefähr 98% reflektiv. Es wurde festgestellt, daß diese Bedingungen die Gesamtverstärkung der schwächeren Laserübergänge maximieren. Das System sollte mit einer Anregungsdichte von mindestens 300 Joules/Liter des aktiven Volumens angeregt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrlinien-Betrieb dadurch erreicht, daß man Mittel zur Erzeugung wellenlängenabhängigen Verlustes in den Laserhohlraum einsetzt, wie beispielsweise ein Natriumchlorid-Fabry-Perot-Etalon 36. Mit dem Betriff "Fabry-Perot-Etalon" wird hier ein "Fabry-Perot-Interferrometer" bezeichnet. Vorzugsweise ist das Etalon oder Interferrometer annähernd senkrecht gegenüber der optischen Achse des Systems angeordnet und wird durch ein mikrometerbetriebenes Teil gekippt, um die Änderung der effektiven Etalon- oder Interferrometer-Dicke zu erleichtern. Die Eigenschaften eines Fabry-PerotrInterferrometers oder Etalons sind dem Fachmann bekannt, so daß hier eine Theorie des Betriebs des Interferrometers oder Etalons entfallen kann.

Eine spektroskopische Untersuchung des Ausgangs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigte, daß das Auftreten spezieller Linien mit dem einer speziellen Wellenlänge mit einer optischen Pfadlänge, im Natriumchlorid-Fabry-Perot-Interferrometer gleich einer ganzen Zahl von Viertelwellenlängen in Beziehung stand. Wenn somit die Transmission des Etalons oder Interferrometers für irgendeine

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bestimmte Wellenlänge maximal ist, so wird die Wahrscheinlichkeit der Schwingung bei dieser speziellen Wellenlänge erhöht. Wenn eine optische Wellenlänge der Viertelwellenlängenbedingung nicht genügt, so wird ein Reflexionsverlust aus dem Resonatorhohlraum von bis zu 15% in den speziellen Übergang eingeführt. Dieser Verlust ist derjenige eines Fabry-Perot-Interferrometers, welches die Fresnel-Reflektivität (4% im 10.Mikron Wellenlängenbereich) der Natriumchlorid-Oberflächen besitzt.

Es wird angenommen, daß der Grund für das Auftreten des Mehrlinienbetriebs bei Durchführung der Erfindung in Folgendem liegt:

Die Verstärkungskoeffizienten der verschiedenen P- und R-Zweigübergänge in der Mitte des 10,6 Mikron-Rotationsbandes des C0„ sind nahezu identisch mit der Ausnahme des P(20)-Übergangs. Die P(20)-Übergangslinie besitzt einen Verstärkungskoeffizienten, der - wenn man ihn mit anderen interessierenden Übergängen vergleichtanormal hoch liegt, und zwar um bis zu 10%. Dieser hohe Verstärkungskoeffizient bewirkt das Dominieren der P(20)-Linie in dem Ausgang sämtlicher verstärkergeschalteten TEA-Laser. Wenn gemäß der Erfindung ein einen wellenlängenabhängigen Verlust erzeugendes Mittel - wie beispielsweise ein Fabry-Perot-Interferrometer - in den Oszillatorhohlraum eingesetzt wird, so dient dieses Mittel zur Absenkung der Nettoverstärkung des normalerweise dominierenden P(20)-Übergangs um eine Größe, die ausreicht, um einem oder mehreren der P(16), P(18), P(22) oder P(24) Übergänge einen erfolgreichen Wettbewerb für eine verfügbare Population des oberen Zustands zu gestatten.

Ein betriebsmäßiger C0₂-Laseroszillator kann bei Durchführung der Erfindung verwendet werden, und zwar einschließlich von sowohl Hochdruck- als auch Niederdruck-, Hochleistungs- und Niedrig-

. + verstärkungsgeschaltQten, leistungs-, modeverriegelten,Q-geschalteten,/kontinuierlichen, mit statischen Gasen oder strömenden Gasen arbeitenden C0₂-Laseroszillatoren, die eine Hohlraumgeometrie aufweisen, welche das Einsetzen von Mitteln gestattet, die einen wellenlängenabhängigen Verlust in einer richtigen Größe vorsehen. ) modengekoppelt

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In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel wurde ein Lamberton-Pearson-Doppelentladungslaser verwendet, der Bruce-Profilelektroden von 18 cm aktiver Länge aufwies, die 1,5 cm getrennt waren. Der Hohlraum wies einen im Inneren angeordneten Germaniumausgangsgrößenkoppler mit 3,0 m Krümmungsradius und 98% Reflektivität auf, der 84 cm Abstand gegenüber einer total reflektierenden dielektrischen, mit mehreren Schichten überzogenen optischen Ebene aufwies.

Bei Betrieb in der verstärkungsgeschalteten Mode mit 7,0 Joule Eingangsgröße entsprechend einer Anregungsbelastung von ungefähr 80 Joules pro Liter zeigte der Laser einen Verstärkungskoeffizienten von 2,8% pro cm bei einer Gasmischung aus 7:1:1 von He:C0„:N_. Die Mehrlinienausgangsimpulse besaßen 75-5 Milli-

+ joules Energie und hatten eine Dauer von 125 - 15 Nanosekunden (volle Breite bei halbem Maximum) und zwar gemessen mit einem schnell ansprechenden Photonennachlaufdetektor.

Eine spektroskopische Untersuchung der Vorrichtung wurde mit einem 3/4 Meter-CO Laserspektrumanalysator der "Optical Engineering Ine" Modell 16a, durchgeführt.

Fig. 4 stellt schematisch die relativen Intensitäten der verschiedenen Laserübergänge dar, die auftraten, wenn das Natriumchlorid-Fabry-Perot-Interferometer um einen Winkelbetrag von 5 verdreht wurde. Die Periodizität jedes Übergangs in der Ausgangsgröße wurde bestimmt, um mit dem entsprechenden Übergang in Beziehung gesetzt zu werden, der eine optische Pfadlänge im Interferrometer gleich einer ganzen Zahl der Viertelwellenlängen besitzt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

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Übergang	R(16)	P	(16)	P	(20)	P(24)
λ Luft	10,275	1	0,551	1	0,591	1O,632
λ Salz	6,878	7	,062	7	/089	7,116
Λ P (,M Bahn oder Pfadänderung im Interferrometer (Etalon) für Über gangsauftreten	1,707	1	,793	1	,742	1 ,8OO
fVp	0,248	O	,254	O	,246	0,252
^ Salz

Die Periodizität des Laseroszillationsauftretens ist demnach

Wenn die Transmission des Interferrometers ein Maximum für eine bestimmte Wellenlänge war, so wurde die Wahrscheinlichkeit des Schwingens oder Oszillierens erhöht. Wenn die optische Bahnlänge der Viertelwellenlängenbedingung nicht genügt, so wird ein Reflexionsverlust aus dem Resonator heraus von bis zu 15% in den speziellen Übergang eingeführt. Wie oben erwähnt, ist dieser Verlust derjenige eines Fabry-Perot-Interferrometers, welches die Fresnel-Reflektivität (4% im 10 Mikron-Wellenlängenbereich) der Salzoberflächen besitzt. Da die Verstärkungen der verschiedenen Übergänge innerhalb von 10% voneinander liegen, ist es durchaus vernünftig, daß der durch das gekippte Interferrometer eingeführte wellenlängenabhängige Verlust den höchsten Verstärkungsübergang P(20) herunterdrücken könnte, und ferner zulassen könnte, daß ein Übergang mit einer geringeren Gesamtverstärkung, wie beispielsweise der P(16)-Übergang, dann,wenn er die Viertelwellenlängenbedingung erfüllt, auch schwingt. Das Auftreten der R(16)-Linie an Stelle der P(18)-Linie mit der eine Konkurrenz in der CO₂-Niveaustruktur vorliegt, wird auf die zusätzliche Wellenlängenselektivität zurückgeführt, die durch das eineNicht-Brewster-Winkel-Salzfenster eingeführt wird, welches verwendet wird,, um Zugang zur Zone im Hohlraum zu haben.

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Eine genaue Spektralmessung wurde dadurch durchgeführt, daß man die Winkelorientierung des Interferrometers oder Etalons derart einstellte, daß die R(16)-, P(16)-und P(20)-Linien gleichzeitig oszillierten. Die relativen Energien wurden dadurch gemessen, daß man die Laserausgangsgröße durch ein Jarrell Ash Modell 82-420, O,25 Meter, Monochrometer richtete, welches mit einem pyroelektrischen Detektor ausgestattet war. Das Ausgangsspektrum ist in Fig. 5 dargestellt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1./Gaslaseroszillator, gekennzeichnet durch einen optischen Resonanzhohlraum, ein CO₂-Lasermedium, welches durch Mittel innerhalb eines optischen Hohlraums gehalten ist, Mittel zur Bewirkung einer Besetzungsumkehr im Lasermedium, sowie Mittel zur Erzeugung eines wellenlängenabhängigen Verlusts innerhalbs des Hohlraums zur Erzeugung eines mehrere Linien aufweisenden Ausgangs.

2. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bewirkung der Besetzungsumkehr Mittel zur Einleitung einer gleichförmigen elektrischen Entladung hoher Energie im Lasermedium aufweisen, derart, daß die Entladung die Besetzungsumkehr erzeugt.

3. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Modeverriegeln des Laseroszillators vorgesehen sind.

4. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Verlust erzeugenden Mittel innerhalb des Hohlraums angeordnet sind.

5. Laseroszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Verlust erzeugenden Mittel ein Fabry-Perot-Interferrometerfilter aufweisen.

6. CO^-Gaslaseroszillator, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Mehrlinienausgangsgröße Mittel zur Erzeugung eines wellenlängenabhängigen Verlusts vorgesehen sind.

7. Laseroszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser elektrisch gepumpt wird.

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8. Laseroszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verlust erzeugenden Mittel innerhalb des Oszillators angeordnet sind.

9. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ■den wellenlängenabhängigen Verlust erzeugenden Mittel ein Fabry-Perot-Etalonfilter aufweis en.

10. Verfahren zur Erzeugung einer mehrere Linien aufweisenden Ausgangsgröße mittels eines Gaslaseroszillators, gekennzeichnet durch einen optischen Resonanzhohlraum, ein CO„-Lasermedium. welches durch Mittel innerhalb des Hohlraums eingeschlossen ist, wobei das Verfahren ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Besetzungsumkehr im Lasermedium erzeugt wird, und ein wellenlängenabhängiger Verlust eingeleitet und aufrechterhalten wird, um die mehrere Linien aufweisende Ausgangsgröße zu erzeugen.

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