DE2446219A1

DE2446219A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer stimulierten zweiphotonenemission

Info

Publication number: DE2446219A1
Application number: DE19742446219
Authority: DE
Inventors: Rodney Trevor Hodgson; John Robert Lankard; Peter Pitirimovich Sorokin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-28
Filing date: 1974-09-27
Publication date: 1975-07-10
Also published as: JPS5127994B2; FR2256567B1; GB1448605A; FR2256567A1; US3881115A; JPS5099291A; CA1028042A; IT1020330B; DE2446219C2

Description

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Böblingen, den 25. September' 1974 pr/se

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 019

Vorrichtung zur Erzeugung einer stimulierten Zweiphotonenemission

Stand der Technik

In der US-Patentschrift 3 483 486 wird ein Vielfachphotonenlaser beschrieben, bei dem innerhalb eines Resonators eine oder mehrere stimulierbare Substanzen angeordnet sind, die zwei Gruppen von Ionen enthalten. Die den Resonator begrenzenden Spiegel sind für die stimulierte Emission der ersten Ionengruppe hochreflektierend, während sie für die stimulierte Emission der zweiten Ionengruppe weitgehend durchlässig sind. Aufgrund dieser selektiven Reflektivität der Resonatorspiegel setzt bei geeigneter Anregung eine stimulierte Emission mit einer ersten Wellenlänge ein, durch die die im gleichen Resonator befindliche zweite Gruppe von. Ionen so lange angeregt wird, bis sie trotz der schlechten Reflektivität der Resonatorspiegel für die innen zugeordnete Wellenlänge eine extrem intensive stimulierte Emission erzeugen. Mit der im obengenannten Patent beschriebenen Vorrichtung wird eine Laseremissiori erzeugt, bei der ein erregtes Ion, wenn es im Resonator von einem erregten zu einem unerregten Zustand übergeht, zwei Photonen erzeugt. Bei normalen übergängen ist ^E _m ~ ^E _t = hv, wobei E_m die Energie des erregten Teilchens im erregten Zustand m, E. die Energie des

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Teilchens im unerregten Zustand, h die Planck'sehe Konstante und V die Frequenz der während dieser Übergänge emittierten Photonen ist. In der im obengenannten Patent beschriebenen Vorrichtung befinden sich zwei Arten von Ionen A, B im Resonator eines Lasers und werden zur Inversion ihrer Besetzungen angeregt. Die invertierten Populationen der B-Ionen werden durch eine geringe Güte Q des Resonators oder durch die Wahl besonders langer Lebenszeiten am Senden gehindert. Der Resonator weist eine hohe Güte Q für die invertierten Populationen der A-Ionen auf. Wird der Resonator mit einem intensiven Initiallichtimpuls der Frequenz v_A = γ- gepumpt, so setzt Senden mit einer Frequenz v, ein und wird mit großer Intensität unter Aussendung von zwei Photonen für jeden B-Ionenübergang aufrechterhalten, bis die Population der B-Ionen bis auf die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes absinkt.

Bedingt durch den Aufbau der angegebenen Vorrichtung sowie durch die Art der verwendeten physikalischen Phänomene sind den erreichbaren ImpulsIeistungen sowie der Steuerbarkeit des Impulseinsatzes und der Impulsdauer Grenzen gesetzt, die die Anwendbarkeit derartiger Vorrichtungen einschränken.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung hochintensiver Strahlungsimpulse anzugeben. Darüberhinaus soll bei gutem Wirkungsgrad der Zeitpunkt des Impulseinsatzes sowie die Inmpulsdauer besser beeinflußbar sein als bei den bisher bekannten Vorrichtungen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und in den Unteransprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Vorteile

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden mit Hilfe eines optisch gepumpten Materials intensive Strahlungen mit zwei Frequenzen erzeugt, deren Summe gleich der Zweiphotonenfrequenz des verwendeten Materials ist. Für die Zwecke der vorliegenden

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Erfindung sind flüchtige Monojodide beispielsweise CF₃I und C₅F₇I besonders vorteilhaft. Die Strahlung eines starken Lasers mit der Frequenz u. wird in einem Quarzbehälter eingegeben, der einen auf etwa 1200 ⁰C erhitzten Jod (I₃)-Dampf enthält. Gleichzeitig wird der Joddampf durch Lichtblitze photolysiert, um im Grundzustand befindliche Jodatome zu erzeugen. Es ist selbstverständlich, daß im Grundzustand befindliches Jod auch ohne Lichtblitz-Photolyse durch Erwärmung allein hergestellt werden kann, wenn Temperaturen von 3000 ⁰C und mehr erreicht werden können, ohne den Behälter zu beschädigen. Die Frequenz V erzeugt in der Jodatome enthaltenden Zelle eine intensive stimulierte Ramänstrahlung mit einer Frequenz v_g und einer anderen Frequenz v„, wobei V_n = v_T - 2 v_o. Diese beiden Frequenzen v_o

K K Jj D O

und v_D werden in eine Zelle mit flüchtigen Monojodid eingeleitet, in der der Dampf durch die beiden eintretenden Frequenzen photolysiert wird. Das photolysierte Monoiodid erzeugt gegenüber den eintretenden Impulsen mit den Frequenzen Vr> ^un<ä Vn verstärkte Impulse. Diese beiden Frequenzen werden in einem Material erzeugt, in dem die Summe dieser Frequenzen einer Zweiphotonenfrequenz gleich ist.

Erläuterung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der Fign. 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig· 2 ein Energieniveaudiagramm von mit Hilfe eines

durch einen Rubinlaser erzeugten Strahl gepumpten Jodatomen,

Fig. 3 ein Energieniveaudiagramm von mit Hilfe eines ^: Neodym-Laser erzeugten Strahles gepumpten

Jodatomen.

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Gemäß der Erfindung wird mit Hilfe eines Doppelquantenlasers in einem Material eine intensive Strahlung mit zwei Frequenzen erzeugt, deren Summe einer Zweiphotonenfrequenz des Materials gleicht. Als stimulierbares Material werden vorteilhafterweise erregte Jodatome verwendet, die durch Photodissoziation von CF₃I oder C₃F₅I oder dergleichen erzeugt werden. Diese Substanzen bieten die Möglichkeit, außerordentlich hohe Energien zu speichern und günstige Doppelquantenauswahlregeln auszunützen. Anstelle der gemäß der obengenannten Patentschrift verwendeten zwei verschiedenen Arten von Ionen wird gemäß der vorliegenden Erfindung stimulierte Ramanemission und eine parametrische Vierwellenumwandlung in einem atomaren Jodgas verwendet, um einen Doppelquantenlasereffekt zu erzielen. Eine Erläuterung dieses Vorganges erfolgt im folgenden anhand der Fign. 1, 2 und ³·

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung kann der Laser 2 beispielsweise als Rubin- oder Neodymglaslaser ausgebildet sein, der Picosekundenimpulse von einem Joule oder mehr erzeugt. Der Laser 2 emittiert einen Strahl 4 mit einer charakteristischen Frequenz N^, der einer Quarzzelle 6 mit Joddampf zugeführt wird, der durch nicht dargestellte Mittel auf einer Temperatur von etwa 1200 °C gehalten wird. Die Quarzzelle 6 ist von einem Filter 10 und einer konzentrisch zu ihr angeordneten Xenonlampe 12 umgeben ist. Das Filter 10 läßt nur diejenigen Anteile der Strahlung der Xenonlampe 12 durch, deren Wellenlängen größer als 5000 S sind. Der Druck des I₂-Dampfes beträgt etwa 1/2 Atmosphäre. Die Ausgangsleistung der Blitzlampe 12 liegt in der Größenordnung von 1 Kilojoule pro Mikrosekunde oder mehr. Die Blitzlampe 12 hat die Aufgabe, jeweils ein Molekül des I₃ in zwei im Grundzustand befindliche Jodatome umzuwandeln oder zu dissozieren. Der Lichtblitz der Xenonblitzlampe 12 dauert etwa 50 Mikrosekunden während die Jodmoleküle im dissozierten Zustand mindestens eine Millisekunde verbleiben. Demzufolge kann der Rubinlaser 2 jederzeit innerhalb eines Zeitraumes von 1 Milli-

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Sekunde nach dem Ende des durch die Lampe 12 erzeugten Lichtblitzes eingeschaltet werden.

Der Rubinlaser 4 erzeugt eine Strahlung mit einer Wellenzahl von 14.400 cm"¹ und einer Intensität die genügt, auf die im Grundzustand befindlichen Jadatome so einzuwirken, daß ein stimulierter Ramaneffekt und eine Strahlung mit einer Stokes-Frequenz v_g entsteht. Bei Jod hat der erregte obere Zustand eine Wellenzahl = 7598 cm"¹. Für die aus einem Rubinlaser und den Jodatomen bestehende Kombination ist die Frequenz v_g der stimulierten Ramanemission gleich der Emission des Rubinlasers ν - der Frequenz des oberen Erregungszustandes des Jodes, in Wellenzahlen ausgedrückt 14.400 cm"¹ - 7598 cm"¹. Die Differenz beträgt 6802 cm¹ und

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entspricht Stokes-Frequenz v_g eta«» Bei Verwendung eines Rubinlasers liegt ein hoher Konversionsfaktor (etwa 20 %) vor, wobei die Rubinphotonen von 14.400 cm" in Stokes-Photonen mit einer Wüllenzahl von 6802 cm umgewandelt werden.

Als Ergebnis der obenbeschriebenen Dissoziation eines Jodmoleküls in zwei im Grundzustand befindliche Jodatome und durch anschließendes Pumpen dieser Jodatomone durch den intensiven Strahl 4 des Rubinlasers treten aus der Quarzzelle 6 zwei Strahlen 14 und 16 aus, wobei der Strahl 14 dem ursprünglichen Laserstrahl mit einer Wellenzahl von 14.400 cm, jedoch mit einer um 20 % verringerten Energie entspricht, während der Strahl 16 der Strahlung mit der Stokes-Wellenzahl von 6802 cm"¹ entspricht. Die beiden Strahlen treffen auf eine zweite Quarzzelle 18 auf, die für diese beiden Frequenzen durchsichtig ist» Auch in diesem Fall werden Jodmoleküle in Jodatome dissoziert, wobei ein Jodmolekül in zwei Jodatome dissoziert» In der Zelle 18 werden jedoch die Jodmoleküle unter einem Druck von 10 Torr gehalten, das ist ein Druck, der weit unter dem Druck liegt, unter dem die Jodmoleküle in der Zelle 8 gehalten werden, öarüberhinaus werden die Jodgasmoleküle nur auf etwa 100 ⁰C erwärmt. Eine aus einer Xenonlampe 20 und einem Filter 22 bestehende Vorrichtung dient zur Dissozierung jedes Jodmoleküls in der Zeile 18 in zwei Jod-

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atome. Es ist auch möglich, anstelle der beiden Lampen 12 und 20 und der Filter 10 und 22 eine einzige Lampe und ein einziges Filter zu verwenden. Wenn die beiden Strahlen 14 und 16 mit den Frequenzen ^v_ und "y_ in die Quarz zelle 18 eingetreten sind und die darin befindlichen Jodatome dissoniert haben, werden diese Frequenzen für eine parametrische Vierwellenkonversion verwendet, wie sie beispielsweise in den Literaturstellen "Efficient Parametric Conversion in Cesium Vapor Irradiated by 3 47Q--A Mode-Locked Pulses" - P.Po Sorokin et al in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.. QE 9, No. 2, Feb_o 1973, pp. 227-230 und "Tunable Coherent Metal Vapors" - P„P_O Sorokin beschrieben werden, wobei ein Photon bei einer Frequenz von ν (siehe Fig. 2) zerstört wird, so daß zwei Photonen mit einer Frequenz von ν und ein Photon bei einer Frequenz von v_ erzeugt werden; wobei

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v_ = v_ - 2 v_ ist» Wie aus Fig«, 3 ersichtlich, ist die Summe

■ K - JLi - D . . . .

der Energien der beiden Photoaen mit der Frequenz ν und des Photons mit der Frequenz v„ gleich der Energie gleich des erregten

Energiesustandes CP_11/o) des Joöatoms. Somit erzeugt die Strahlung mit den beiden Frequensen v_e und v_T durch einen Vorgang parametrischer Vierwallenkonversion mit hohem Wirkungsgrad eine weitere Frequenz v„, » v_T - 2v_» Ein Fenster 24 der Zelle 18 läßt Strahlun-

K Jb b

gen mit den drei Freqweasen v_T, v„ und ν_Ώ durch.

Is D K

Neben dem Ausgangsfenster 24 ist-ein Filter 26 vorgesehen, das die vom Rubinlaser ursprünglich ausgehende Frequenz Vj. wesentlich dämpft oder ganz unterdrückt, so daß nur die Frequenzen v„ und v_R zu einer dritten Quar^sselle 28 gelangen. Das Filter 26 kann beispielsweise aus Silicium oder aus gasförmigem Jod bestehen. In der Zelle 28 befindet sich ein flüchtiges Monoiodid, beispielsweise CF₃I₁, Wem dieses Iodid ohne einem Filter zwischen der Zelle 28 und der Lampe 30 mit Hilfe dieser Xenonblitzlampe gepumpt wird, absorbiert es die 2600 2. Strahlung der Pumplichtquelle. Das bei Raumtemperatur und einem Druck von 50 bis 200 tforr gehalten© CP-I dissoziert in CF- und I* (der

2-

2
angeregte Zustand *\/₂ ^des Jodatoms). Bei der Dissoziation von

CFgI in CFg + I* liegt ein Einheitsquantenwirkungsgrad vor, das YO 973 019 E 0 9 8 2 8 / 0 4 3 4

—* "7 —

angeregte Jodatom ist metastabil/ seine Strahlungsübergangswahrscheinlichkeit ist gleich 8/sec. und Zusammenstöße zwischen den restlichen lodidgasatomen und Molekülen unterdrücken nicht das Senden. Die beiden Frequenzen ν und v_R stimulieren einen Doppelquantenübergang v_ + v_. Demzufolge tritt ein Ausgangsim-

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puls 32 mit einer Frequenz^ auf, der eine Verstärkung des Eingangsimpulses gleicher Frequenz darstellt. Weiterhin tritt ein zweiter Aus gangs impuls 34 mit einer Frequenz v_ auf, der eine Verstärkung des Eingangsimpulses mit der gleichen Frequenz darstellt.

Das in Fig. 3 dargestellte Energiediagramm veranschaulichen die Verhältnisse bei dem Doppelquantenlaservorgang, wenn der Pumplaser 2 als Impulsneodymglaslaser ausgebildet ist, der bei einer Frequenz v_(entsprechend einer Weilenzahl von 9400 cm. ) sendet. Die erzeugte Stokesfrequenz v_eentspricht einer Wellenzahl von

-1 -1

1802 cm , die gleich der Pumpfrequenz v_L (Wellenzahl 9400 cm ) minus des angeregten Jodzustandes (P₁ _/0) mit der Wellenzahl 7598 cm ist. Die doppelquantenverstärkten Impulse v_o und v_D

W ·

des Kombinationnod-Neodymlaser haben die Frequenzen v„ (Wellen-

-i T _i ο

zahl 1802 cm ) ^vund v_. (Wellenzahl 5796 cm ).

In Fig. l wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, dessen Wesen darin liegt, zwei intensive Frequenzen V₁ und V₂ zu erzeugen, wobei hv_x + hv₂ die Energie des Materials gemessen von seinem Grundzustand bis zu seinen angeregten Zustand ist. Es ist aber auch möglich, zwei voneinander unabhängige stimulierte Ramanstreuvorrichtungen zur Erzeugung dieser Frequenzen zu verwenden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Erzeugung einer stimulierten Zweiphotonenemission, gekennzeichnet durch einen durchsichtigen Behälter mit flüchtigen Monoiodiden, durch Mittel zur Erzeugung einer Strahlung, die durch Blxtzlichtphotolyse atomares Jod mit starken Inversionen erzeugt und durch Mittel zur Erzeugung zweier intensiver synchroner Impulse mit den Frequenzen ν und v„, wobei 11V₁ und hv, gleich der Energie der angeregten Jodatome ist.
2. Vorrichtung zur Erzeugung einer stimulierten Zweiphotonenemission, gekennzeichnet durch einen durchsichtigen Behälter (6) mit atomarem Jod, einen Laser (2) zur Erzeugung eines Strahls mit einer ersten Frequenz ν , die auf das besagte atomare Jod einwirkt, um durch stimulierte Ramanstreuung eine Strahlung mit einer zweiten Frequenz v_ zu erzeugen, die gleichzeitig mit der ersten Frequenz v_T

auftritt, durch einen zweiten durchsichtigen Behälter (18) mit atomarem Jod, das durch Strahlung mit den besagten Frequenzen ν und ν angeregt wird, so daß durch eine parametrische Vierwellenkonversion eine Strahlung mit einer dritten Frequenz v_ entsteht, wobei v_. = v_ - 2v„ ist, durch Mittel (26), die Strahlung mit der Frequenz v_T unterdrücken

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und Strahlung mit den Frequenzen v_ und v_o durchlassen, und durch Mittel (28) zur Verstärkung der Strahlungen mit den Frequenzen ν und ν , durch Blxtzlichtphotolyse flüchtiger Monoiodide.
3. Vorrichtung zur Erzeugung von zwei stimulierten Emissionsimpulsen aufgrund eines Doppelquantenüberganges, gekennzeichnet durch einen Laser (2) zur Erzeugung einer intensiven Strahlung mit einer Frequenz ν , eine Zelle (6) mit einem Joddampf, der durch den besagten Strahl mit der Frequenz v_L angeregt wird, Mittel zur Dissozierung der

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meisten Moleküle des besagten Joddampfes in Jodatome, wobei dieser Dampf durch den besagten Laserstrahl zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Stokes-Frequenz ν angeregt wird, die gleich ist der Frequenz ν minus der Frequenz des angeregten Zustandes der besagten Jodatome , eine im Verlauf der Strahlung mit den beiden Frequenzen v_ und ν angeordnete zweite Zelle (18), die Jodmoleküle enthält, von denen jedes in zwei Jodatome dissoziert wurde, wobei durch das Zusammenwirken der besagten beiden Frequenzen mit den besagten Jodatomen eine dritte Frequenz v_ erzeugt wird und wobei v_ = v_ - 2ν_σ ist, ein

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Filter (26) zur Unterdrückung der Frequenz ν , so daß nur die Frequenzen \>_s und v_R weitergeleitet werden und durch eine dritte, im Verlauf der Strahlung mit den beiden Frequenzen ν und ν angeordnete, angeregte Jodatome enthaltende Zelle (28), durch die verstärkte, den Frequenzen ^kV _c und v„ entsprechende Ausgangssignale erzeugt werden.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Laser als Rubinlaser ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Laser als Neodymglaslaser ausgebildet ist.

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