DE2537234A1 - Argon-stickstoff-uebertragungslaser hoher leistung - Google Patents

Description

Argon-Stickstoff-Übertragungslaser hoher Leistung

Die Erfindung bezieht sich auf Gaslaser, insbesondere Argon-Stickstoff-Laser bzw. ähnli eher Mi scnungen von Edelgasen als Donatoren mit verschiedenen lasenden Gasen bei hohen Drücken und hoher Pumpleistung.

Der erste arbeitsfähige Gaslaser war der Helium-Neon-Laser, wobei Helium zur Absorption von HP-Pumpenergie und deren Übertragung auf das i'Jeon verwendet wird, welches als das lasende Gas seinerseits die Energie verstärkt und die Emission eines Laserstrahles bewirkt.

Seit einiger Zeit ist der hohe elektrische Umwandlungswirkungsgrad verschiedener Edelgase, z.B.iMeon, bekannt, wie er beim Betrieb von Vakuumultraviolett-Lasern (VUVJ

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auftritt. Es wurde bisher jedoch nicht erwartet, daß Argon oder ein ähnliches Nobelgas in einem Gaslaser zur Erzeugung einer Ausgangswellenlänge verwendet werden kann, die zur Übertragung durch ein atmosphärisches "Fenster" geeignet wäre ( eine durcn atmosphärische Gase mit geringer oder keiner Dämpfung übertragene Wellenlänge). Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch einen Argon-Stickstoff-Laser gelöst, der in der Lage ist, eine für eine solche Transmission geeignete Ausgangswellenlänge zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Laser verwendet elektronische Anregungsenergieübertragung von Argon auf Stickstoff, um ein Lasen herbeizuführen, wodurch eine neue Klasse von Edelgas-Übertragungslasern hoher Leistung für den Bereich sichtbarer Strahlung und kürzerer Wellenlängen aufgezeigt ist.

Die Erfindung ist aus einer Reihe verschiedener Gründe besonders überraschend. Obwohl verschiedentlich versucht, war man bisher nicht in der Lage, Argon-Stickstoff-Mischungen in praktischer Art und V/eise lasen zu lassen. Offensichtlich wurde bisher Argon ( oder ein ähnliches Donatoredelgas) inkeiner genügend hohen Konzentration und Energie verwendet, um das über die Maßen bekannte "Flaschenhals" (bottle-necking) - Problem zu vermeiden. Tatsächlich erschien aus der Theorie der Übergangsmechanismus und die hierzu notwendige resultierende Laserwirkung nicht ermutigend. Forscher, die mit Argon-Stickstoff-Miscnungen arbeiteten, versicherten, daß diese Mischungen nicht lasen würden, da der Energietransfer oder die Energieübertragung niedrigere Energieniveaus des Mediums begünstigen würden - anstelle von höheren Niveaus, wie sie für das Lasen erforderlich sind. Die Systeme gemäß der Erfindung, haben jedoch das anstehende Problem mit dem gleichermaßen überraschenden

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Ergebnis der Schaffung einer neuen 3 577 Ä Ausgangswellenlänge gelöst mit einigen sehr speziellen Eigenschaften und neuen Anwendungsmöglichkeiten.

Wie im folgenden näher erläutert wird, eröffnet die Erfindung den Weg zu einer Familie von Edelgasdonator-Lasern zur Erzeugung solcher Ergebnisse bei hohem Druck. Beispielsweise kann Argon bei 7 at, gemischt mit nur 0,5 at Stickstoff und mittels eines 1,3 MeV Elektronenstrahls (durchschnittliehe Stromdichte 300 A /cm ) angeregt, eine sehr starke Laser-Ausgangsleistung erzeugen C Spitzenleistung etwa 0,5 Megawatt oder mehr mit einem vernünftigen Wirkungsgrad von etwa 0,2 %). Darüberhinaus sind wesentlich höhere Ausgangsleistungen und Wirkungsgrade ( bis zu einigen Prozent) angezeigt, Dies würde bei einem herkömmlichen Wiederdruck- -Stickstoff-Laser einer Sättigungsleistung von etwa 2 kW/cm, bei einem erfindungsgemäßen Ar-N^-Laser ©ine* Sättigungsleistung von etwa 10 kW/cm entsprechen. Dies kann zum Teil duren eine Kollisionsdepopulationsrate des Laser-Endniveaus ( terminal laser level) bei höheren Drücken erklärt werden. Die Erfindung ist anhand der folgenden Beschreibung sowie der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gaslasers zur Verwendung bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine Gegenüberstellung von Stromdichte gegen Gasdruck ( Ausgangsintensität) des Ausführungsbeispiels und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des " Energieniveaudiagramms" zur Darstellung der Übertragung von Anregungsenergie von Argon- auf Stickstoff-Partikeln in verschiedenen Energieniveaus und der darauf folgenden Energievers chiebungT

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Beispiel I Grundsätzliches Ausführungebeispiel — Argon/Stickstoff

wie in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Argon-Stickstoff-Laser ausgebildet, wobei die lasende Gasmischung in der Laserkavität

I der Gaszelle eingebaut ist. Ein Paar Magnesiumfluoridfenster 3,5 an den beiden Enden der Kavität definiert zwischen sich die Laserkavität (Gaszelle) 1; hinter dem einen Ende ist ein Reflektor 7 (92%) vorgesehen. Am Ausgangsende ist ein Magnesiumoxiddiffusor 9 zur Streuung eines gewissen Anteils der Ausgangsstrahlung zu einem Fotodiodendetektor 11 vorgesehen. Mittels einer Elektronenstrahlanordnung ( die insgesamt mit e~ bezeichnet, jedoch nicht in den Einzelheiten dargestellt und wohlbekannt ist) wird Pumpenergie aufgebracht. Wegen einer Reflektion von etwa 5% an den Magnesiumfluoridfenstern bildet das Ausgangsfenster 5 eine Ausgangskupplung mit einer Kupplung von etwa 95%. Ein Spiegel 9 fluchtet ( ZiB. mit einem He-Ne-Laser) mit der Ausgangskupplung 5 - C, die so angeordnet ist, daß sie den Laseransgangsstrahl LOB schneidet und einen Teil desselben zwecks Messung dem Fotodetektor

II zuleitet. Eine zeitweise in die optische Kavität eingesetzte Strahlteilungeinrichtung kann die fluchtende Ausrichtung unterstützen.

Ein Physics International Model Pulserad 110 A mit einem Ausgangsstrom von 20 kA bei 1 MeV bei einem 20 ns Impuls über eine Fläche von 2 cm mal 10 ergibt eine Elektronenkanone ( e") zur Anregung der Hochdruckgaszelle. Eine maximale

Stromdichte der Kanone von etwa 1 kA/cm ( mit einer 0,076 mm Anodenfolie) ergibt eine effektive Stromdichte ( innerhalb der Gaszelle nach Durchquerung von 0,1 mm Titan und 1 cm Luft) von 400 A/cm an der Stirnseite der Gaszelle und von 200 A/cm an der hinteren Seite ( ein Durchschnitt von 300 A/cm ).

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Die Stromdichte ist bei der .bildung der Las er schwelle ein wichtiger Parameter-und kann durch Zwischenschaltung zusätzlicher Streufolien oder -blenden zwischen die Anodenfolie der Elektronenkanone und der Gaszelle variiert werden. Die Versorgungsspannung der Kanone (Diode) kann ebenfalls variiert werden ( hier in einem Bereich von 1,3 bis 1 MeV). Da der Elektronenbereich viel größer als die Dimensionen der Gaszelle

isti das Delta E beträgt etwa 35 keV bei 0,07 kg/mm absolut und 1 MeV), verändern kleine Änderungen der (relativistischen) Elektronenstrahlenergie die Pumprate nicht wesentlich.

Ergebnisse

Dieses Ausführungsbeispiel erzeugte Laserschwingungen hoher Leistung im"zweiten positiven Band" von Stickstoff, die wesentlich dem hohen Argondruck und der hohen Pumpleistung zugeschrieben werden. Laseruntersuchungen wurden durchgeführt; in erster Linie Intensitätsmessungen unter Verwendung der Fotodiode 11,im vorliegenden Fall wurde eine ΙΤΐ-Fotodiode FW114A verwendet. Die Fotodiociensignale wurden mit einem Tektonics 7904 Oszilloskop mit einem 500 mHz Vertikalverstärker gemessen. Zur Vermeidung der Sättigung der Fotodiode wurde der optische Ausgang durch diffuses Beugen von einer MgO-Überfläche 9 gedämpft, siehe Fig. 1. Gleidi zeitig mit der optischen Intensität wurde die Stromdichte der Gaszelle überwacht, und zwar mittels einer Faradaysonde, die bündig mit der hinteren Zellenoberfläche angeordnet war. Spektralmessungen des Laserausgangs wurden mit einem SPEX "1800" 1-Meter Czerny-Turner Spektograph durchgeführt, der eine Dispersion von 10 Ä/mm aufwies. Der spektrale Ausgang wurde entweder mit einer Fotodiode oder durch Filmaufzeichnung ausgewertet.

Die Signale der B'otodiode und der Faradaysonde wurden von einer angeregten Gasmischung abgenommen, die 8% Np und 92% Ar bei

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0,07 kg/mm absolut (Total-Druck) aufwies. Eine zeitliche Verengung des optischen Impulses war evident; der 8 ns FWHM-Impuls wies eine Entstehungszeit von 2 ns auf, während der Elektronenstrahlstromimpuls etwa 20 ns (FWHM) breit war und in etwa 5 ns entstand. Der normale Fluoreszenzimpuls folgte der Form des Stromimpulses. Die Laserimpulsspitze trat innerhalb von + 3 ns der Stromimpuüsspitze auf.

Weitere Hinweise auf die Laseroszillation wurden durch fotooptischejyiessungen der Ausgangs strahlungsintensität bei entferntem gesamten Reflektor und nicht fluchtenden Spiegeln der Kavität erhalten. Bei diesen Untersuchungen sank die Intensität um mindestens zwei Größenordnungen ab, und in beiden Fällen trat keine zeitliche Verengung auf. Ein anderes bei den hohen Drücken beobachtetes besonderes Merkmal war eine neue Laserausgangswellenlänge. Während nämlich ein konventioneller (Niederdruck; Stickstofflaser bei 3371 Ä oszilliert, sendet der erfindungsgemäße Hochdruck Ar-Ng- -Laser einen Strahl bei 3577 A¹ aus.

Eine Analyse zeigt, daß Wirkungsgrade bis zu einigen Prozent ebenso wie größere Impulslängen erhalten werden können, was zu einem in der Tat wirksamen Ar-Np-Laser hoher Energie führt (d.h. mit optimierten Optiken). Obgleich das beschriebene Ausführungsbeispiel pulsierende Ausgangsleistung erbringt, kann es im Rahmen des Vermögens eines Durchschnittsfachmannes ohne weiteres zur Erzeugung einer kontinuierlichen Ausgangsstrahlung abgeändert werden.

Parameter der Pumpleistung (.Elektronenstrahl hoher Leistung)

Die optische Ausgangsleistung des beschriebenen Ausführungsbeispiels zeigte die charakteristische Laserschwelle als eine Funktion der Elektronenstrahlstromdichte. Dies wiedergebende

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experimentelle Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt, die eine Kurve "P-C" der Fotodiodenspannungsspitze i, Laserausgang) gegen die Faradaysondenstromspitze (Pumpleistung) wiedergibt. Unterhalt» der "Schwelle" (im vorliegenden Fall etwa 50 - 70 A/cm ) folgt der optische Ausgang zeitweise dem Stromimpuls, Wenn die Stromdichte jedoch größer als die Schwelle wird, erfolgt eine zeitliche Verengung zusammen mit einem wesentlichen Anwachsen der Ausgangsintensität. Wie am besten aus den Ergebnissen gemäß Fig. 2 entnommen werden kann, vergrößert sich die Ausgangsintensität um zwei Größenordnungen, wenn die Elektronenstrahlstromdichte verdoppelt wird — ein überaus eindrucksvolles Ergebnis!

Die Gesamtausgangsleistung des Lasers wurde mit einem integrierenden pyroelektrisehen Detektor Gentec Model ED200 gemessen. Die höchste gemessene Energie betrug 4 mJ, was einer Spitzenleistung von 500 kW für einen Impuls von 8 ns (FWHM) entspricht. Diese Spitzenleistung stimmt mit dei Fotodiodenmessungen nach Korrektur der geometrischen Dämpfung überein. Im Knie der Schwellenkurve (P-C in Fig. 2) beträgt die Spitzenleistung etwa 300 kV/; oberhalb dieses Bereiches scheint die Laserausgangsleistung linear von der Stromdichte abzuhängen. Mit der 95% Ausgangskupplung ist die Leistung im Inneren der Kavität etwa gleich der Ausgangsleistung, so daß die geschätzte Sättigungsleistung etwa 300 kW beträgt entsprechend einer Sättigungsintensität von 100 kW/cm . Dies ist beträchtlich mehr als die bisher berichtete Sättigungsintensität (z.B. D.A.Leonard, "Saturation of the Molecular Nitrogen Second Positive Laser Transition", Appl.Phys.Letters Xt 4 (1965), für einen Niederdruck-Stickstoff-Laser, der im zweiten positiven Band betrieben wird).

Eine verbesserte Sättigungsleistung von 10 kW/cm³ wurde beobachtet, und zwar gegen eine sehr wohlwollende Bewertung

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des 2 kW/cm -Niveaus eines konventionellen Niederdruck- -Stickstoff-Lasers. Die gesteigerte Sättigungsleistung wird auf eine höhere Kollisionsdepopulationsrate des Endniveaus von Stiokstoff-Lasern bei höheren Gasdrücken zurückgeführt.

Analyse der Ausgangsleistung

Vorläufige Messungen der Strahldivergenz wurden durch Filmbelichtung in wachsenden Abständen von der Laserkavität durchgeführt. Die gemessene Strahldivergenz betrug 10 mrad, verglichen mit einer potentiellen geometrischen Divergenz von 60 mrad für ein "zwei-pass" System. Diese Tatsache, zusammen mit der Beobachtung, daß die Laserausgangsleistung bezüglich des Fluchtens oder der Ausrichtung der Kavität empfindlich ist, zeigt eine "multipass Laser oszillation". Bei einer Laserirapulsbreite von 8 ns und einer Länge der Kavität von 12 cm waren nahezu 8 Umläufe möglich.

Es ,kann ebenfalls, auf der Basis der absorbierten Elektronenstrahlenergie eine Schätzung des Laserwirkungsgrades gemacht werden. Die Sperrleistung des 0,07 kg/mm Argon beträgt etwa 16 kV/cm. Die gesamte von der 30 cm Kavität während des Elektronenstrahlimpulses ( 15 ns FWHM) bei einer

durchschnittlichen Stromdichte von 300 A/cm absorbierte Energie wird mit 2 J.berechnet. Deshalb bedeutet eine Ausgangsleistung von 4 mJ einen Wirkungsgrad von etwa 0,2 %. Da jedoch die hierfür angedeutete Basis etwas grob und empirisch ist, kann angenommen werden, daß der Wirkungsgrad wesentlich höher mittels herkömmlicher Optimisierungsarbeiten angehoben werden kann.

Das Fluoreszenzspektrum von 16 atm N₂ zeigte drei Linien: 3371 Ä, 3577 & und 3805 Ä. Diese Linien gehören zum Übergang

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ν' = O des C.{f_u Zustande zum ν¹' =0, 1, 2 des Erff" Zustands, der Np-Moleküle. Diesselben Linien erschienen im Fluoreszenz- -Spektrum einer 15 atm Ar/1 atm Np-Mischung, jedoch mit beträchtlich größerer Intensität. Dies ist wahrscheinlich auf Energieübertragung und ebenso auf eine Reduzierung der Selbstabschreckung des Stickstoffs im "C"-Zustand zurückzuführen.

Das Laser-Spektrum bestand in erster Linie aus der 0-1 Linie bei 5577 $· . Messungen mit der Fotodiode zeigten, daß die anderenzwei Linien eine Intensität aufwiesen, die um mindestens zwei Größenordnungen geringer war. Somit erbringt die Spektraluntersuchung weitere Hinweise auf eine Laseroszillation sowie eine nachdrückliche Untermauerung der Schaffung einer neuen 3577 Ä -Linie mit relativ hoher Intensität»

Parameter des Gesamtdrucks der Kavität

Der Gesamtdruck der Zelle wurde von 0,014 kg/mm absolut bis

0,182 kg/mm absolut unter Verwendung dreier Gasmischungen

fte se/

( 4%, 8% und 10% Stickstoff,- Argon) verändert. Die günstigste

Ausgangsleistung wurde mit einem Druck von etwa 0,7 kg/mm absolut und einer Mischung aus 8% Stickstoff und 92.% Argon erhalten. Die Kavität wurde vor der Auffüllung mit der Stickstoff-Argon-wischung mit einer Diffusionspumpe auf 2 χ 10 torr evakuiert, um so den Gasfeinheitspegel bei 99,99% Reinheitsspezifikation der Gasversorgung zu halten.

Ebenfalls wurde der Laserausgang als eine Funktion des Drucks bei konstanter Elektronenstrahlstromdichte untersucht. Es wurde beobachtet, daß die höchste Laserintensität bei Drücken über 0,7 kg/mm² absolut abfällt. Der Grund für diesen Abfall ist noch nicht klar, da er von einer Reihe von Faktoren stammen kann, z.B. vom Abfall der effektiven Stromdichte bei höheren

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- ίο -

Drücken infolge von Streuverlusten oder von einer ■Verstärkungsverringerung infolge Druckausbreitung oder einem höheren Anteil an nicht strahlenden Verlusten.

Es wurde ebenfalls gefunden, wie vielleicht erwartet werden konnte, daß die Verstärkungslänge ^G-L) größer ( wobei man mit niedrigerer Pumpstromdichte arbeiten könnte) oder kleiner gemacht werden kann. Hierbei muß man jedoch sorgfältig vorgehen, daß man nicht den Schwellenr-G-L-Wert unterschreitet, da dann die Oszillation abbrechen würde.

Somit kann festgehalten werden, daß die oben wiedergegebenen experimentellen Ergebnisse klar das Vorliegen einer starken Laserschwingung bei relativ hart gepumpten Argon-Stickstoff- -Mischungen hohen,Druckes aufzeigen.

Weitere Beispiele: variierte Gasmischungen

Wie oben erwähnt wurde gefunden, daß der Gasdruck ein relativ wichtiger Parameter ist und daß er für die Steuerung der erhaltenen Ergebnisse von Bedeutung ist, vgl. Tabelle I.

Tabelle I

Laser Drücke

Optimum

Totaldruck 4200 (torr) (100 psia

oder 7 atm)

N₂-Druck (Gew.%)

4-8-14

Bevorzugter Bereich

1400 - 8400

0,1-15

Durchführbarer Bereich

50-50,000

0,1-15

Ar-Druck

Differenz

Differenz

Differenz

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253723/,

- 11 Fortsetzung Tabelle I;

Annahme: Beispiel I, Bedingungen — von 50-100 A/cm 1000 oder mehr, bei 1-1,3 Mev; 20 + ns: Leistung bei 0,5 Milliwatt oder mehr mit 30 cm Kavität.

Diskussion der Faktoren

Einige wichtige Betr.iebsparameter für das beschriebene Ausführungsbeispiel und verwandte Ausführungsformen können wie folgt zusammengefaßt werden:

a) Argondruck und -anregung: Es wird ausreichend angeregtes Argon zur Erzeugung der notwendigen Stickstoff-Besetzungsumkehr zur Verfügung gestellt, und um in der Tat die B-*A·2erfallszeit von Stickstoff zu reduzieren ( von etwa 10 000 Nanosekunden (ns) auf etwa 1 Nanosekunden [ns) ). Hierdurch wird die Energieübertragungsrate zum C Zustand (über ein Pumpen von A nach C, Fig. 3) vergrößert, um die Besetzungsumkehr zu bewerkstelligen { zwischen den C und B Zuständen).

Die Wahl von Argon als Energie (Elektronenstrahl)-Absorptionsmedium ist naturgemäß im vorliegenden Fall optimal, obgleich andere Edelgase ähnliche Resultate ergeben werden ( wenn auch in den meisten Fällen.weniger effizient). Die von der Elektronenstrahlquelle eingepumpte Energie muß naturgemäß ausreichend sein, um das Argon hinreichend anzuregen, um dann gaiügend Energie auf den Stickstoff zu übertragen, um diesen, wie beschrieben, anzuregen.

Ein ganz wesentliches neues Merkmal zuzüglich zur hohen Pumpenergie ist der sehr hohe Partialdruck, der bei Argon notwendig ist, um diese Energie auf den Stickstoff zu übertragen und sie somit zu dem angegebenen Elektronenübergang zu "pumpen". Die Kinetik von Argongas und seinem angeregten Energieniveau

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passen sehr gut zu dem des Stickstoffs ( im Grundzustand) undbegünstigt somit die gewünschten Ergebnisse — vor Durchführung der vorliegenden Versuche wurde diese günstige Auswirkung jedoch nicht notwendigerweise beachtet; erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die notwendige Argonkonzentration 10 bis 50 mal größer als die des Stickstoffes sein muß — überaus überraschend sowie neu für den Fachmann.

b) Konzentration des Stickstoffs; Ebenfalls ist es wichtig, wenigstens einen Minimalanteil von Stickstoff (zusammen mit einer Minimalstromdichte zum Anregen des Argons) zu haben, um so jeglichen "Flaschenhals" abzubauen und die gesamte Quantenausbeute zu vergrößern.

Xn diesem Zusammenhang sei auf das Diagramm der Energieniveaus und Übergangsmechanismen gemäß Fig. 3 verwiesen. Hier sei die Pumpenergie (vom Elektronenstrahl zum Argon : "e + Ar") als Anregung für das Argon verstanden — entweder einatomig ( Ar*; oder molekular (Ar*p)> das seinerseits einen gewissen Anteil seiner Anregungsenergie auf den Stickstoff in seinen Grundzustand (Np (X) ) übertragen kann. Der dann angeregte Stickstoff wird dann entweder auf sein "C-Niveau" ( Np(C) ) oder sein "B-Niveau" (Np(B) ) an^hoben, von denen es dann gleichzeitig mit einer Protonen (hr)-Emission abfällt oder zerfällt ( C-H3 resultiert in einem "Lasen").

Nunmehr muß die Besetzung (Population; des C-Zustandes größer als die des ιμ_? (B)-Zustandes und der beschriebenen Argon-Anregung gehalten werden, und eine günstige Energieübertragung nach Np (X)-begünstigt die B- und C-Niveaus des Stickstoffs, wobei angenommen wird, daß die sich einstellende gesteigerte Verfügbarkeit von iAr, (A; eine "Pooling" -Keaktion in gleicher Richtung ermöglicht ( d.h., eine Kollision von Np (A) + Np (A; hebt ebenfalls auf die B- oder C-Niveaus an).

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Es wird aomit angenommen, daß zum Erzielen von Lasen selbst mit höheren Wirkungsgraden genügend Stickstoff anwesend sein muß, so daß zwei Atome in A-Zustand kollidieren können mit Resultat, daß einige von ihnen in den C-Zustand angehoben werden und mehr C-+B-Strahlungsabgabe mit begleitender Freigabe von Photonenergie ermöglicht wird ( dies erbringt ein erfolgreiches "Lasen").Natürlich findet ein weiterer Stickstoffabstieg von B-*A statt und anschließend eine Rezirkulation vom Α-Zustand (wie vorstehend beschrieben) mit Energiezuführung zum C-Zustand- — der Grund hierfür liegt in einem schnelleren Abfallen von C nach A als von A zum Grundniveau ( und um ebenfalls "Flaschenhals" zu umgehen).

Ein anderer wesentlicher Parameter ist gleichermaßen die Konzentration der Verunreinigungen. Beispielsweise können Sauerstoff- oder HO in sehr kleinen Konzentrationen den A-»Grund Übergang ausreichend beeinflussen, um erfolgreiches Lasen zu verhindern. Es wurde ebenfalls gefunden, daß die Zufügung von lediglich Λγο NO(mit etwa &Ά N₂, Rest Ar) ein Lasen völlig unterdrücken kann. Andererseits besteht natürlich die Möglichkeit, das imO selbst (anstelle von N₂, wie oben) in einem modifizierten System auf dem gleichen Energieniveau zum Lasen zu veranlassen, wie dies dem Fachmann ohne weiteres möglich ist.

Die Auswirkungen hoher Edelgaskonzentrationen (Argon; und einer vergrößerten Stromdichte sind unten in Tabelle II für den vorbezeichnetsi Ausführungsbeispielen ähnlichenund verwandtenSysteme zusammengefaßt.

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Tabelle II

5577 ά Lasen — Hochdruck Argon/Stickstoff;hohes i/cm

2 3371

N₉ allein bei 15 atm und 50 A/cm -»Fluoreszenz bei 3577 ^z 3805

3371 Ä N_o+Ar (1:16 atm) und 50 A/cm -* stärkere Fluoreszenz bei 3577 S

3805

N₂+Ar 11:16 atm) und 150 A/cm²-*· Lasen bei 3577

Anwendungsmöglichkeiten

Sine Anzahl interessanter Anwendungsmöglichkeiten ist für die erfindungsgemäßen Laser gegeben. Der Strahl mit einer Wellenlänge von 3577 $ (zwischen sichtbar violett und vakuum- -ultra-violett) wird überraschenderweise durch kein atmosphärisches Gas absorbiert, nicht einmal durch Ozon.Mit dem außerhalb des Ozonabsorptionsbandes liegenden Ausgangsstrahl ist eine praktisch absorptionsverlustfreie Übertragung in der Atmosphäre möglich; die Übertragung ist lediglich durch die Rayleigh-Streuung begrenzt. Dies ist überaus überraschend, und der Fachmann wird dies anerkennen. Sin kompaktes Laser- -Radar sowie andere damit in Beziehung stehende Kommunikationssysteme werden ermöglicht. Derartige Verwendungen wurden seit langem gewünscht (z.B. für Hochgeschwindigkeit-Daten-Übertragungen, für die bisher die atmosphärische Absorption die Grenze setzte), Bis vor kurzem wurde angenommen, daß eine Laserstrahl-Übertragung in der Atmosphäre bis maximal 30-50 km möglich ist — bei gutem Wetter! Es wurden selbst solch ausgefallene Auswege wie eine kontinuierliche "Lichtrohr"-Leitung/ der atmosphärischen Absorption in Betracht gezogen, zur Vermeidung

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Die Dektoren sind sehr empfindlich auf die neue Wellenlänge; die typischen atmosphärischen Grenzschichten stören sie nicht und beeinflussen sie auch nicht nachteilig.

Verwandte Anwendungsmöglichkeiten sind: Geschoßverfolgung (z.B. für den "tiefen Weltraum"), Flugzeuglandesysteme ( z.B. Laser-Radar zur Verwendung bei schlechtem Wetter), Detektions- und Meßsysteme für Gyrosysteme, und selbst für Verschmutzungsüberwachungssysteme. Die neue Wellenlänge beträgt etwa 1/15 der eines CO-Lasers und kann deshalb etwa 200 mal "enger" fokussiert werden. Auch ist die Wellenlänge mit 3577 S viel leichter als die längeren, konventionellen Ausgangswellenlängen zu modulieren ( z.B. für Informationsübertragung). Sie ist auch zur Stimulierung verschiedener chemischer Verfahren geeignet.

Der erfindungsgemäße Ar-iNlp-Laser kann ebenfalls zum Pumpen von Färbstoff-Lasern verwendet werden, wobei er die Ausgangswellenlänge v/irksam nach jedem gewünschten Wert der sichtbaren und etwas kürzeren Wellenlängen verschieben kann. Da die Farbstoff-Laser eine große Quantenausbeute haben, ist der Gesamtwirkungsgrad eines solchen Systems sehr hoch. Derartige Quellen sind ebenfalls bei einer Vielzatil von fotochemischen Prozessen sehr nützlich, z.B. bei der Entwicklung von wirksamen Verfahren zur Isotopentrennung und bei der fotochemischen Synthese in Abhängigkeit von der Wellenlänge.

Eine sehr wesentliche Anwendungsmöglichkeit für den erfindungsgemäßen Ar-Np-Laser ist bei der Plasmaerhitzung durch inverse "Bremsstrahlung" - Absorption für die Erzeugung wirksamer, punktförmiger Röntgenstrahlen gegeben. Eine weitere wesentliche Anwendung smöglichke it besteht in Verbindung mit der thermonuklearen JAision. Obgleich derzeit wirksame Infrarot-Laser mit 5 und 10/um erhältlich sind, wird Strahlung dieser Wellenlängen durch ein hochdichtes Plasma reflektiert. Die Ausgangswelle des erfindungs-

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gemäßen Ar-i\i₂-Lasers dürfte nahe dem Optimum der Wellenlängen liegen, die zur Erzielung der thermonuklearen Fusion mit der durch Trägheit begrenzten Plasmaerhitzung erwünscht sind.

Gleichermaßen ist der erfindungsgemäße Laser zur Erzeugung von Röntgenstrahlen geeignet. Anstelle eines Elektronenstrahles zur Bombardierung eines Röntgenstrahlenzieles und damit zur Erzeugung von Röntgenstrahlen kann der erfindungsgemäße Laser mit seiner hohen Quantenausbeute eingesetzt werden (z.B. zum Beschießen eines Eisenzieles od. dgl.), um mit größerem Wirkungsgrad Röntgenstrahlen ohne die jetzt auftretenden weichen Strahlen (die herkömmliche Bremsstrahlung) zu erzeugen. Wirkungsgrade in der Größenordnung von 20% erscheinen gegenüber 1% bei herkömmlichem Elektronenbeschuß möglich.

Eine neue Klasse von Lasern wurde im vorstehenden unter Verwendung von Argon oder einem ähnlichen "jJonatorgas^w-Additiv mit hoher Konzentration und hart gepumpt zur Übertragungsanregung von Stickstoff oder einem ähnlichen lasenden Akzeptorgas - insbesondere zur Vermeidung des "Flaschenhalses" (bbttle-necking) - geoffenbart. Molekulare Gase, wie CO, No, NpO und COp sind ebenso wie mehratomige Gase als lasende Akzeptoren geeignet.

Das Donatorgas muß offensichtlich ein gutes, effizientes Absorbens der Pumpenergie sein (z.B. von den Elektronenkollisionen) ; auch muß es zur Übertragung der Energie auf das Akzeptorgas (z.B. Np) wirksam sein. Xenon ist ebenfalls ein mögliches, geeignetes Donatorgas; es weist einen besonders hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Elektrizität in Licht auf (Wirkungsgrad etwa 60% bei niedrigen Temperaturen).

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Somit dient ein Donatorzusatzgas nicht nur zur Vergrößerung der Popuiationsinversxon ( durch gesteigertes Pumpen des Akzeptorgases höheren Niveaus und Depopulation seiner niedrigen Niveaus ) mit angehobenem Druck und höherer Anregung (,mit seiner ausgezeichneten Energieübertragungsfähigkeit) — wodurch gegenläufigen Tendenzen der Akzeptorgase, wie Stickstoff, entgegengewirkt, und der "Flaschenhals" verringert wird — es bewirkt vielmehr auch eine Erleichterung des "Energiepooling" von Stickstoff mit einem weiteren Anwachsen des '»virkungsgradeo.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Gaslaser mit einer Ausgangswellenlänge von 5577 Ä mit einer Einrichtung zur Bildung eines optischen Resonanzweges, einer in diesem optischen ~Jeg angeordneten Laserkavität, einer in der Kavität enthaltenen Lasergasmischung mit einem absoluten Gesamtdruck von 1,4 kg/cm^ bis 18,2 kg/cm und 4 - 16 ;.') Stickstoff, Rest Argon, einer Einrichtung zur Anregung der Gasmischung zu Laserschwingungen und Bildung eines Lichtstrahles mit einer Wellenlänge von 3577 & in dem optischen Äesonanzweg, und einer Einrichtung zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahles aus dem optischen Weg zur Erzeugung eines Ausgangsstrahles.
2. 2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung Ger Gasmiscüung einen Elektronenstrahl aufweist.
3. 3. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

   absolute Gesamtdruck der Gasmischung etwa 7 kg/cm beträgt.
4. 4. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischunü" etwa 3% Stickstoff und 92% Argon aufweist.
5. 5. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung etwa 4% Stickstoff und 96% Argon aufweist.
6. 6. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmiscxiung etwa 16% Stickstoff und 84% Argon aufweist.

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