DE2630986A1

DE2630986A1 - 16 mikron co tief 2 -lasersystem

Info

Publication number: DE2630986A1
Application number: DE19762630986
Authority: DE
Inventors: William Franklin Krupke
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1975-07-10
Filing date: 1976-07-09
Publication date: 1977-02-10
Also published as: CA1058309A; FR2317790A1; JPS5211793A; US4053851A; GB1537388A

Description

9. Juli 1976 76-R-1798

UNITED STATES ENERGY RESEARCH AND DEVELOPMENT ADMINISTRATION, Washington, D.C. 20545, T.St.A.

16 Mikron CO« - Lasersystem

Die Erfindung "bezieht sich auf Lasersysteme, und zwar insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Induzierung der Laserwirkung in CO₂ mit einer Wellenlänge von 16 Mikron.

In den vergangenen Jahren wurden die kinetischen Eigenschaften und Strahlungseigenschaften des COp-Moleküls ausgenutzt, um leistungsfähige kohärente Strahlung hei Wellenlängen nahe 10,6 und 9,6 Mikron zu erzeugen. Diese Strahlung entsteht aus der stimulierten Emission bei den 00^o1-? 10⁰O "bzw. 00° 1 -^ 02⁰O Schwingungsbändern oder Zuständen. In den letzten Jahren wurden viele experimentelle Versuche durchgeführt, sowie theoretische und analytische Arbeiten den COp-Iaser betreffend publiziert.

Im allgemeinen kann CO« durch irgendwelche Mittel gepumpt werden, beispielsweise durch konventionelles elektrisches Entladungspumpen von CO₂ oder von CO₂ gemischt mit anderen Gasen auf das 00°1 Energieniveau (Zustand), wie dies auf dem

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Gebiete der Lasertechnik wohlbekannt ist. Es ist jedoch nicht zu erwarten, daß die übliche elektrische Entladungspumpmode die beste 16 Mikron Strahlung ergibt. Der übliche Verfall des 00° 1-Niveaus erfolgt über den Übergang zum 10°0-Niveau (was die übliche 10,6 Mikron COp laserstrahlung ist), und nicht über den
liefert.

über den 02⁰O auf 01¹O Pfad, der die 16 Mikron Strahlung

der 9,6 Mikron Übergang begünstigt wird, wodurch das 02⁰O-

Ein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung besteht in einem Mittel zur Unterdrückung des 10,6 Mikron Verfalls durch Verhinderung von Verstärkung an dieser Wellenlänge. Dies wird dadurch getan, daß man einen Absorber oder andere Mittel innerhalb des optischen Hohlraums vorsieht, die selektiv den Durchgang der 10,6 Mikron Strahlung verhindern. Das 00°1-lTiveau wird somit gezwungen, größtenteils auf das 02⁰O-ITiveau zu zerfallen und nicht auf das 10°0-Niveau, und zwar durch Vorsehen einer optischen Hohlraumresonanz bei 9,6 Mikron (oder durch Injektion von 9,6 Mikron Strahlung in das gepumpte CO„-Gas von einer externen Laserquelle). Daher wird der Mechanismus zur Besetzung des O2°O-Zustandes vorgesehen, der das Niveau ist, von dem aus die gewünschte 16,1 Mikron Strahlung erhalten wird, und zwar durch Zerfall oder Abbau zum 01 O-Zustand.Die Laserwirkung wird bei dieser Frequenz dadurch erhalten, daß man die übliche optische Hohlraumresonanz bei dieser Frequenz vorsieht.

Es gibt verschiedene Wege, gemäß welchen ein solcher Laser mit unterschiedlichen optischen Hohlräumen (9,6 und 16,1 μ)

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Die vorliegende Erfindung schafft einen 16 Mikron C0₂-Iiaser durch den Übergang zwischen den 02⁰O und 01 0 Zuständen | oder Energieniveaus, wobei die Besetzungsumkehr (Populations- ' inversion) zwischen diesen beiden Zuständen dadurch erreicht wird, daß man auf das 00°1-lTiveau pumpt, wobei der übliche 10,6 Mikron Übergang auf das 10⁰O-Hiveau unterdrückt und der 9,6 Mikron Übergj
Niveau besetzt wird.

konstruiert werden kann; beispielsweise kann dies durch Verwendung eines Drehspiegels geschehen, dessen Oberflächen derart angeordnet sind, daß sie alternativ einen Hohlraum und dann den anderen vorsehen; oder aber es kann die Lösung mit aufgespaltenem Strahl benutzt werden, um die 16 ρ und 9,6 ju. Pfade mit Spiegel auf geeigneten Abständen zu trennen, um gleichzeitig beide optischen Hohlräume zu definieren.

Das elektrische Entladungspumpen erhöht die Besetzungen aller Niveaus, nicht nur des 00° 1-Niveaus, und die erhöhten Be- i Setzungen der niedrigeren Niveaus beeinflussen in schädlicher ' Weise die Laserwirkung, welche diese niedrigeren Niveaus umfassen. Die vorliegende Erfindung sieht eine bessere Möglichkeit zum anfänglichen Pumpen des Lasers vor, wobei ein bevorzugtes Verfahren zum Pumpen von COp verwendet wird, wo Stickstoff durch irgendwelche geeigneten Mittel angeregt wird und durch eine DU.se ausgestoßen wird, welche schwingungsmäßig angeregtes aber ansonsten kaltes Stickstoffgas bildet, welches sodann mit CO« gemischt wird und dieses selektiv auf den 00°1-Schwingungszustand anregt. Die Besetzung der niedrigeren Niveaus erhöht sich daher nicht im gleichen Ausmaß wie dies beim elektrischen Ladungspumpen der Fall ist, was eine entsprechende
ten zur Folge hat.

eine entsprechende Erhöhung im 02°0-01 O-Verstärkungskoeffizien-'

Darüber hinaus umfaßt die vorliegende Erfindung auch die Kombination der oben erwähnten Konzepte, des Vorsehens eines gasdynamischen Hochdruck-Hochenergie-16 Mikron-COo-lasers mit dem Bereich der Gasströmung, in der CO« in seinem angeregten Zustand existiert, und zwar umschlossen in einem 16 Mikron optischen Hohlraum, gekuppelt mit einem 9,6/16,1 μ Niederdruck-COp-Laser zur Erzeugung einer Quelle von j stimulierender Strahlung.

; Ganz allgemein hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, einen 16 Mikron-COg-Laser vorzusehen. Ferner beabsichtigt die Er- < • findung ein Verfahren anzugeben, um die Laserwirkung in CO₂

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bei einer Wellenlänge von 16 Mikron zu induzieren, und zwar unter Verwendung des Übergangs zwischen den 02⁰O und 01 0 Schwingungszuständen (Vibrationszuständen). Die Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, ein 16 Mikron-COp-Lasersystem ί vorzusehen, welches das Pumpen auf das 00°1-Niveau umfaßt, ohne daß die Besetzung der unteren Niveaus erhöht wird, wobei ' der 10,6 Mikron-Übergang auf das 10°0-Niveau unterdrückt ι wird, und wobei 9,6 und 16 Mikron optische Pfade vorgesehen j werden, wodurch eine 16 Mikron-Laserwirkung zwischen 02⁰O und I 01 0 Niveaus induziert wird.

Die Erfindung sieht ferner ein 16 Mikron-Lasersystem vor, bei welchem ein angeregtes Gas, beispielsweise Stickstoff, mit CO« gemischt wird und selektiv dieses auf den 00°1-Schwingungszustand anregt, ohne die Besetzung der unteren Niveaus zu erhöhen. Ferner bezweckt die Erfindung ein Laccrsystem vorzusehen, wo ein mit Hochdruck arbeitender Hochenergiegasdynamischer 16 Mikron-COp-Laser mit einem Niederdruck-9,6/16,1 Mikron-C0₂-Laser als Quelle der Stimulierungsstrahlung gekoppelt ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die niedrig liegenden Schwingungsniveaus des C0₂-Moleküls;

Fig. 2 die 02°0 -»01¹O YerStärkungskoeffizienten α Jp(J)J abhängig von der fraktionellen N(OO⁰I)-Besetzung ($);

Fig. 3 ein einfaches Ausführungsbeispiel zur Erzeugung kohärenter 02⁰O ->01¹0 Strahlung mit 16 Mikron;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines 16 Mikron-Lasersystems gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines gasdynamischen 16 Mikron-COg-Lasers; und

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Pig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines optisch stimulierten gasdynamischen 16 Mikron-COp-Iiasers.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Induzieren der Laserwirkung in CO« bei 16 Mikron Wellenlänge, unter Verwendung des Übergangs zwischen den 02⁰O und 01 0 Schwingungsbändern, Zuständen oder Energieniveaus. Die Besetzungsinversion (Populationsumkehr, Populationsinversion) zwischen diesen beiden Zuständen wird durch Pumpen auf das 00°1-Niveau erreicht, sowie das Unterdrücken des 10,6 Mikron-Übergangs zum 10°0-Niveau und Begünstigung des 9,6 Mikron-Übergangs, wodurch die Besetzung des 02⁰O-Niveaus als Haupterfordernis für die 16 Mikron-Laserwirkung zwischen den 02⁰O- und 01 0-Niveaus erfolgt.

Bevor im einzelnen das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben wird, seien die kinetischen Eigenschaften und Strahlungseigenschaften von ausgewählten Schwingungsniveaus des COp-Moleküls analysiert, und zwar für den Zweck des Entwickeins der 16 Mikron-COg-Laserwirkung auf R, Q und P Schwingungs-Rotations-Übergängen des 02⁰O -?- 01 0 Schwingungsbands oder ZuStands.

Fig. 1 zeigt die niedrig liegenden Schwingungsniveaus des C0₀-Molekiils; Jedes Niveau ist mit den Schwingungsquanten-

-1

zahlen (n^ n„ n,) und dem Schwingungsverfall (Degeneration) g bezeichnet. TJm eine vollständige Besetzungsumkehr zwischen 02⁰O und 01 0 Niveaus zu erhalten, und um eine wirkungsvolle Energieextraktion von 16 Mikron (μ) Strahlung zu erhalten, werden die außerordentlich unähnlichen Raten für die Schwingungs-Schwingungs-(Vibrations-Vibrations) (V-V), Schwingungs-Translations-(V-T) und Rotations-Translations-(R-T) Energieübertragung ausgenutzt. Es wird ebenfalls die Tatsache benutzt, daß das 02⁰O obere Laserniveau schnell und selektiv über stimulierte Emission nahe 9,6 μ gepumpt werden kann, und zwar sich ergebend aus einer gesonderten Besetzungsumkehr ausgebildet zwischen den 00° 1 und 02⁰O Schwingungsniveaus.

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Die wichtigste charakteristische Zeit des 16 ju-COp-lasers ist T(02°0), die Zeit, die für eine gestörte 02°0-Schwingungsniveau-Besetzungsdichte erforderlich ist, um mit den (η,οο) und (on₂ o) Schwingungsmoden -von COp ins Gleichgewicht zu kommen. Diese druckabhängige Zeit wurde für reines COp-Gas gemessen, und zwar unter Verwendung von Lasersättigungsverfahren und wird wie folgt ausgedrückt:

[pT(02°0)] ~¹ = 3 x 10⁵ (torr see)"¹ (1), dabei ist ρ der COp^-Druek. Gleichgewicht wird durch Übertragung der Überschußenergie im 02°0-B"iveau auf andere Schwingungsniveaus über solche Kollisionsverfahren wie das folgende erreicht:

C0₂(02°0) + CO₂(OO⁰O) -» 2 CO₂(OI¹O) -50,1 cm""¹ (1a).

Die direkte Umwandlung von Überschüssiger Energie in das 02°0-H'iveau zur Translations energie ist wesentlich langsamer als die durch Gleichung (1) ausgedrückte Rate und kann hier vernachlässigt werden.

Die Zeit T(rot) für eine gestörte Rotations-ITiveau-Besetzung zum Ausgleichen mit den anderen Rotationsniveaus eines Schwingungszustandes und mit den Translationsfreiheits- j graden ist durch, folgenden Ausdruck gegeben:

[PT(rot)J ~¹ = 10⁷ (torr see)"¹ (2).

Somit beträgt für einen CO^-Druck von einem torr die 02°0-Gleichgewichtszeit ungefähr 3 jasec verglichen mit einer Rcfcationsniveaugleiehgewichtszeit von ungefähr 100 nsec. Die Operationsdrücke und die stimulierten Emissionsraten werden derart ausgewählt, daß die Rotationsniveausumme als stets im Gleichgewicht betrachtet werden kann.

Ein elektrischer Dipolübergang zwischen den 02⁰O und 01 0 Niveaus wird in der harmonischen Oszillatorannäherung ge-

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stattet und besitzt eine Linienstärke R(02°0;01 O) von R (02°0;01¹0) = 0,020 (Debye)² (3).

Dieser Wert ist groß verglichen mit der Linienstärke R(OO⁰I; 02⁰O) für den üblichen 9,6 ju-Laserübergang in CO₂

R (00°1;02°0) = 0,0018 (Debye)² (4),

was die Möglichkeit des Erreichens hoher spezifischer Terstärkungskoeffizienten bei 16 u anzeigt.

Zur Berechnung des Yerstär kungsko effizienten a(0,2°0,J'; 01 0 J) zwischen dem J-sten Rotationsniveau des 02⁰0-flTiveaus und dem J-sten Rotationsniveau des 01 0-Mveaus, verwende

ct(02°0,J»;01¹0,j) =

Π1/2

M {. c/τηι.τ^ _R (02°0;01¹0)

J

2 RT

JIl Jl

g(02°0)g_Jf g(01¹0)_gj

für eine Doppler-verbreitete Linie, dabei ist M die MolekUlmasse₀ g(02°0) = 1, g(01¹0) = 2, g_Jt = (2J· +1),

gj = (2J + 1), Nj² ° und Hj] ° die Anzahl der Dichten

im J^f-stenBotationsniveau des 02°0-Zustands bzw. des J-sten Batationsniveaus des 01 0-ZuStandes, und S(J¹I';Jl) ist die J- und 1-abhängige Linienstärke für den Übergang J¹I¹ ^ Jl. Die letztgenannten Größen für R, Q und P-Zweige sind:

S^Q (JH'jJU+l) = (J'-Ä'J^'+A'-l)(2J'+l)/ilJ' (J'+l) (7)

welche für.l» = 0 -> 1' + 1 = +1 (d.h. 02⁰O -^01¹ ) sind

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S^Q S^P

Ähnliche Ausdrücke werden erhalten für L¹ = O -» l^f-1 = -i(_11j|

Der Anteil der Moleküle im J^f-sten Rotationsniveau eines Schwingungsniveaus mit N/, Molekiilen/ccm ist

(12)

für das symmetrische COp-Molekül. Zur Berechnung des Verstärkungskoeffizienten muß jetzt die Schwingungsniveaubesetzungsinversionsdichte definiert werden. Um zu sehen, wie eine 02°0-01 O-Inversion vorübergehend erzeugt werden kann, und um eine wahrscheinliche Größe dafür abzuschätzen, sei ein Tolumen von durch eine elektrische Entladung gepumpten COp-Gas, wie in üblichen COp-lasern, betrachtet. Die Entladung erzeugt eine Besetzungsinversion zwischen den 00° 1 und 10⁰O und 02⁰O Schwingungsniveaus. Am Ende des elektrischen Pumpimpulses können die Besetzungsdichten IT(OO⁰F₅) durch eine Boltzmann'sehe Verteilung bei Temperatur T, angenähert werden, und die Besetzungsdichten und N(OlTJ[O) können durch eine Boltzmann¹ sehe Verteilung auf Temperatur T„ angenähert werden. Wir nehmen weiter an, daß die Translationstemperatur T und die Rotationstemperatur T_r gleich T₂ sind. Auf der Spitze der 00°1 - 02⁰O Besetzungsinversionsdichte SN* = N(OO⁰I) - N(02°0) wird ein Sättigungsimpuls der Breite Tp mit einer oder mehreren Wellenlängen zusammenpassend mit den 00°1 -> 02°0 Schwingungs-Rotationsübergängen durch das gepumpte Gasvolumen geleitet. Wenn T kurz ist verglichen mit T(02°0) für den Betriebsdruck, wird die Hälfte der anfänglichen Besetzungsinversionsdichte in dem 02°0-Niveau gespeichert.

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Wenn Τ- hinreichend viel größer war als !P₂, dann wird die neue O2°O-Besetzungsdichte 1/2 IW die Besetzungsdichte des 01 O-Hiveaus übersteigen und eine vorübergehende Verstärkung nahe 16 μ vorsehen. Pig. 2 zeigt den Kleinsignal-Verstärkungskoeffizienten α ^{K J} für P-Zweig-Übergänge mit der höchsten Verstärkung als eine Punktion der !Temperatur T, (oder der fraktionellen IT(OO⁰I)-Besetzungsdichte) für einen COp-Druck von einem torr. Verstärkungskurven für unterschiedliche Werte von T₂ sind gezeigt. Da das obere Schwingungsniveau nur Rotationsniveau mit geradzahligen J-Werten festlegt, werden die P- (und R-) Übergänge als P(J)(und R(J)) mit J ungeradzahlig bezeichnet. Die Betrachtung von Pig. 2 zeigt, daß ziemliche beträchtliche P-Zweig-Verstärkungskoeffizienten für fraktionelle (teilweise) N(OO⁰I)-Besetzungsdichten von mehr als beispielsweise 10 $, insbesondere bei niedrigeren Tg-Temperaturen angegeben sind. Beträchtlich höhere Verstärkungskoeffizienten können in den Q-Zweig-Übergängen (bzw. -Übergang) antizipiert werden, da die Doppler-Breiten vieler Rotationsübergänge sich überlappen. Eine Zahl für die Q-Zweigverstärkung kann durch Auswertung von α^ ' für jeden J-Wert und Summierung über J erhalten werden, und zwar unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Rotationskonstanten der oberen und unteren laserniveaus und der Doppler-Breiten der Übergänge.

Aus Gleichungen (5), (9) und (11) kann man ferner ersehen, daß Verstärkung an R(J)-Zweig-Übergängen vorhanden ist, und zwar mit etwas kleineren Verstärkungskoeffizienten als bei den entsprechenden P(J)-Zweig-Übergängen (Pig. 2).

Einige der R-, Q- und P-Zweig-Übergänge des 01¹0->-O2°O-i-Bandes in Absorption sind in Pig. 5 von R. P. Madden, J. Chem. Phys. j55, 2083 (1961) gezeigt und mehrere gemessene Übergangsenergien sind in Tabelle I angegeben.

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Tabelle I

Gemessene Übergangsenergien für ausgewählte 01¹O- 02⁰O-Ubergänge in C¹²Og⁶

Übergang Energie (em )

R(13) 628,91

R(11) 627,38

R(9) 625,83

Q 618,03

P(7) 612,56

P(9) 611,00

P(11) 609,42

P(13) 607,84

P(15) 606,27

P(17) 604,70

P(19) 603,13

P(21) 601,56

P(23) 599,98

P(25) 598,40

Es ist zweckmäßig darauf hinzuweisen, daß infolge der Fermi-Resonanz-We chs elwirkung das O^^-ITiveau energiemäßig zum 01 O-Niveau hingedr tickt wird, was eine Band trennung von nur 618,03 cm ergibt. Aus diesem Grund ist die Anregungszustande-

η 1 1

absorption von 02 0 zu 11 0 und 03 0 kein Problem. Wenn ein Sättigungs-10,6 «.-Übergang zum Transport der Ii(OO⁰I)-Besetzung (Population) zum 10⁰O-Schwingungsniveau verwendet würde, so würde eine Besetzungsdifferenz zwischen den 10⁰O und 01¹0-Sehwingungsniveaus erzeugt werden. Aber die Energie dieses Bandes ist bei 667 cm~" in praktisch genauer Resonanz mit starken 00⁰O -> 01 O-Übergangen zentriert. Demgemäß können die Fetto-Verstärkungskoeffizienten am 10°0 ^-01¹O-Band beträchtlich kleiner sein als ein einfacher Wert von IT(IO⁰O) - U(OI¹O) nahelegen würde. Es sei bemerkt, daß für Anwendung der Laserisotopentrennung, wobei spezielle Übergänge nahe 16 μ erforderlich sein könnten, eine gewisse Abstimmbarke it durch Betrieb bei höheren Drücken und Ab-

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Stimmung innerhalb der druckerweiterten Übergänge erreicht werden kann. Zusätzliche Flexibilität kann durch die Verwendung verschiedener COp-Isotope erhalten werden. Beispielsweise wird die Bandmitte des 02°0 -) 01 O-Übergangs in C¹⁵ol von 0,70 cm"¹ auf niedrigere Energie als C¹²ol⁶ oder 617,32 cm verschoben. Dies -würde beispielsweise R(13) zu ungefähr 628,2 cm"¹ für C¹⁵Og⁶ verschieben.

Fig. 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Lasersystems für kohärente 02⁰O -} 01¹0-Strahlung von 16 /u. Der Laser besteht aus einem Gefäß 10, welches beispielsweise aus Glas aufgebaut ist und ein Gaslasermedium 11 von COp (und möglicherweise K₂ und/oder He) enthält. Das Medium 11 ist einer elektrischen Entladung in der Form eines einfachen Glimmvorgangs bei niedrigen Betriebsdrücken (1 bis 100 torr) ausgesetzt, oder aber das Medium ist einer elektrischen Entladung in der Form eines (nicht gezeigten) e-Dauerstrahlers bei höheren Betriebsdrücken (100 bis 1000 torr) ausgesetzt. Die elektrische Entladung wird durch ein Paar von mit Abstand angeordneten Elektroden 12 und 13 beispielsweise aus Aluminium erzeugt, wobei die Elektroden innerhalb des Gefäßes 10 angeordnet und mit positiven bzw. negativen Leitern 14 bzw. 15 einer (nicht gezeigten) Leistungsversorgung, wie beispielsweise einer Kondensatorreihe, verbunden sind, die einen Spannungsabfall an den Elektroden 12 und 13 von ungefähr 30 KV erzeugt. Das Gefäß 10 ist ebenfalls mit einem Paar von Fenstern 16 und 17 an den Enden ausgestattet, die beispielsweise aus KCl bestehen, und die beispielsweise, wie auf diesem Gebiet bekannt, unter dem Brewster-Winkel angeordnet sein können. Ein optischer Resonator ist durch einen Rotationsreflektor oder Spiegel M.. und einen Auskopplungsreflektor oder Spiegel M₂ gebildet. Der Spiegel M₁ besitzt eine dreieckige Form und ist außerordentlich reflektierend bei der Wellenlänge 9,6 und 16 μ, wohingegen der Spiegel Mg eine konkave Oberfläche besitzt und außerordentlich reflektierend bei 9,6 μ und teilweise durchlassend bei 16 /u ist. Der ' Spiegel M₁ dreht sich wie durch den Pfeil angedeutet um

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einen Schwenkpunkt 18. Der Wert der Durchlässigkeit über Spiegel Mp wird durch den Kleinsignalverstärkungskoeffizienten des 16 yu-Übergangs und die Photon-Lebensdauer im Resonator "bestimmt, wie sie für den 16 ju-Strahlungsaufbau erforderlich ist, und für die Sättigung der Verstärkung, bevor V-V-Prozeße gespeicherte Energie verteilen. Eine Gaszelle G ist innerhalb des Resonators (zwischen Fenster 16 und Spiegel Mp) angeordnet und mit einem Gas (oder Gasen) gefüllt, und zwar mit Eigenschaften, welche einen hohen Verlust bei 10,6 ^u zeigen, um den höheren COp-Verstärkungsübergang 00° 1 -? 10⁰G zu unterdrücken, während sie eine hohe Durchlässigkeit bei sowohl 9,6 und 16 iu zeigen. Ein derartiges Gas ist UH,,dessen

—1

am niedrigsten liegendes Grundband bei 960 cm sich befindet.

Die Gaszelle G wird über Leitungen 19 durch einen Druckakkumulator oder eine Pumpe 20 unter Druck gehalten.

Wie oben beschrieben, erzeugt die elektrische Entladung eine Fettoverstärkung bei 9,6 ju, bei der in Mg. 3 gezeigten Anordnung. Wenn der Drehspiegel M₁ in Ausrichtung gebracht wird, baut sich ein Q-geschalteter Impuls von 9,6 μ Strahlung auf und gibt ungefähr die Hälfte der F(OO⁰I)-Fiveaubesetzung in das 02⁰O-ITiveau ab. Typische 9,6 p.-Impulsbreiten könnten ! einige wenige Hundert Fanosekunden (100 ns) sein. Fach Sätti- ! gung baut sich die Strahlung exponentiell bei 16 ja auf und J führt zur Sättigung der 16 ju-VerStärkung und zur Extraktion kohärenter Strahlung aus dem Resonator.

Hinsichtlich der Arten von Verstärkung, die in der Praxis j erwartet werden können, liegt eine ins einzelne gehende Untersuchung der Schwingungs- und Rotations-Besetzungsverteilungen in einem üblichen C0₂-F₂-He-Laser vor, und zwar von N. Djeu u. a. in IEEE J. Q. E., Band QE-4, 256 (1968). In einer Mischung von CO₂ (0,65 torr), F₂ (1,40 torr) und He (2,9 torr) erzeugte eine Glimmentladung 17 ^ der

p im 00°1-Fiveau und eine Gastranslationstemperatur von 332 ⁰K und eine Rotationstemperatür von 340 ⁰K. Wenn die 02°0-Fiveaubesetzung ebenfalls durch die.

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Translationstemperatur von ungefähr 350 ⁰K gekennzeichnet ist, so wird die maximale Kleinsignalverstärkung im P-Zweig des 02⁰O -> 01¹0-Bandes 0,08 cm"¹ (aus Pig. 2) sein. Die Zeit T(02^o0) für diese Mischung kann als 4,8 jasec ausgewertet werden. Nimmt man 10 $ Ausgangskopplung, ein ein Meter langes Verstärkungsmedium und einen Kleinsignalverstärkungskoeffizienten von 0,08 cm an, so macht das erforderliche 130 db Wachstum zur Sättigung vier Durchgänge durch den Resonator oder ungefähr 15 nsec erforderlich. Dies ist beträchtlich kürzer als T(02°0) und die in 02⁰O gespeicherte Energie kann in wirkungsvoller Weise extrahiert werden.

Wenn der COp- (und Np-)Druck der Lasermischung erhöht wird, fängt die Druckverbreiterung an die Übergangslinienbreiten zu dominieren. Für die gleiche fraktionelle N(OO⁰I)-Besetzungsdichte bleibt der Verstärkungskoeffizient der gleiche, aber die gespeicherte Energiedichte steigt proportional zum CO«- Partialdruck an und die Zeit T(02°0) fällt reziprok zum Druck ab. Man kann daher den Druck (und die verfügbare 16 ja Energiedichte) so weit erhöhen, bis der 16 μ-Impuls nicht mehr hinreichend schnell wächst, um die 16 μ-Υ er Stärkung zu sättigen, bevor V-V-Prozeße die gespeicherte Energie verteilen. Das dynamische Ansprechen eines derartigen lasers kann einfach im Vorhandensein von sowohl 9,6 als auch 16 μ , Strahlungsfeldern nachgebildet werden, da alle relevanten Pumpraten, V-V-Raten und optischen Querschnitte bekannt sind. Es sei bemerkt, daß eine kontinuierliche Entladung mit der sich wiederholenden Q-Schaltung verwendet werden kann; die Q-geschaltete Impulsrate wird dann durch die Zeit für die 01 O-Besetzung bestimmt, um mit dem thermischen Band (beispielsweise der Y-T Zeit für CO₂) in Gleichgewicht zu kommen. Alternativ könnte die Lasergasmischung transversal am optischen Resonator vorbeigeströmt werden und lineare j Glimmentladung ergibt eine Konvektionsentfernung überschüssiger 01 O-Niveaubesetzung.

Ein Ausführungsbeispiel eines alternativen Lasersystems

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ist in Pig. 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Lasergas-Hohlraum durch ein Gefäß 10 mit Fenstern 16 und 17, Elektroden 12 und 13, einem darin enthaltenen Gasmedium 11 sowie einem Ausgangskoppelreflektor oder Spiegel M« gebildet, in der ^.eichen Weise wie in Fig. 3. Die Gaszelle G der Fig. 3 ist hier jedoch durch ein Prisma P (oder möglicherweise ein Gitter) und einen elektro-optischen Schalter S ersetzt, der zwischen dem Prisma P und einem Reflektor des Spiegels M₁ ¹ angeordnet ist. Der Spiegel M.* ist hochreflektiv bei 9,6 p- und ist mit dem Spiegel M_? für einen Strahl bei 9,6 u, angedeutet bei 21, gebrochen durch das Prisma P, ausgerichtet. Ein Reflektor oder Spiegel M~ ist hochreflektiv bei 16 μ und ist mit Spiegel Mp für einen Strahl bei 16 μ, wie bei 22 angedeutet, ausgerichtet. Der elektro-optische Schalter S wird aktiviert, um den 9,6 p-Sättigungsimpuls zu erzeugen, während der 16 iu-Resonator stets ausgerichtet ist. Diese Anordnung schafft eine unabhängige Steuerung der 9,6 und 16 ju-Regenerationszeiten mit einem v/ohl definierten Synehronisationsimpuls für die Zeitsteuerung des Aus gangs impuls es mit . zusätzlichen Laserquellen für Doppelresonanzanwendungen.

Obwohl die obige Beschreibung sich auf CO₂ oder als gasförmiges Iiasermedium bezog, so sind doch N₂O, OCS und CS₂ analoge Moleküle mit ähnlichen Energieniveaustrukturen in denen intensive stimulierte Emission erzeugt werden kann, und somit bilden diese weitere Kandidaten für das lasermedium.

Es wurde oben aufgrund einer groben Analyse der relevanten kinetischen Raten gezeigt, daß eine nützliche 16 ai-VerStärkung

ο 1
zwischen 02 0 -^ 01 0-Schwingungsniveaus erzeugt werden kann, vorausgesetzt, daß die effektive Temperatur T~ der assymmetrisehen Streckmode hinreichend viel größer gemacht wurde als die effektive Temperatur T_ der kombinierten (N,00) und

-I C-

(ON 0) Schwingungsmoden, Während hohe !.,-Werte unter Ver

wendung einer direkten elektrischen Entladung in CO₂ (mög-

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licherweise mit anderen Gasen, wie beispielsweise U_? und/oder He gemischt ) möglich sind, wie beispielsweise durch die Vorrichtung gemäß Fig. 3 und 4, hat der Strom auch das Bestreben, Tp über die gaskinetische Temperatur zu treiben. Fig. 2 veranschaulicht die Empfindlichkeit des Kleinsignalverstärkungskoeffizienten bei 16 μ als eine Funktion von T, mit T₂ als Parameter. Da ein niedriges Tp eine Hauptbedeutung besitzt, ist es zweckmäßig, die Laserpumpverfahren zu identifizieren, welche die Mechanismen entkoppeln, welche T₂ und T- bestimmen. Die Figuren 5 bis 7 veranschaulichen Ausführungsbeispiele von i Lasersystemen, welche diese Eigenschaft vorsehen. '

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 verwendet eine gasdynamische Expansion von thermisch gepumptem U₂-GaS (und möglicherweise einem Verdünnungsgas, wie beispielsweise Argon oder Helium), und zwar geliefert an ein bogenbetriebenes Plenum, welches im wesentlichen eine thermische Quelle definiert. Kaltes (möglichst auf ungefähr 200 ⁰K vorgekühltes) CO₂ wird mit dem schwingungsmäßig heißen U₂ in der Übers ehallströmung durch Schlitzinjektoren gemischt. Es sei nunmehr auf Einzelheiten der Fig. 5 Bezug genommen; dieses Ausführungsbeispiel umfaßt ein Plenum oder eine Kammer 30 mit einem Einlaß 31 für U₂-GaS, wobei darüber hinweg ein Bogen durch eine Bogenquelle 32 mit einer Erdverbindung 33 erzeugt wird, und wobei ferner das Hg-Gas über eine Prallplatte 34 strömt, die im Einlaß 31 am Eingang zum Plenum 30 angeordnet ist. Einlasse 35 liefern eine Mischung von U₂ und Ar ins Plenum 30, wobei sich die Mischung auf einem Druck P und einer Temperatur T im Plenum 30 befindet. Die heiße Ug-Mischung (1500 bis 3000 ⁰K) tritt aus dem Plenum 30 über eine zweidimensionale Expansionsdüse 30 in ein Mischrohr 37 ein, wobei die im Plenum 30 gespeicherte thermische Energie teilweise in kinetische Energie umgewandelt wird. Das Argon als ein Verdünnungsmittel sieht relativ geringe volumenmäßige Strömungsraten (verglichen mit Helium) vor und ist wesentlich weniger wirkungsvoll hinsichtlich der Deaktivierung ' der (OU₂ 0)-Moden von CO₂. Wegen einer geringen U,

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gungsdeaktivierungsrate bleibt die hohe Schwingungstempera tür von N₂ in der Überschallströmung erhalten. Man sollte bestrebt sein, bei Expansionsverhältnissen derart zu arbeiten, daß die Translations/Rotations-Temperatur -von Kp in der Überschall- | Strömung unterhalb Raumtemperatur liegt, und zwar konsistent mit der Aufrechterhaltung einer zweckmäßig hohen Np-Schwin- ; gungstemperatur T . Vorgekühltes COp bei Temperatur T₁ (200 ι bis 250 ⁰K) wird in das Mischrohr 37 über Einlasse 38 gelei- | tet, wobei das Mischrohr 37 seine Abgabe in ein Plenum oder | eine Kammer 39 vornimmt, welche einen Mischströmungsresonatorbereich 40 darinnen aufweist und eine Auslaßöffnung 41 besitzt, die mit einer durch den Pfeil angedeuteten Vakuum- ' pumpe verbunden ist, wobei sich der Strömungsresonatorbereich 40 auf einem Druck P~ und einer Temperatur T» befindet.

Wenn sich das vorgekühlte CO₂ mit der IT₂-Strömung im Mischerrohr 37 mischt, so gleichen sich die (00N,)-Moden von COp mit den Np-Schwingungsmoden aus und erzeugen ein hohes T-, möglicherweise nahe der Stagnationstemperatur T . Für eine Mach 5-Expansion und eine 1500 ⁰K-S tagnations tempera tür

Ot

T kann ein T, von ungefähr 1200 K mit einer C0₂~Translationstemperatur/und ^-Temperatur nahe 200 ⁰K erwartet werden. Dies würde eine brauchbare 16 ^-Verstärkung liefern. Da die relevanten kinetischen Raten für N"₂, Ar und CO₂ bekannt sind, kann die Expansion und Mischung erreicht werden. Wenn der Strömungsdruck P_f in Bereich 40 über den Torr-Bereich erhöht wird, kann der verkürzte Druck T(02°0) einen hinreichend schnellen Aufbau und Sättigung der 9,6 μ-Verstärkung und der 16 /u-Verstärkung ausschließen.

Da Betriebsdrücke von CO₂ oberhalb 1 torr vom Standpunkt

ι erhöhter volume tr is eher Energiespeicherung bei 16 μ wünschens-

ι wert sind, müssen einige Mittel vorgesehen sein, um die verfügbare Energie schnell zu extrahieren. Dies kann durch Verwendung eines externen 9,6/16 μ-Q-geschalteten Treiberoszillators (vgl. Fig. 6) erfolgen, wobei die Komponenten der Figuren 3, 4 und 5 kombiniert werden. Die 9,6 μ und 16 μ-

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Ausgangsgröße von einem statischen 16 ju-Laser ähnlich dem in Pig. 4 (allgemein mit A bezeichnet) gezeigten, wird mit dem gas dynamische η Strömungslaser der Fig. 5, allgemein "bei B gezeigt, gekoppelt. Hier kann die 9,6 μ-Strahlung relativ . . schwach sein und dient zur Vermeidung der Notwendigkeit für den Aufbau von Strahlung "bei diesen Wellenlängen aus Rauschen ("beispielsweise annähernd 100 dt Kleinsignalverstärkung oder viele Übergänge durch die Überschallströmung).

Es sei nunmehr auf Fig. 6 Bezug genommen, wo diejenigen Komponenten, welche den Figuren 3 "bis 5 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen tragen, und wobei die Hauptunterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und 5 darin bestehen, daß der Spiegel M. und elektrooptisch^ Schalter S im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 mit einer 10,6 μ -Absorptionszelle 41 und einem Rotationsreflektor oder Spiegel M., ähnlich den Komponenten der Fig. 3, ersetzt ist; ferner ist j hier dasELenum 39 mit Fenstern 43 und 42 ausgestattet, j die mit dem Brewster-Winkel auf entgegengesetzten Seiten des Resonatorbereichs 40' angeordnet sind, wodurch der 9,6/16 ju-Stimulationsstrahl, angedeutet bei 44, der durch den Spiegel Mp läuft, durch einen Spiegel oder ein Reflektorglied 45 durch Fenster 42 im Plenum 39' abgelenkt wird, und durch Bereich 40^f verläuft und aus Fenster 43 austritt, worauf i der Strahl 44 zurück durch das Plenum 39^f durch die Spiegel 46 und 47 reflektiert wird, die mit Abstand bezüglich der Fenster 42 und 43 angeordnet sind, wobei die auf diese Weise erzeugte Energie über Spiegel 47 in bekannter Weise extrahiert wird.

Wie oben erwähnt, können andere Arten von gasförmigem lasermedium, wie beispielsweise NpO, OCS, CSp anstelle von COp ! verwendet werden.

Es wurde somit gezeigt, daß die vorliegende Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Induzierung der Laser-■ wirkung in CO₂ bei einer Wellenlänge von 16 μ vorsieht,

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wobei die Besetzungsinversion zwischen den O2°O und 01 0-Zuständen auftritt, und wobei ferner der 10,6 yii-Übergang unterdrückt und der 9,6 u-Übergang gefördert wird, auf welche Weise bedeutsame Portschritte auf dem Gebiet der Lasertechnik erzielt werden.

Zum Stand der Technik sei auf folgende Literaturstellen verwiesen: Day u. a. in"Proceedings of the IEEE", Nov. 1969, Seiten 260-261; Hartmann u. a. in "Canadian J. of Physics¹,· Band 44, 1966, Seiten 1609-12 und Cheo in "Lasers", Band 5, Marcel Dekker Inc. (New York), 1971, Seiten 109, 125-135.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.J Verfahren zur Induzierung der Laserwirkung in COp in einem optischen Resonanzhohlraum "bei einer Wellenlänge von 16,1 ja unter Verwendung des Übergangs zwischen 02⁰O und 01 O Energieniveaus, gekennzeichnet durch das Pumpen des CO₂ auf das 00°1-Energieniveäu, Unterdrücken des 10,6 u-Übergangs auf das 10 O-Energieniveau, während der 9,6 u-Übergang gefördert wird, wodurch das 02°0-Energieniveau besetzt wird, und gestatten, daß auf diese Weise das "besetzte 02°0-Energieniveau auf das 01 O-Energieniveau zerfallen kann, unter Hervorrufung von Laserwirkung "bei einer Wellenlänge von 16,1 ja,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Unterdrücken des 10,6 ya-Üb er gangs dadurch durchgeführt wird, daß ein Absorber mit dem Hohlraum angeordnet wird, der den Durchgang der 10,6 u-Strahlung verhindert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Pumpens des CO« auf das 00° 1-Energieniveau dadurch ausgeführt wird, daß man kaltes schwingungsmäßig (vibrationsmäßig) angeregtes Stickstoffgas mit dem CO₂ mischt, wodurch das CO₂ auf das Schwingungsniveau 00° 1 angeregt wird, ohne eine entsprechende Erhöhung der Besetzung der unteren Energieniveaus.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Mischens eines Verdünnungsgases mit dem Stickstoffgas.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung des angeregten Stickstoffgases mit dem CO« durch gasdynamische Expansion ausgeführt wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den zusatz- j liehen Schritt der Stimulierung des auf diese Weise gemisch-¹ ten angeregten Stickstoffgases und COp durch Richtung eines ■ Strahls von 9,6/16 ju Strahlung da hinein.

7. 16 Mikron-Laser, gekennzeichnet durch ein Gefäß, welches ein gasförmiges Lasermedium enthält, und zwar ausgewählt aus der CO₂, F₂O, OCS, CS₂ und eine CO^B^-He-Mischung enthaltenden Gruppe, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um das gasförmige Medium zu pumpen und wobei schließlich Mittel außerhalb des Gefäßes angeordnet sind und mit dem Gefäß einen optischen Resonanzhohlraum bilden, und wobei schließlich Mittel vorhanden sind, um den 10,6-p-Übergang zu unterdrücken.

8. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

j daß die Pumpmittel ein Paar von Elektroden umfassen, die j mit Abstand innerhalb des Gefäßes angeordnet sind und j eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden hervor-

j rufen.

j 9. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, ' daß die Mittel zur Bildung eines optischen Resonanzhohl- : raums zusammen mit fern Gefäß einen Ausgangskoppelspiegel j umfassen, der hoch-reflektiv bei 9,6 μ und teilweise j durchlassend bei 16 μ ist und mit Abstand gegenüber einem

Ende des Gefäßes angeordnet ist, und wobei ferner ein ι Drehspiegel, der bei 9,6 und 16 μ hoch-reflektierend ist,

mit Abstand am entgegengesetzten Ende des Gefäßes angeord- ! net und mit dem Ausgangs-Koppelspiegel ausgerichtet ist.

10. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, ! daß die Mittel zur Unterdrückung des 10,6 ^-Übergangs eine Gaszelle umfassen, die zwischen dem Gefäß und dem Ausgangskoppelspiegel angeordnet ist, und die einen hohen Verlust bei 10,6 ^i und eine hohe Durchlässigkeit bei 9,6 und 16 u aufweist.

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11. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung eines optischen Resonanzhohlraums mit dem Gefäß einen Ausgangskoppelspiegel umfassen, der "bei 9,6 ρ hoch-reflektiv und bei 16 μ teilweise durchlässig ist, wobei dieser Spiegel mit Abstand gegenüber einem Ende des Gefäßes angeordnet ist, während ein Prisma mit Abstand am entgegengesetzten Ende des Gefäßes vorgesehen ist, und ein erster bei 9,6 ρ hoch-reflektierender Spiegel mit Abstand gegenüber dem Prisma und ausgerichtet mit dem Prisma und dem Ausgangskoppelspiegel angeordnet ist, um einen Strahl bei 9,6 ju, gebrochen durch das Prisma, zu reflektieren, und wobei ein elektrooptischer Schalter zwischen dem Prisma und dem ersten Spiegel angeordnet ist und wobei schließlich ein zweiter bei 16 u hoch-reflektierender Spiegel mit Abstand gegenüber dem Prisma und ausgerichtet mit dem Prisma und dem Ausgangskoppelspiegel angeordnet ist, um einen Strahl von 16 u, gebrochen durch das Prisma, zu reflektieren.

12. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma die erwähnten Mittel zum Unterdrücken des 10,6 ρ,-Übergangs bildet.

13. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung eines optischen Resonanzhohlraums zusammen mit dem Gefäß einen Ausgangskoppelspiegel umfassen, der bei 9,6 ja hoch-reflektiv ist und bei 16 ρ teilweise durchlässig ist, wobei dieser Spiegel mit Abstand gegenüber einem Ende des Gefäßes angeordnet ist, und wobei ferner ein Prisma mit Abstand gegenüber einem entgegengesetzten Ende des Gefäßes angeordnet ist, und wobei zudem ein Drehspiegel vorgesehen ist, der bei 9,6 ix hoch-reflektierend ist und mit Abstand gegenüber dem Prisma und ausgerichtet mit dem Prisma und dem Ausgangskoppelspiegel angeordnet ist, um Strahlen bei 9,6 und 16 p. gebrochen durch das Prisma zu reflektieren, und wobei ein bei 16 u hoch-reflektierender Spiegel

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mit Abstand "bezüglich dem Prisma angeordnet ist und mit dem Prisma und dem Ausgangskoppelspiegel ausgerichtet ist, um einen Strahl "bei 16 ja, gebrochen durch das Prisma, zu reflektieren.

14. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, '■ daß die Mittel zur Unterdrückung des 10,6 u-Übergangs eine Absorptionszelle umfassen, die zwischen dem Prisma und dem Drehspiegel angeordnet sind, wobei die Absorptionszelle derart aufgebaut ist, daß sie einen hohen Verlust bei 10 u,gebrochen durch das Prisma, aufweist und eine hohe Durchlässigkeit bei 9,6 ju, gebrochen durch das Prisma, besitzt.

15. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Pumpen des gasförmigen Lasermediums Mittel zum schwingungsmäßigen Anregen des S ticks to ff gas es umfassen, wobei ferner Mittel zur Expansionskühlung des auf diese Weise angeregten Stickstoffgases vorgesehen sind, und wobei schließlich Mittel zum Mischen des gekühlten schwingungsmäßig angeregten Stickstoffgases mit dem gasförmigen Lasermedium dienen und das Pumpen des Mediums auf das Schwingungsenergieniveau 00° 1 bewirken, und zwar ohne wesentliche Besetzung der unteren Energieniveaus.

16. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur schwingungsmäßigen Anregung des Stickstoffgases ein durch einen Bogen betriebenes Plenum (Kammer) aufweisen.

17. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Expansionskühlung des angeregten

ι Stickstoffgases eine zweidimensionale Düse aufweisen, die ¹I zwischen den Stickstoffgas-Anregungsmitteln und den Mischmitteln angeordnet ist.

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18. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Lasermedium aus COp aufgebaut ist.

19. 16 Mikron-Laser nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel zur Stimulation der Emission des gemischten Stickstoffgases und des Lasermediums.

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