DE2903175A1

DE2903175A1 - Roentgenlaser

Info

Publication number: DE2903175A1
Application number: DE19792903175
Authority: DE
Inventors: Georges Robert Pierre Marie
Original assignee: Marie G R P
Current assignee: Marie G R P
Priority date: 1978-02-01
Filing date: 1979-01-27
Publication date: 1979-08-02
Also published as: GB2013967B; FR2416572A1; JPS5542507B2; JPS54106188A; GB2013967A

Description

Betrifft: Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

Anmelder: Georges Robert Pierre Marie, Fontenay-aux-Roses

Röntgenlaser

Die Erfindung "betrifft einen Röntgenlaser, dessen aktives Medium ein stark ionisiertes Gas ist, das ein von der als stehende TM -Welle eingestrahlten Pumpwelle des Lasers eingeschlossenes Plasma bildet.

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In'älteren Patentanmeldung 27 57 263 ist gezeigt worden, wie ein Strahl einer Welle passenden Typs ein Plasma an Punkten der Strahlachse einschließen kann, wo das elektrische EeId Null ist, was sich alle halbe Wellenlänge wiederholt, und es sind Wellentypwandler für elektro-magnetische Wellen des nicht einschließenden Typs in solche des einschließenden Typs angegeben.

Gegenstand der Erfindung sind Verbesserungen an Röntgenlasern dieses Typs.

Bei einem Röntgenlaser mit einem Pumplaser, der eine stehende Pumpwelle des Typs TM erzeugt, und mit einer zum Pumplaserende koaxialen Plasmakammer sind diese Verbesserungen

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FQr das Auftragsverhältnis gilt die Gebührenordnung der Deutschen Patentanwaltskammer . Gerichtsstand für Leistung und Zahlung: Darmstadt

Gespräche am Fernsprecher haben keine rechtsverbindliche Wlrkungl

Brief vom Blau £ Dlpl.-Ing. G. Schllebs

an das Deutsche Patentamt, Müncnen ^ Patentanwalt

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Pumpwelle in Form eines Strahlenbündels einer stehenden Welle des Typs TM umfassent

einen den aktiven, eine Drehachse aufweisenden Raum des Pumplasers von der Plasmakammer trennenden Diopter, dessen Kegelachse gleich dem Brewster-Winkel ist,

und Spiegel, die senkrecht zum Strahlenbündel in der Plasmakammer und am anderen Ausgang des aktiven Raumes des Pumplasers angeordnet sind,

so daß die Plasmakammer als Quelle eines kegelförmigen stationären Strahlenbündels des Typs TM wirkt. Die in dem erfindungs gemäßen Röntgenlaser benutzte stehende Welle ist also vom stationären Typ TM₀ (der Index gibt die Zahl der räumlichen Perioden in Azimut-Richtung an), und der den nicht einschließenden Wellentyp in einen einschließenden Wellentyp wandelnde Polarisationswandler ist ein Diopter oder ein Brewster-Kegel in Kombination mit Spiegeln. Dieser Diopter oder dieser Kegel haben einen Kegelwinkel gleich dem Brewster-Winkel und wirken als TM_Q-Typ-Wähler. Bekanntlich liegt das elektrische PeId des Typs TM radial gerichtet in der Einfallsebene, und infolgedessen ist der Reflexionskoeffizient dieses Typs gleich Null.

Die selbst^,erregten, eine Pumpwelle erzeugenden Laser haben einen koaxialen Aufbau. Die aktive Materie befindet sich in einer zylindrischen Hülse, und die von ihr verstärkte Welle hat eine Struktur, die derjenigen der Gfrundwelle in der koaxialen Erstreckung sehr ähnlich ist. Ein konischer Diopter mit derselben Drehachse wie die Hülse wandelt diese Struktur in einen TM_Q-Typ.

Der Kegelwinkel des den konischen Diopter begrenzenden Kegels 3ο ist gleich dem Einfallswinkel i nach Brewster, der durch die Gleichung tg i = η gegeben ist, in der η der optische In-

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Brief vom Bla'.t Jp Dlpl.-lng. G. Schliebs

an das Deutsche Patentamt „ München ζ Patentanwalt

dex des den Diopter begrenzenden Werkstoffes ist. Für den Brechungswinkel r gilt tg r = 1/n«, Daraus folgt , daß die Strahlen, die innerhalb des Plasmas parallel zur Drechachse sind, nach der Brechung an der Durchführung des konischen Diopters um einen Winkel (i - r) gegen diese Drehachse geneigt sind, während das elektrische PeId der Welle für jeden Strahl in der Meridian-Ebene des Strahles liegt,, Das Ganze stellt einen Wellentyp TM_Q dar; die Wellenlänge *d_g der geführten Welle errechnet sich wie folgt :

Mit den Werten von tg i und tg r kann man schreiben;

tg (i - r) . \ (n - i) '(1)

i=r) 2 ^{(n +} S ^} ' (2),

und als Funktion der Wellenlänge Λ der ebenen Welle ergibt sich daraus für

Die um (i - r) gegen die Drehachse geneigten Strahlen werden, nachdem sie zum Typ TM interferiert haben,, durch einen Kegelspiegel reflektiert, was zu der stehenden Welle TM führt. Die Einschließungspunkte des Plasmas durch die Pumpwelle liegen daher auf der Drehachse in Abständen von einer halben Wellenlänge Ag/2 der geführten Welle.

Die Röntgenlaser gemäß der Erfindung können unterschiedliche Anwendungen finden, die mit Bezug auf die Erfindung indifferent sind. Sie können z.B. dazu benutzt werden, die Beugungsfigur sehr kleiner Objekte oder Partikel zu erhalten. Bekanntlich erhält man, wenn man das Klischee einer fotografisch aufgezeichneten Beugungsfigur mit kohärentem Licht durchleuchtet, ein stark vergrößertes Abbild des ursprünglichen Objektes« Das Auflösungsvermögen dieses Verfahrens ist gegeben durch die Wellenlänge der Rörigenstrahlen, die gebeugt werden. Mit Röntgenstrahlen einer Wellenlänge in der Größenordnung eines Angström lassen sich die lagen von Atomen .in Molekülen unterscheiden.

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an das Deutsche Patentamt, München Q

Im folgenden, wird die Erfindung näher an zwei Anwendungsbeispielen auf Röntgenlaser erläutert, von denen einer durch einen COg-Laser und der andere durch einen Neodym-Laser gepumpt wird. Die Zeichnung zeigt in Längsschnitten in

Fig. 1 einen Röntgen-Laser mit einem GO₂-Pumplaserj !ig. 2 einen Röntgen-Laser mit einem Neodym-Pumplaser;

!ig. 3 eine in "beiden Laser-Typen -verwendbare Positionierungsvorrichtung.

In !ig. 1 und 2 unterscheidet man drei Teile:

- den Röntgen-Laser, dessen aktive Materie ein in den Kammern 1o bzw. 2o enthaltenes schweres Gas wie Krypton oder Xenon ist,

- den Pumplaser, der im !alle der !ig. 1 ein GOp-Laser 11 und im !alle der !ig. 2 ein Neodym-Laser 21 ist. Der Resonator 12 bzw. 22 dieser Laser ist durch einen Planspiegel 13 bzw. 23 und einen Kegelspiegel 14 bzw. 24 begrenzt. Die Kammer 1_o bzw. _2o bildet einen Teil des Resonators 12 bzw. 22 und wird durch den Kegelspiegel 14 bzw. 24 einerseits und durch einen um den Brewster-Winkel geneigten Diopter 15 bzw. 25 andererseits begrenzt.

- Die Versuchskammer J_-, die mittels der Pumpe 2 leergepumpt wird und in die das Laserstrahlenbündel durch das !enster 3 eintritt und auf das auf dem Halter 5 befindliche Objekt 4 trifft. Die Beugungsfigur wird auf dem Ulm 6 aufgezeichnet, der von der ülmspule 7 ab- und auf die ülmspule 7' aufgewickelt wird. Nach der Entwicklung betrachtet man den Ulm in durchfallendem kohärentem Licht, dessen Beugungsfigur in der Projektion ein beträchtlich vergrößertes Abbild des Objektes gibt.

5ο Das schwere Gas ist in einem Rezipi---enten 8 enthalten und wird in die Kammer .1Sf_-JiO über ein Rohr 9 eingeführt.

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Brief vom Bla-t β DIpI.-Ing. G. Schliefe»

_an das Deutsche Patentamt, München §

In der Zeichnung wurden die Yolumina der Pumplaser und der Yersuchskammer J[ im Verhältnis zu der das schwere Gas enthaltenden Kammer JUs, 2£ "beträchtlich verkleinert. Alle drei Raumteile sind rotationssymmetrisch ausgebildet, und ihre Mittelachsen definieren eine Drehachse.

Im Ausführungsbeispiel der Mg« 1 ist das CO₂ in einem Gefäß 1oo enthalten, aus dem es etwa unter Atmosphärendruck austritt. Es wird durch die koaxialen Zylinderelektroden 1o1, 1o2 erregt, zwischen denen der Impulsgenerator 1o3 Rechteckimpulse erzeugt. Ein Spannungsteiler 1o4 erlaubt es, den Metallspiegel 13 an eine mittlere Spannung (zwischen der an den Elektroden 1o1, 1o2 anliegenden) zu legen. Die Stellung des Spiegels läßt sich mittels seines Halters 1o5 und nicht dargestellter 1-ülaömeterschrauben präzise einstellen. Der das GO₂ enthaltende Raum ist von der das schwere Gas enthaltenden Kammer jl_o durch eine plan-konische Linse 1o6 getrennt, deren plane Fläche 1o7 diesen Raum abschließt und deren konische Fläche 15 den konischen Diopter bildet, der die Strahlen der elektromagnetischen Pumpwelle konvergieren läßt und sie in den Wellen-

2ο typ TM₀ wandelt.

In Pig. 1 bilden diese Strahlen einen Winkel/f/4 mit der Drehachse. Da dieser Winkel gleich (i-r) ist, ist tg (i-r) = 1, was gem. Formel (1) einem η = "T~2" + 1s» 2,41 entspricht. Da im übrigen unter den Bedingungen von Brewster (i+r) -ft/Z gil'fc» ergibt sich daraus der Scheitelwinkel der konischen Fläche 15 zu 3ϊι"/8. Der optische Index 2,41 wurde gewählt, weil er zwischen dem optischen Index von Zinksulfid (2,2) und dem von Zinkselenid (2,67) liegt. Diese Werkstoffe werden meist für die Optik der von OOp-lasern ausgestrahlten Wellen von 1o,6 /-«-m verwendet. Die Wellenlänge der Welle vom Typ TM ist gemäß Formel (3) gleich 1o,6 χ Ϊ2 = 14,95/6Jn* Die Einschließungszentren liegen daher 7,5^m auseinander.

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Brief vom BIa.t /5 Dipl.-Ing. G. Schllebs

an das Deutsche Patentamt, München 2 •n^pÖ^teA^t£T^f1^lt'7 R

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Die Elektronen des Plasmas werden in Richtung auf diese Zentren getrieben, wo sie die hoch ionisierten Atome des schweren Gases anziehen, die die aktive Materie des Röntgenlasers bilden. Der Ionisationsgrad dieser Atome und damit die Wellenlänge der Röntgenstrahlung hängt von der Pumpleistung ab, und die Vergrößerung hängt von der zur Erzeugung des Interferenzbildes benutzten Wellenlänge ab. Man kann daher, indem man die Pumpleistung zwischen den einzelnen Aufnahmen variiert, eine Serie unterschiedlicher Vergrößerungen erhalten, die er-ο lauben, immer feinere Details zu orten.

Der Röntgenstrahl muß in der Kammer _1_o an dem Spiegel 16 reflektiert werden und aus ihr durch das Fenster 3 austreten. Pur weiche Röntgenstrahlen kann man die bekannten Werkstoffe verwenden. Für harte Röntgenstrahlen muß man jedoch in Netzebenen geschnittene Kristalle verwenden. Gegenüber Röntgenstrahlen verhalten sich die aufeinanderfolgenden Netzebenen eines Kristalles wie eine periodische Reihe von Hindernissen in einem Wellenleiter für Zentimeterwellen, und sie bilden Durchlaßbereiche und Reklexionsbereiche. Die Durchlaßbereiche entsprechen unabhängig von dem Abstand benachbarter Netzebenen Wellenlängen, die sehr dicht bei einem ganzzahligen Vielfachen halber Wellenlängen liegen. Da die Abstände zwischen den Netzebenen in der Größenordnung eüger Angström liegen, werden die Röntgenstrahlen Wellenlängen in der Größenordnung eines Angströms oder von Teilen eines Angstroms haben.

Die Ausrichtung des Spiegels 16 erfolgt sehr feinfühlig mittels eines durch Wärmedehnung regelbaren Dreibeins 1o8 (Pig. 3). Jedes der drei Beine 111, 112 (das 3. Bein fehlt in der Schnittzeichnung der Pig. 3) trägt Heizwicklungen 1o9, 11o, die über 3ο drei Adern mit Rückleitung über Masse einzeln gespeist werden. Ein weicher Well-^-ring 113, 114 (Pig. 1) gestattet, die Lage des Kegelspiegels 14 mit dem Fenster 3 über steuerbare Abstandshalter 115 einzustellen.

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Brief vom "Blau . g Dlpl.-Ing. Θ. Sehliel»

an das Deutsche Patentamt, München k paiemaawaiw c

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Die Meridiane der Spiegel 13«, 14 sind sehr schwach gekrümmt j diese Krümmung ist in Figo 1 nicht erkennbar^ genügt aber zur Stabilisierung des Strahles«, Man kann im Rahmen der Erfindung weitere optische Mittel zur stärkeren Konzentration des Strahlenbündels anwenden.

Das Ausführungsbeispiel der Pig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 durch einen Neodym-Laser als Pumplaser» Er besteht aus einem Glaszylinder 2o1 aus mit Neodym dotiertem Siliziumoxid, der durch zwei konische Diopter 25 und 27 begrenzt ist, deren Kegelflächen einen Kegelwinkel gleich dem Srewster¹ sehen Einfallswinkel i haben«, wobei tg i = η und η der optische Index des dotierten Glases-, d.i. etwa 1,5₉ ist. Die Neigung der aus dem Zylinder 2o1 austretenden Strahlen gegen die Zylinderachse ist gleich dem Winkel (i - r)₉ dessen Tangens gern« (1) gleich 5/12 ist»

Mit 2o2 ist die wendeiförmige Plutlichtlampe bezeichnet, mit der das dotierte Gas angeregt wird»

Die Anordnung der Spiegel 24, 2.6 entspricht derjenigen der Spiegel 14, 16 in Pig. 1«

Die Anordnung 2o3, 2o4, 2o6, 2o7 bildet den Schnellschalter zur Erzeugung der Impulse« Die plan-konische Linie 2o3 formt das aus dem Glaszylinder 2o1 austretende konische Strahlenbündel in ein sich achs-parallel in dem Behälter 2o4 fortpflanzendes Bündel. Zu diesem Zweck ist der konische Diopter 2o5, der eine der Flächen der Linse 2o3 bildet, parallel zum Diopter 27» Der Behälter 2o4 hat die Form eines Hohlringes, der in der Mitte einen Durchgang freiläßt und mit einer für die Wellenlänge A = 1,6,Am des Lasers 21 durchlässigen und für den Faraday-Effekt empfindlichen Flüssigkeit gefüllt ist.

Diese dreht daher die Polarisation der die durchsetzenden Wellen, wenn sie einem axialen Magnetfeld ausgesetzt ist, das von der sie umgebenden und vom Generater 2o7 gespeisten Spule 2o6 erzeugt wLrd.

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Brief vom BIa.i ^g Dlpl.-lng. G. Schliebs

an das Deutsche Patentamt, München /[Q

Ohne Vorhandensein eines Magnetfeldes durchsetzen die Wellen den Behälter 2c4 ohne Störung ihrer Polarisation. Die konischen Diopter 25, 27 und 2o5 stören die radial polarisierten stehenden Wellen zwischen den Spiegeln 23 und 24 in keiner V/eise. Die Bedingungen für die Stabilität einer solchen Anordnung sind bekannt; Es genügt z.B., wenn die beiden Spiegel konfokal zu der sie trennenden optischen Wegstrecke sind.

Die Überspannung des so gebildeten Resonators kann sehr hoch sein. Sie bricht schlagartig zusammen, wenn man in dem Behalter 2o4 ein axiales Magnetfeld erzeugt. Das elektrische PeId einer radial polarisierten Welle, die vom Laser 21 ausgeht und die Diopter 27 und 2o5 ohne Refle-xion durchsetzt, wird bei ihrem Hin- und Rücklauf durch den Behälter^ ο4 unter dem Faraday-Effekt leicht gedreht. Die am Spiegel 23 gegen den laser 21 reflektierten Wellen haben daher eine orthoradiale Komponente. Dies läßt sich auch so beschreiben, daß ein Teil der Energie aus dem TM -Typ in den TE_Q-Typ überführt worden ist. Dieser Typ wird aber außerhalb des Resonators anschließend an den Durchgang durch die konischen Diopter 25, 27 und 2o5 reflektiert. Der Zusammenbruch der Überspannung des Resonators unterdrückt den Lasereffekt.

Man wird also mit dem die Spule 2o6 speisenden Generator 2o7 die Impulse derart steuern, daß man ein zur Unterdrückung des Lasereffektes hinreichend starkes Magnetfeld aufrechterhält und das Magnetfeld für die Dauer eines der Flutlichtlampe 2o2 aufgedrückten Impulses unterdrückt. Es handelt sich hierbei um die Anwendung einer bekannten, bei geradlinig polarisierten Lasemangewendeten Vorrichtung.

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Claims

Brief vom Bla*t ^y Dlpi.-lng. Q. Schliefet

an das Deutsche Patentamt_s München. Patentanwalt

Patentansprüche

(1J Röntgenlaser mit einem Pumplaser, der eine stehende Pumpwelle des Typs TM_Q erzeugt, und mit einer zum Pumplaserende leoaxial en Plasmakammer ₅ dadurch gekennzeichnet ₅ daß die Kittel zur Erzeugung der Pumpwelle in Form eines Strahlenbündels einer stehenden \velle des Typs TM umfassen*

einen den aktiven,, eine Drehachse aufweisenden Raum (12; 22) des Pumplasers (11°, 21) von der Plasmakammer (io; 2o) trennenden Diopter (155 25)^ dessen Kegelwinkel gleich dem Brewster-Winkel ist,

und Spiegel (13, 14> 23, 24), die senkrecht zum Strahlenbündel in der Plasmakammer und am anderen Ausgang des aktiven Raums des Pumplasers angeordnet sind»
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Raum des Pumplasers (21) ein fester Körper in Form einer an beiden Stirnseiten durch Brewster-Diopter (25, 27) abgeschlossenen zylindrischen Hülse (2oi) ist.
3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Raum des Pumplasers gasförmig und von einer zylindrischen Hülse (1o1) umschlossen ist, die an einer Stirnseite von einer Linse (Io6) verschlossen ist, deren eine Fläche (Io7) und deren andere Fläche (15) konisch ist, wobei der Kegelwinkel gleich dem Brewster-Winkel ist.
4. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Körper ein mit Ueodym dotiertes Glas ist»
5. Laser nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß das Gas CO₂ ist.

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an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt
6. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Plasma-Kammer (1o; 2o) ein die Röntgen-Strahlen spiegelnder Spiegel (16; 26) und ein Fenster (3) auf der Drehachse des aktiven Raumes und zu beiden Seiten der Spitze des aus dem Diopter (15; 25) austretenden kegelförmigen Strahles angeordnet sind.
7. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma in einem schweren Gas erzeugt wird.
8. Laser nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma in Xenon oder Krypton erzeugt wird.

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