DE2951723C2 - Metalldampflaser mit Gaszusätzen zur Verbesserung der Emissionseigenschaften - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Metalldampflaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1; vgl. J. R. McNeil, G. J. Collins, K. B. Persson, D. L. Franken, Appl. Phys. Lett, Bd. 27, Nr. 11 (1975), S. 595 - 598.

Kontinuierliche Lasertätigkeit ist in einer Reihe von Metalldämpfen (z. B. Cadmium Cd, Selen Se, Kupfer Cu, Silber Ag, Gold Au) nachgewiesen worden, wobei Emission im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Spektralbereich erzielt worden ist Von besonderem Interesse ist die Emission im ultravioletten Spektralbereich mit Wellenlängen kürzer als 400 nm, da die in diesem Bereich alternativ einsetzba; cn Edelgasionenlaser nur geringen Wirkungsgrad besitzen. Im ultravioletten Spektralbereich unterhalb von 300 nm ist kontinuierliche Lasertätigkeit bisher überhaupt nur in Metalldämpfen (Cu, Ag, Au) realisiert worden.

Obwohl die Metalldampflaser Wellenlängen emittieren, die mit anderen Lasertypen nicht erzeugbar sind, werden die kontinuierlichen Metalldampflaser bis auf den Cadmiumdampflaser nur wenig für Anwendungen eingesetzt, in denen intensive und gebündelte Ultraviolettstrahlung erforderlich ist. Dies liegt an den bisher noch unbefriedigenden Emissionseigenschaften dieser Laser, d. h. die Emissionsdauer ist teilweise gering, das Verhältnis von Emissionsleistung zur Anregungsleistung (Wirkungsgrad) ist klein und das Emissionsspektrum (Zahl der bekannten Laserlinien) ist begrenzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Emissionsdauer von Metalldampflasern sowie ihre Ausgangsleistung zu steigern und neue Emissionslinien anzuregen. Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Metalldampflaser durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Erläuterung der mit der Erfindung erzielbaren Vorteile wird zunächst anhand des Anregungsmechanismus für die oberen Niveaus der Laserübergänge die Ursache für die geringe Emissionsdauer und Emissionsleistung herkömmlicher Metalldampflaser erörtert. Lasertätigkeit findet in einer Gleichstromentladung statt, die mit einem Puffergas betrieben wird, das den Metalldampf in geringer Konzentration enthält. Die Anregung vieler oberer Laserniveaus in Metalldämpfen erfolgt durch Stöße der Metallatome mit Puffergasionen (z. B. Helium He oder Neon Ne), wie in Fig. i für das Beispiel des Kupferdampflasers mit Neon als Puffergas anhand eines vereinfachten Termschematas dargestellt ist Bei F i g. 1 sind die Zahlenwerte der Energien der angeregten Zustände C E. Moore, »Atomic Energy Levels«, U. S. Government Priming Office, Washington D. C.(1971), Volume I, Seiten 76, 77, 2Jl, Volume II, Seiten 111, 117, entnommen. Bei den Kupferionenlinien wurde die Ionisierungseneigie addiert In F i g. 1 bedeuten 5S¹D₃Xi und 5S¹Eh die oberen Niveaus der ultravioletten Laserübergänge im Kupferdampf und 4/^/3°! und 4p^sF2° die entsprechenden unteren Niveaus. Der Grundzustand des Neonions ist mit Ne⁺ gekennzeichnet Unterhalb dieses Zustandes t-efinden sich die Energieniveaus der Neonatome, wovon nur die metastabilen Zustände 3&Ρ>2,ο angegeben sind, da nur diese wegen ihrer großen Lebensdauer stark besetzt sind. Die metastabilen Puffergasatome stoßen nun ebenfalls mit den Metallatomen und können zu einer Besetzung der unteren Niveaus der Laserübergänge führen. Die Besetzung der unteren Niveaus kann dabei direkt erfolgen, wie in F i g. 1 dargestellt, oder über weitere Zwischenzustände. Die Besetzung der unteren Laserniveaus ist unerwünscht, da dadurch die optische Verstärkung des Metalldampfes kleiner wird. Falls nur das obere Laserniveau besetzt wird und nicht das untere zusätzlich. ließe sich eine höhere Verstärkung und damit auch höhere Emissionsleistung erreichen. Die Herabsetzung der Verstärkung kann für einzelne Linien so weit gehen, daß keine Besetzungsinversion vorliegt und keine Lasertätigkeit möglich ist. Werden die metastabilen Puffergasatome erst während des Betriebes der Gasentladung gebildet, so ist die Besetzung der unteren Laserniveaus verzögert gegenüber dem Einschalten der Entladung. Der Laser besetzt in diesem Fall zunächst eine relativ hohe Ausgangsleistung. Durch die Besetzung der unteren Laserniveaus nimmt die Leistung ab, oder die Laseremission hört vollständig auf, d. h. die BeseUing der unteren Laserzustände durch metastabile Puffergasatome führt zu einer Begrenzung der Emissionsdauer des Lasers.

Zusammengefaßt ergibt sich, daß metastabile Puffergasatome die Emissionseigenschaften von Metalldampflasern schädlich beeinflussen. Eine Verbesserung der Emissionseigenschaften ist durch die Herabsetzung der Dichte der metastabilen Atome möglich, wie sie erfindungsgemäß durch den im Anspruch 1 angegebenen Gaszusatz erzielt wird. Es ist nämlich bereits seit längerem bekannt (F. M. Penning, C. C. J. Addink. Physica, Bd. 1 [1934], S. 1007-1027), daß in Gasentladungen metastabile Neonatome durch Zusatz einer geringen Menge Argongas abgebaut werden können. Vom Neon-Wasserstoff-Laser ist bekannt (V. P. Chebotaev, L S. Vasilenko Sov. Phys. JETP. Bd. 21 [1965], Nr. 3. S. 515. 516), daß auch Wasserstoff dafür geeignet ist. Allgemein können zum Abbau metastabiler Atome Gase verwendet werden, deren lonisierungsenergie V₁ kleiner ist aiii die Energie V_mel der metastabilen Atome (W. de Groot. F. M. Penning, Handbuch der Physik [Herausgeber H. Geiger, K. Scheel], Band XXIII, 12. Aufl., S. 174, Springer-Verlag [1937]):

Bei der Auswahl des Gaszusatzes muß allerdings beachtet werden, daß der Laserprozeß durch den

Gaszusatz nicht behindert wird. Das Gas darf also keine oder nur geringe Absorption bei den Laserlinien zeigen und die Besetzung des oberen Laserniveaus nicht wesentlich beeinträchtigen.

Als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Fig.2 ein Kupferdampflaser näher beschrieben. Die Emissionsdauer des kontinuierlichen Kupferdampflasers im ultravioletten Spektralbereich beträgt bei den bisher bekannten Systemen nur einige Sekunden bis Minuten (vgL F i g. 2). Danach muß der Laser abgeschaltet werden, damit sich die Anordnungen regeneriert Nach einer Pause von einigen Sekunden bis Minuten kann der Laser wieder in Betrieb genommen werden. Um kontinuierlichen Betrieb zu erreichen, ist eine Umwälzung oder ein Austausch des Puffergases Neon im Entladungsbereich notwendig. Das hat den Nachteil, daß der Laser ständig mit einer Gasfülleinheit ode^r Umwälzeinrichtupg verbunden sein muß. Durch einen Gaszusatz entsprechend den Patentansprüchen 1 und 2 kann die Emissionsuauer ohne Gasaustausch oder -umwälzung verlängert werden. Außerdem wird die Ausgangsleistung gesteigert sowie neue Emissionsiinien angeregt.

Beim Kupferdampflaser tritt besonders du'^h Beimischung von Argon (Partialdruck bis 5%) eine Verlangerung der Emissionsdauer auf. Fig.2 zeigt die experimentell beobachtete Abhängigkeit der Laserintensität Φ bei den Wellenlängen 260,0 und 259,1 nm als Funktion der Zeit /, wenn lediglich Neon als Puffergas (13 mbar) verwendet und wenn zusätzlich Argon beigemischt wird. Bei Verwendung von nur Neon als Puffergas nimmt die Laserintensität Φ als Funktion der Zeit t schnell ab. Bei einem Entladungsstrom von /=25 A ist die Emissionsdauer größer als 3 min, dabei ist die Laserintensität jedoch klein. Bei einem Ent'.adungsstrom von 36 A beträgt die Emissionsdauer nur noch weniger als 0.5 min.

Durch Zumischung einer kleinen Menge Argon mit einem Partialdruck von 0,1 % tritt als Funktion der Zeit eine nahezu stabile Emission auf. Außerdem wird die Laserintensität bei gleichem Entladungsstrom vergrößert. Des weiteren konnte beim Kupferdampflaser durch Argonzusatz eine neue Laserlinie bei 270,096 nm angeregt werden.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt ein Selendampflaser dar. Bekannte Ausführungen von Selenlasern mit Helium als Puffergas emittieren zahlreiche Linien im Bereich von 446 bis 1258 nm; vgl. C. S. Willett, »Introduction to Gas Lasers: Population Inversion Mechanisms«, S. 214, Pergamon Press (1974). Es sind beim Helium-Selenlaser zusätzlich Linien unterhalb 400 nm zu erwarten (M. B. Klein, W. T. Silfvast, Appl. Phys. Lett, Bd. 18 [1971], Nr. 11, S. 482—485), die von den 5/7-Zuständen ausgehen und auf unteren Niveaus enden, die Energien zwischen den metastabilen Zuständen 2' So und I^l3S| des Heliums besitzen.

Diese möglichen unteren Laserzustände in Seil werden durch Penningstöße mit den metastabilen Heliumatomen besetzt, wodurch Laserübergänge zu diesen Zuständen verhindert werden.

Durch Zusatz eines geeigneten Gases, das die Bedingung nach Gl. 1 erfüllt, können die metastabilen Heliumatome abgebaut und Laserlinien in Selen auch unterhalb 400 nm angeregt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Metalldampflaser mit einem Puffergas bzw. Puffergasgemisch, dessen Atome bei Laserbetrieb metastabile Zustände besetzen, von denen aus eine Anregung der Metalldampfatome in die unteren Laserzustände erfolgt, gekennzeichnet durch einen Zusatz eines Gases, dessen lonisierungsenergie kleiner ist als die Energie der metastabilen Atome im Puffergas bzw. Puffergasgemisch.

2. Metalldampflaser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf aus Kupfer, das Puffergas aus Neon und das Zusatzgas aus Argon mit einem Partialdruck von 0,01 bis 5%, bezogen auf den zum Betrieb des Lasers notwendigen Neondruck, besteht.

3. Metalldampflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldampf aus Selen und das Puffergas aus Helium besteht.