DE3046483A1

DE3046483A1 - Verfahren zur erzeugung eines laserstrahls einer wellenlaenge von 2,71 (my)m

Info

Publication number: DE3046483A1
Application number: DE19803046483
Authority: DE
Inventors: Henri Brunet
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1980-02-15
Filing date: 1980-12-10
Publication date: 1989-01-12
Also published as: NO810462L; IT8167066A0; FR2557387A1; GB2152273A; NL8100754A; GB2152273B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Laserstrahls einer Wellenlänge von 2,71 µm.

Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung eines Laserstrahls der Wellenlänge 2,71 µm wird in einem Artikel "Production of population inversions among the electronic states of atomic species by processes of intermolecular V↔E energy transfer" (J. A. Blauer und G. D. Hager) auf den Seiten 105 bis 111 in "Electronic Transition Lasers" (J. I. Steinfeld), MIT Press, 1976 beschrieben.

In diesem Verfahren wird rasch und stark eine Gasmischung aus molekularem Wasserstoff und Argon komprimiert, so daß die Temperatur der Mischung auf über 5000°K ansteigt und in ihr atomarer Wasserstoff entsteht. Anschließend wird die komprimierte Mischung zur Entspannung durch eine Düse geleitet, und in den aus der Düse austretenden Gasstrom wird gasförmige Bromwasserstoffsäure gespritzt. Letztere reagiert mit dem atomaren Wasserstoff und bildet vibrationsangeregten molekularen Wasserstoff und atomares Brom im Quantenzustand ²P_3/2. Die Anregungsenergie des molekularen Wasserstoffs wird dann auf das Brom übertragen, so daß die Bromatome vom Zustand ²P_3/2 auf den Anregungszustand ²P_1/2 übergehen. Das das angeregte Brom enthaltende Gas wird durch einen optischen Resonator geführt.

Mit diesem Verfahren kann prinzipiell ein Laserimpuls mit einer Wellenlänge von 2,71 µm durch Komprimieren einer Gasmischung erreicht werden. In der Praxis liefert diese Methode jedoch nur wenig zufriedenstellende und wiederholbare Ergebnisse. Ferner gestattet dieses Verfahren keine Erzeugung eines kontinuierlichen Laserstrahls.

Die Erfindung zielt auf den Einsatz eines zuverlässigen Verfahrens zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 2,71 µm und auf die industrielle Herstellung eines Lasersenders ab, der einen derartigen Strahl abgeben kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Laserstrahls einer Wellenlänge von 2,71 µm, das darin besteht,

- atomaren Wasserstoff in einem molekularen Wasserstoff enthaltenden Ausgangsgas zu bilden,
- das den atomaren Wasserstoff enthaltende Gas durch Passieren von Strömungsdüsen mit Überschallgeschwindigkeit zu entspannen,
- gasförmige Bromwasserstoffsäure am Ausgang der Düsen in Strömungsrichtung einzuspritzen, wobei die Säure mit dem atomaren Wasserstoff reagiert und vibrationsangeregten molekularen Wasserstoff und im Quantenzustand ²P_3/2 befindliches atomares Brom bildet und wobei die Anregungsenergie des molekularen Wasserstoffs dann auf das Brom übertragen wird, so daß die Bromatome auf den Zustand ²P_1/2 angeregt werden,
- und das aus den Düsen austretende und Bromatome im Zustand ²P_1/2 enthaltende Gas senkrecht zur Achse eines optischen Resonators in diesen zu leiten, so daß am Ausgang des Resonators der 2,71-µm-Laserstrahl erhalten wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des atomaren Wasserstoffs im Gas dadurch erreicht wird, daß stromaufwärts jeder Düse eine elektrische Hochspannungsentladung hervorgerufen wird, die zusätzlich vibrationsangeregten molekularen Wasserstoff erzeugt, der nach Durchströmen der Düsen zum durch die Einwirkung der Bromwasserstoffsäure auf den atomaren Wasserstoff entstandenen molekularen Wasserstoff hinzukommt, so daß die Anzahl der vom Zustand ²P_3/2 auf den Zustand ²P_1/2 übergehenden Bromatome größer wird, wobei der aus dem Resonator tretende Laserstrahl ein kontinuierlicher Laserstrahl ist.

Eine besondere Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende einzige Figur näher beschrieben, die im Längsschnitt einen Lasersender zeigt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann.

Wie in dieser Figur dargestellt sind mehrere gleiche, untereinander parallele zylindrische Isolierrohre wie 1, 2 und 3 mit ihren Eingängen wie beispielsweise 9 in einer zur Richtung der Rohre senkrechten Ebene geöffnet.

In jedem Rohr ist an der Seite des Eingangs 9 eine ringförmige koaxiale Elektrode 4 angeordnet. Eine andere ringförmige koaxiale Elektrode 5 liegt am Ausgang jedes Rohrs.

Die Ausgänge der zylindrischen Rohre sind mit einer Strömungsdüsenanordnung 7 verbunden. Stromabwärts von der Düseneinschnürung 6 befinden sich Einspritzdüsen 8. Jede Einspritzdüse kann beispielsweise innerhalb der zwei Strömungsdüsen gemeinsamen Wand untergebracht sein, so daß die Einspritzachse 20 in Strömungsrichtung des Gases in den Strömungsdüsen verläuft. Die Einspritzdüsen 8 stehen über in der Figur nicht sichtbare Kanalisierungen mit einem Bromwasserstoffsäuregenerator 16 in Verbindung.

Die Düsen münden in einer von einer zylindrischen Wandung 11 begrenzten Kammer 21. Die Wandung weist zwei sich gegenüberliegende Öffnungen auf, die durch zwei zylindrische Stopfen 12 und 13 dicht verschlossen sind. Diese Stopfen tragen jeweils einen Reflektor 14 bzw. 15, durch deren Anordnung ein optischer Resonator mit einer Längsachse 23 geschaffen wird, die senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases in den Strömungsdüsen durch die Öffnungen verläuft. Der Reflektor 15 ist teilweise für die Strahlung der Wellenlänge 2,71 µm durchlässig.

An ihrem den Düsen gegenüberliegenden Ende besitzt die Kammer 21 eine Vorrichtung 19 mit einem Diffusor und nachfolgendem Pumpsystem oder Vakuumbehälter.

Die Elektroden 4 und 5 stehen über einen Widerstand 18 mit einer Hochspannungs-Gleichstromquelle 17 in Verbindung.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Über ihre Eingänge 9 erhalten die Rohre 1 ein Niederdruckgas bestehend aus molekularem Wasserstoff, eventuell in einem neutralen Gas wie Helium oder Argon verdünnt. Dieses Gas wird elektrischen Ladungen ausgesetzt, die innerhalb der Röhren in Längsrichtung zwischen den mit Hilfe der Stromquelle 17 auf einen hohen Potentialunterschied geladenen Elektroden 4 und 5 erzeugt werden. Unter der Wirkung dieser Entladungen wird das Gas auf 400 bis 500°K erhitzt, und es bilden sich atomarer Wasserstoff und vibrationsangeregter im Zustand 1 befindlicher molekularer Wasserstoff.

Vorzugsweise wird die elektrische Entladung so eingestellt, daß das Verhältnis E/p des elektrischen Feldes E zum Gasdruck p zwischen 2 und 10 V/cm×Torr liegt. Dadurch wird die Erzeugung von auf den Zustand 1 angeregten Wasserstoffmolekülen begünstigt. In bezug auf die anfängliche Menge von Wasserstoffmolekülen lassen sich beispielsweise 10 bis 15% auf den Zustand 1 angeregte Wasserstoffmoleküle und einige Prozent Wasserstoffatome erhalten.

Durch das Pumpsystem (oder den Vakuumbehälter) wird das in der Kammer 21 befindliche Gas ausgestoßen und das den auf den Zustand 1 angeregten molekularen Wasserstoff und den atomaren Wasserstoff enthaltende Gas wird beim überschallschnellen Durchgang durch die Strömungsdüsen 7 zur Kammer 21 hin entspannt. Um zu vermeiden, daß sich die Wasserstoffatome an den Strömungsdüsenwandungen wieder zu Molekülen verbinden, bestehen diese Wandungen vorzugsweise aus Keramik oder aus einem mit Polytetrafluoräthylen beschichteten Metall.

Am Ausgang der Strömungsdüsen wird durch die Einspritzdüsen 8 gasförmige Bromwasserstoffsäure zugeführt.

Der atomare Wasserstoff reagiert mit der Bromwasserstoffsäure und bildet auf den Zustand 1 vibrationserregten molekularen Wasserstoff und auf dem Zustand ²P_3/2 befindliches atomares Brom nach der Formel:

H +HBr → H₂ (1) + Br (²P_3/2). (1)

Zu den durch die Reaktion (1) erzeugten auf den Zustand 1 erregten Wasserstoffmolekülen kommen die aus der elektrischen Entladung stammenden Wasserstoffmoleküle im Zustand 1 hinzu. Wenn diese Entladung wie oben angegeben eingestellt ist, stammen die im Gas zu diesem Zeitpunkt vorhandenen angeregten Wasserstoffmoleküle im wesentlichen von der elektrischen Entladung.

Die Anregungsenergie der Wasserstoffmoleküle wird dann auf das Brom übertragen, so daß die Bromatome gemäß der Reaktion

Br (²P_3/2) + H₂ (1) ⇆ Br (²P_1/2) + H₂ (0) (2)

den Anregungszustand ²P_1/2 einnehmen.

Die zusätzliche Menge an durch die Entladung erzeugten Wasserstoffmolekülen führt im Vergleich zum Verfahren gemäß bekannter Technik zu einer sehr starken Besetzungsumkehr beim Brom.

Ferner ist die Reaktion (2) im Gleichgewicht, so daß eine äußerst geringe Menge von auf den Zustand 1 angeregtem Wasserstoff im Verhältnis zum im Grundzustand 0 befindlichen Wasserstoff genügt, um die Besetzungsumkehr beim Brom zu erreichen. Diese geringe Menge hängt von der Gastemperatur ab. Sie beträgt 3,2% bei 200°K, 10,2% bei 300°K und 18% bei 400°K.

Zur leichteren Erzielung der Besetzungsumkehr sind die Strömungsdüsen der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart ausgebildet, daß sie das durch sie durchströmende Gas stark entspannen. So läßt sich für das entspannte Gas vorzugsweise eine Temperatur von weniger als 300°K für eine vor den Strömungsdüsen herrschende Temperatur von 500°K erreichen.

Das angeregte Brom enthaltende entspannte Gas strömt anschließend durch den Resonator 14-15, wo sich durch den Übergang der Bromatome vom Zustand ²P_1/2 auf den Zustand ²P_3/2 ein kontinuierlicher Laserstrahl 22 ergibt. Die Wellenlänge des aus dem teilweise durchlässigen Reflektor 15 austretenden Laserstrahls beträgt 2,71 µm.

Der Gasdruck vor den Strömungsdüsen kann beispielsweise zwischen 20 und 100 Torr liegen. Der Durchmesser der Entladungsröhren kann etwa 1 cm und ihre Länge etwa 20 cm betragen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in den Strömungsröhren erreicht zwischen 1,5 und 2 Mach. Bei den beiden Reflektoren im Resonator kann es sich um dielektrikumbeschichtete Spiegel mit Reflexionskoeffizienten von 100% bzw. 97% für die Wellenlänge von 2,71 µm handeln.

Unter diesen Voraussetzungen erreicht der Laser eine spezifische Leistung von 1 bis 2 kW für einen Durchsatz von 1 Mol molekularem Wasserstoff pro Sekunde.

Der elektrische Wirkungsgrad (Quotient aus Laserenergie und Anregungsenergie) liegt bei 10%.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der Herstellung von Lasergeräten für die Entfernungsmessung und Weltraumnachrichtentechnik angewandt werden.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Laserstrahls einer Wellenlänge von 2,71 µm, das darin besteht,

- atomaren Wasserstoff in einem molekularen Wasserstoff enthaltenden Ausgangsgas zu bilden,
- das den atomaren Wasserstoff enthaltende Gas durch Passieren von Strömungsdüsen mit Überschallgeschwindigkeit zu entspannen,
- gasförmige Bromwasserstoffsäure am Ausgang der Düsen in Strömungsrichtung einzuspritzen, wobei die Säure mit dem atomaren Wasserstoff reagiert und vibrationsangeregten molekularen Wasserstoff und im Quantenzustand ²P_3/2 befindliches atomares Brom bildet und wobei die Anregungsenergie des molekularen Wasserstoffs dann auf das Brom übertragen wird, so daß die Bromatome auf den Zustand ²P_1/2 angeregt werden,
- und das aus den Düsen austretende und Bromatome im Zustand ²P_1/2 enthaltende Gas senkrecht zur Achse eines optischen Resonators in diesen einzuleiten, so daß am Ausgang des Resonators der 2,71-µm-Laserstrahl erhalten wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des atomaren Wasserstoffs im Gas dadurch erreicht wird, daß stromaufwärts jeder Düse eine elektrische Hochspannungsentladung hervorgerufen wird, die zusätzlich vibrationsangeregten molekularen Wasserstoff erzeugt, der nach Durchströmen der Düsen zum durch die Einwirkung der Bromwasserstoffsäure auf den atomaren Wasserstoff entstandenen molekularen Wasserstoff hinzukommt, so daß die Anzahl der vom Zustand ²P_3/2 auf den Zustand ²P_1/2 übergehenden Bromatome größer wird, wobei der aus dem Resonator tretende Laserstrahl ein kontinuierlicher Laserstrahl ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem elektrischen Feld der Entladung und dem Druck des dieser Entladung ausgesetzten Gases zwischen 2 und 10 V/cm×Torr beträgt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentspannung ausreichend stark ist, damit die Temperatur des entspannten Gases unter 300°K liegt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsgas reiner Wasserstoff ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsgas eine Mischung aus molekularem Wasserstoff und einem neutralen Gas ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung in jeweils einem stromaufwärts jeder Strömungsdüse angeordneten Rohr in dessen Längsrichtung erzeugt wird.