DE3118276A1 - "verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines buendels chromatischen lichtes durch angeregte diffusion" - Google Patents
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Description
PATENTANWÄLTE MEINKE UND DABRINGHAUS
DIPL.-ING. J. MEINKE DIPL-ING. W. DABRINGHAUS
460O DORTMUND 1, «· "al
WESTENHELLWEG 67 D/V
TELEFON (02 31)14 5810 TELEGRAMM DOPAT Dortmund TELEX 822 7328 pat d
AKTEN-NR.: ^3/383.6
Anmelder : Centre National de la Recherche Scientifique3
15, Quai Anatole France } 75007 Paris / F
Bezeichnung : "Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines
Bündels chromatischen Lichtes durch angeregte Diffusion"
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines monochromatischen Lichtbündels
mit sehr niedriger Streifenbreite und sie betrifft eine besonders wichtige, wenn auch nicht ausschließliche,
Anwendung in der Fotoehemie.
Man weiß, daß die Erreichung von intensiven Lichtbündeln, die eine Streifenbreite so reduziert wie eben möglich
aufweisen, ein großes Interesse in zahlreichen Anwendungsgebieten der Fotochemie darstellt, insbesondere um
Operationen der isotopischen Trennung oder der Reinigung durchzuführen.
Die bekannten Techniken zur Verringerung der Streifenbreite wanen sich an Vorrichtungen der passiven Filteratäon,
solche wie beispielsweise Prismen-Monochromatometer, Netz-Monochromatometer, Interferenzfilter oder
Fabry-Perot-Etalons, die alle nur durch Verminderung in
für die Lichtintensität der Bündel noch wichtigen Proportionen die Streifenbreite zu verringern erlauben. Folglich
drückt sich jede Handlungsweise mit einer passiven Filterung durch eine Verminderung der monochromatischen
Intensität aus, definiert entsprechend dem Verhältnis von Lichtintensität zur Streifenbreite.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlauben, ein
Bündel von intensivem Licht und von niedriger Streifen-
breite zu erreichen, wobei der Ausdruck "Licht" in einem sehr weiten Sinn zu interpretieren ist und die ganze
Breite des Spektrums Überdeckt, das Infrarot, das sichtbare Licht, das Ultraviolett (d.h. ungefähr von 100 nm
bis zu 100 um).
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung insbesondere ein Verfahren vor, welches sich dadurch auszeichnet,
daß man in einem Verstärkermedxum, das einen breiten Streifen einer von Lieht angeregten Emission erzeugt,
ein Lichtbündel mit geringer Streifenbreite mit einer ersten Frequenz, und ein Lichtbündel allgemein in einer
zweiten Frequenz pulsierend, oberhalb der ersten,überlagert, wobei die erste Frequenz im Emissionsstreifen, angeregt
vom Medium, enthalten wird, induziert durch die zweite Frequenz.
Ein solches Verfahren erlaubt es, zwei Resultate zu erhalten:
- Die Intensität des Bündels der Lichtstrahlen in einer ersten Frequenz kann beträchtlich verstärkt werden, ohne
merkliche Erniedrigung der Streifenbreite, was durch eine Vermehrung der monochromatischen Intensität zum Ausdruck
kommt;
- Man überträgt einen bemerkenswerten Anteil der Ener-
gie des Bündels der zweiten Frequenz, dessen Spektralbreite wichtig sein könnte, auf das Bündel der ersten Frequenz
von einer schmalen Spektralbreite, d.h., man kann eine Spektralkompression erreichen, mit einer relativ erhöhten
Übertragungsausbeute.
Es ist wichtig festzustellen, daß das beanspruchte Verfahren gänzlich unterschiedlich zu denjenigen ist, die
eine von Licht angeregte Diffusion benutzen, um eine Frequenzverschiebung zu erreichen. Diese letzteren Verfahren
nutzen eine Rauschverstärkung dem System entsprechend, derart, daß die Spektralcharakteristiken der erhaltenen
Strahlung von der Länge des Streifens ο &τ des Übergangs
abhängen, der in dem Medium gebraucht wird, und von der Breite der Strahlung der Pumpwelle δ (Πρ .
Im Gegensatz hierzu injektiert man im oben definierten
Verfahren ein sehr monochromatisches Signal, dessen Breite δ. O1^ beträchtlich unterhalb dem δ^ sein kann
und dessen Frequenz sich innerhalb der Spektralregion befindet, in der die Pumpwelle eine Verstärkung induziert
.
Man kann insbesondere ein Verstärkermedium benutzen, welches ein Phänomen der Raman-Diffusion anbietet. Das
zweite Bündel bildet also das Pumpbündel. Das erste, welches eine Streifenbreite aufweist, die sehr viel ge-
ringer ist, als diejenige des Überganges, hat eine Frequenz, welche gleich oder benachbart derjenigen des Stokes-Streifens
ist, der durch das Pumpbündel induziert werden wird, wenn die Verstärkung ausreichend ist. Die beiden
Bündel können durch pulsierende Laser erzeugt werden.
Anstatt eine Diffusion zu benutzen, die durch Licht nach dem Raman-Effekt ausgelöst wird, kann man auch andere
Prozesse anwenden, insbesondere die Rayleigh-Diffusion (Diffusion ohne Änderung der Frequenz) oder die Brillouin-Diffusion.
Es ist zu bemerken, daß die Anwendung der Erfindung durch den Raman-Effekt einschließt, daß das
Erreichen der Schwelle der Erscheinung des Brillouin-Effektes vermieden wird, da im Gegenteil ein Wettstreit
zwischen diesen beiden Effekten auftritt.
Obwohl die Laser besonders geeignete Strahlenquellen zur Durchführung der Erfindung darstellen, kann man auch andere
Quellen von monochromatischen Strahlen kohärent in dem benutzten Spektrum, z.B. parametrische Oszillatoren,
ins Auge fassen.
Die Erfindung betrifft in gleicher Weise auch Vorrichtungen, die die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens
erlauben.
Die Erfindung wird leichter durch das Lesen der nachfol-
genden Beschreibung verstanden und derjenigen Mittel, die insbesondere die Arten zur Durchführung bilden und des
Verfahrens, welches sie durchführen. Die Beschreibung bezieht sich auf eine einzige, diese begleitende Figur und
stellt ein Prinzipschema einer Vorrichtung dar.
Die in der Figur gezeigte Vorrichtung benutzt ein Verstärkermedium
10, welches geeignet ist, eine angeregte Raman-Diffusion zur Verfügung zu stellen, z.B. bestehend
aus einer Mischung aus Wasserstoff und Argon unter regulierbarem Druck. Diese Mischung ist in einer Küvette 11
enthalten, deren Länge im dargestellten Beispiel ausreichend ist, um Oszillationen zu vermeiden, die von
mehrfachen Reflektionen im Weg eines gleichen Impulses
herrühren. Die Länge eines Meters ist ausreichend für Impulse von 2,5 ns. Bei der Benutzung einer Mischung aus
2/3 Wasserstoff und 1/3 Argon und einem variablen Druck von 1 - 100 bar kann man die Länge eines Streifens δ ^t
der Mischung für den Wechsel Ql des Sauerstoffes beachtlich variieren lassen.
Das Energieträgerbündel oder das Pumpbündel in der zweiten Frequenz weiter oben erwähnt, wird von einem pulsierenden
Laser 12 bereitgestellt. Dieser Laser in diesem Fall der Art nach ein gefärbter und aus mehreren Schichten
(eine Oszillatorschicht und wenigstens eine Verstärkerschicht). Die Breite des Streifens der Pumpwelle ü 5"„
muß unterhalb von Atf— sein. Die Frequenz der Pumpwelle
kann in weiten Grenzen beträchtlich variieren. Als Beispiel kann man angeben, daß man einen Farblaser benutzen
kann, für welchen δ ^^ zwischen 0,043 lind 0,41 cm
sich befindet und für welchen Oip = 13900 cm" , während
Δ C- umfaßt es zwischen 0,40 und 0,55 cm" . Der Laser
12 trägt im allgemeinen ein Element zur Einstellung der Streifenlänge, ZtB. ein Fabry-Perot-Etalons 13.
Das Bündel der Extraktionsenergie mit der ersten oben erwähnten Frequenz kann von einem Farblaser 14, ähnlich dem
Laser 123 bereitgestellt werden und wird mit diesem synchron
ausgelöst. Die Laser 12 und 14 können von der gleichen Pumpquelle angeregt sein, bestehend z.B. aus einem Rubin-Laser.
Der Laser 14 trägt wenigstens ein Streu(Dispersiv)-Element 15 zur Regulierung der Wellenlänge und der Streifenbreite.
Er muß zum Emitieren auf einer Wellenlänge entsprechend des Stokes-Streifens abgestimmt sein, der
vom Pumpbündel erzeugt wird, wenn die Verstärkung ausreichend ist. In dem weiter oben betrachteten Fall des
-1 Lasers 12, für welchen cr^ = 13900 cm beträgt, kann
man annehmen, für den Laser 14 (3^ς = 9750 cm und δ6γ
zwischen 9,013 und 0,017.
Es müssen optische Mittel vorgesehen sein, um die Ausgangsbündel der Laser 12 und 14 kolinear in die Küvette 11 zu
bringen. In der Figur werden diese Mittel von einem
ersten Spiegel 16 gebildet, zur Reflektion des Bündels der Extraktionsenergie und von einem Spiegel 17, transparent
für die Länge der Pumpwelle und reflektierend für die Länge der Welle der Extraktionsenergie (im allgemeinen
ein Spiegel mit dielektrischen Schichten). Der Laser 14 und vor allem der Laser 12, der eine sehr breite
Streifenbreite aufweist, können erhöhte Spitzenleistungen aufweisen: In Versuchen ist dies durchgeführt worden
mit einer Leistung von 200 MW7cm2 für das Pumpbündel und einige MW/cm2 für das Bündel der Extraktionsenergie. Die
unten wiedergegebene Tabelle gibt als Beispiele die Ergebnisse von repräsentativen Versuchen wieder, von unterschiedlichen
Gebrauchsarten, wie man sehen kann:
| Versuch | (cm-1) | - >/■ | (cm-1) | Efogmg | Ausgang | A | R | T |
| 0,40 | (cm-1) | ,043 | (cm-1) | (cm-1) | (50 | |||
| 1 | 0,40 | 0 | ,043 | ,017 | ,016 | 9 | 80 | 1,4 |
| 2 | 0,40 | 0,32 | ,043 | ,017. | ,018 | 8 | 54 | 1 |
| 3 | 0,55 | 0 | , 41 | ,017. | ,017 | 50O/3000 | 2-15 | 0,03-0,26 |
| 4 | 0 | ,013 | ,013 | 7 | 72 | 16 | ||
In der obigen Tabelle Δ σ*τ , Δ ©-"-ρ und a vT^ sind die
weiter oben angegebenen Signifikationen. "A" bezeichnet
die erhaltene Verstärkung, d.h. die Beziehung zwischen der Intensität des Wellensignales am Ausgang der Cuvette
11, zu der Stoke'sehen Streifenfrequenz, und der Intensität
des Bündels der Extraktionsenergie. "R" bezeichnet
die quantische Leistung der Konversion (Umwandlung). Schließlich bezeichnet "T" den Grad der erhaltenen spek
tralen Kompression, definiert als:
T = (aetfp/üe^) χ (6^/β^) χ R
Der Wert dieses Grades an spektraler Kompression gibt den Energietransfer des Pumpbündels mit einem relativ
breiten Spektrum auf das spektralisch enge Signalbündel wieder.
Die in der Tabelle wiedergegebenen Versuche sind gewählt
worden, um die verschiedenen Möglichkeiten, die durch die Erfindung gegeben sind, augenscheinlich werden zu lassen.
In jedem Fall kann man feststellen, daß nach der Verstärkung
(Δ<3^) am Ausgang der Küvette 11 nichts merklich,
bezogen auf (Δ65), am Eintritt vermehrt ist, selbst wenn
die Streifenbreite des Raman-Überganges /asi~ groß in Bezug
auf Ae^ ist.
Die Verstärkung kann extrem variabel sein. Sie ist nur durch die Depopulation der Pumpwelle beschränkt. Sie hängt
zugleich von der Intensität der Pumpwelle und derjenigen der Welle der Extraktionsenergie ab. Die Verstärkung und
die Mischung variieren im umgekehrten Sinn.
Die höchste Verstärkung: Hi* gewisse Anwendungen kann man
sich die Erreichung von sehr erhöhten Verstärkungen wünschen. Im Falle des Versuches 3 erreicht man Werte bis
in die Größenordnung von 3000, indem man eine schwache Intensität des Bündels der Extraktionsenergie annimmt.
Im Gegenwert ist die quantische Ausbeute schwach.
Erhöhte quantische Ausbeute: Für andere Anwendungen kann man nach quantischen Ausbeuten suchen, die so erhöht wie
eben möglich sind. Dieses Resultat ist durch geringe Verstärkung erreichbar. Man kann 80 % (Versuch 1) erreichen
und selbst darüber hinausgehen bei Bedingungen, bei denen man sehr homogene Lichtbündel hat.
Erhöhter spektraler Kompressionsgrad: Für andere Anwendungen muß man nach einer spektralen Kompression suchen,
die so stark wie möglich ist, d.h. eine Vergrößerung der Beziehung zwischen der Breite des Streifens und der Intensität
selbst zum Preis einer Verringerung der Intensität. Das Beispiel k zeigt, wie man dieses Ergebnis erreichen
kann, indem man ein Raman-Medium benutzt, welches eine insbesondere wichtige Breite des Übergangsstreifens
aufweist.
Möglichkeit der Übereinstimmung: Das Beispiel 2 zeigt, daß es nicht unerläßlich ist, daß die Länge der Welle
des Bündels von Extraktionsenergie exakt den Stoke'sehen
Streifen entspricht, denn der Raman-Übergangsstreifen ist
ίν
relativ breit. Im Fall des Beispieles 2 ist die Differenz &©Vi= ^V ~ ^s ^ ^ie 0»32 cm" . Nichts destoweniger ist
die quantische Ausbeute nur in einem verhältnismäßig geringen Maße schwächer. Diese Möglichkeit bietet daher einen
großen Anreiz, da der Pumpstrahl von einem Laser stammt, der nur bescheidene Frequenzen hervorbringen
kann, sowie ein COp-Laser. In diesem Fall kann man die Stoke'sehe Frequenz innerhalb der Raman-Welle mit Hilfe
der Abstimmittel des Lasers der Extraktionsenergie Ik abstimmen.
Erhöhte Verstärkung und vergleichbar gute quantische Ausbeute: Es ist möglich, diese beiden Ergebnisse auszugleichen,
indem man ein System mit mehreren Schichten benutzt, von denen wenigstens deren erste Schicht
einen erhöhten Wert des "A" liefert und wenigstens deren letzte Schicht dazu vorgesehen ist, um einen erhöhten
Weit des "R" zu liefern.
Der Wiederholungsgrad der Impulse, die man erreichen kann, ist praktisch nur durch diejenigen des Pumplasers
beschränkt und durch die Erwärmung des Raman-Mediums. Man kann ebenso mit dieser Vorrichtung erreichen, daß
sie eine Leistungsstrahlung liefert, gleichförmig angehoben und mit großer spektraler Sauberkeit mit ausreichender
Ausbeute.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und als
Beispiele dargestellten Verwirklichungsarten beschränkt. Insbesondere kann man andere Phänomene damit erzielen,
als den Raman-Effekt. Die Quelle des Bündels der Extraktionsenergie
muß lediglich von einem solchen Typ sein, der monochromatische, kohärente Lichtimpulse zu liefern
in der Lage ist, z.B. eine Laserdiode. Die Quelle des Pumpbündels kann eine solche mit einer breiten oder engen
Bandbreite sein (parametischer Oszillator), CO2-Laser,
HP-Laser etc.). Anstelle des Raman-Effektes kann man die Lieferung angeregter Diffusion von Licht durch
den Elan-Effekt ins Auge fassen und jeden anderen nichtlinearen Prozeß, der mit Hilfe von Photonen in Gang gesetzt
wird.
Leerseite
Claims (8)
- PATENTANWÄLTE MEINKE UND DABRINGHAUSZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS · MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEEDIPL-ING. J. MEINKE DIPL-ING. W. DABRINGHAUS4600 DORTMUND 1, '' ™SWESTENHELLWEG 67 D/VTELEFON (02 31) 14 581O TELEGRAMM DOPAT Dortmund TELEX 822 7328 pat dAKTEN.NR.:43/38l6Ansprüche :/. Verfahren zur Erzeugung eines Lichtbündels mit einer geringen Linienbreite (Streifenbreite), dadurch gekennzeichnet, daß man in einem Verstärkermedium, das einen breiten Streifen einer von Licht angeregten Emission erzeugt, ein Lichtbündel,als "von Herkunft aus Energie" bezeichnet, mit geringer Streifenbreite mit einer ersten Frequenz, und ein Lichtbündel allgemein in einer zweiten Frequenz pulsierend, oberhalb der ersten,überlagert, wobei die erste Frequenz im Emissionsstreifen angeregt vom Medium abhalten wild, induziert durch die zweite Frequenz.
- 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz dem Stokes-Streifen der Raman-Diffusion des Mediums entspricht.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdie erste Frequenz einstellbar und enthalten ist in dem Raman-Übergangsstreifen des Mediums, induziert durch die zweite Frequenz.
- 4. Verfahren gemäß Ansprüchen 2 oder 3S dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenbreite des Pumpbündels unterhalb der Streifenbreite der Raman-Transmission ist.
- 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbündel durch Laser , die in pulsierender Art und Weise arbeiten und durch Synchronismen (Gleichläufe) ausgelöst zur Verfügung gestellt werden.
- 6. Vorrichtung zur Erzeugung eines monochromatischen Lichtbündels mit geringer Streifenbreite, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Empfangsküvette aus einem Medium umfaßt, welches einen breiten Streifen von induzierter Verstärkung darstellt, eine erste pulsierende Quelle von Extraktionsenergie, die ein Bündel von Licht geringer Streifenbreite mit einer ersten Frequenz liefert, und eine pulsierende Pumpquelle, welche ein Lichtbündel einer zweiten, unterschiedlich zu der ersten Frequenz liefert, wobei die erste Frequenz derart gewählt ist, daß sie im vom Medium induzierten Verstärker strahl enthalten und der Aktion des Pumpstrahles unterworfen ist, und daß sie optische Mittel umfaßt, um die beiden kolinearen Bündel der Küvette zuzuführen.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, ,daß die Quellen von zwei pulsierenden Lasern, verbunden mit einem gleichen Pumplaser, gebildet sind.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Stufen bzw. Schichten aufweist, wobei wenigstens die erste Schicht zur Erhaltung einer erhöhten Verstärkung und wenigstens die letzte Schicht vorgesehen ist, um einen erhöhten Wert von quantischer Ausbeute an Energietransfer vom Pumpbündel zum Ausgangsbündel zu erhalten.
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| US3515897A (en) * | 1967-04-21 | 1970-06-02 | Ibm | Stimulated raman parametric amplifier |
| US4151486A (en) * | 1977-03-09 | 1979-04-24 | Avco Everett Research Laboratory, Inc. | Tunable alkali metallic vapor laser |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4348599A (en) | 1982-09-07 |
| FR2482735B1 (de) | 1984-02-10 |
| GB2076215A (en) | 1981-11-25 |
| FR2482735A1 (fr) | 1981-11-20 |
| JPS5710287A (en) | 1982-01-19 |
| GB2076215B (en) | 1983-09-01 |
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