DE3223251A1

DE3223251A1 - Verfahren zum erzeugen von atomen in invertierten anregungszustaenden

Info

Publication number: DE3223251A1
Application number: DE19823223251
Authority: DE
Inventors: Herbert 8910 Landsberg Lamprecht; Hartmut Dr. 8000 München Schröder
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Priority date: 1982-06-22
Filing date: 1982-06-22
Publication date: 1983-12-22

Description

Verfahren zum Erzeugen von Atomen in invertierten
Anregungszuständen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der Lasereffekt beruht bekanntlich darauf, daß Atome oder Moleküle in invertierten Anregungszuständen erzeugt ("gepumpt") werden, und daß man dann die auf diese Weise gespeicherte Energie in Form von kohärenter optischer Strahlung in einem Laseroszillator oder Laser-Verstärker abruft.
Bei einem chemischen Laser werden angeregte Moleküle durch eine chemische Reaktion erzeugt, z.B. beim HF-Laser durch Reaktion von Wasserstoff und Fluor. Der laseraktive Bestandteil besteht im allgemeinen aus Molekülen, die in Schwingungszustände angeregt sind.
In der Praxis werden Laser mit den verschiedensten Wellenlängen und Eigenschaften benötigt. Es besteht daher ständig Bedarf nach neuen Lasern und neuen Anregungsmechanismen. Durch die vorliegende Erfindung soll ein solcher neuer Anregungsmechanismus angegeben werden.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen von Atomen eines vorgegebenen chemischen Elements in invertierten Anregungszuständen, bei dem erfindungsgemäß durch Energiezufuhr eine chemische Verbindung des betreffenden chemischen Elementes zersetzt wird, welche Zersetzungsprodukte liefert, zwischen denen chemische Reaktionen stattfinden, bei denen die angeregten Atome entstehen.
Das vorliegende Verfahren liefert also auf chemischem Wege Atome in Elektronenanregungszuständen und nicht, wie bei den bekannten chemischen Lasern in Schwingungsanregungszuständen. Die angeregten Atome entstehen im Zuge einer chemischen Reaktion, welche zwischen den Zersetzungsprodukten abläuft.
Für das vorliegende Verfahren sind besonders Verbindungen der Übergangsmetalle geeignet. Diese liefern zum Teil Emissionen im grünen und blaugrünen Spektralbereich, wie sie insbesondere für eine optische Nachrichtenübermittlung unter Wasser benötigt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die-Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Laseranordnung zur Durchführung und Untersuchung des vorliegenden Verfahrens; Fig. 2 eine mit der Anordnung gemäß Fig. 1 erhaltene Meßkurve und Fig. 3A bis 3C drei weitere Meßkurven, die mit der Anordnung gemäß Fig. 1 erhalten wurden.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird eine chemische Verbindung durch Energiezufuhr zersetzt. Die Verbindung wird so gewählt, daß zwischen den entstehenden Zersetzungsprodukten chemische Reaktionen ablaufen, welche die gewünschten Atome in invertierten Elektronenanregungszuständen liefern.
Ein typisches Beispiel einer solchen Verbindung ist Chromylchlorid CrO2C12. Zersetzt man Chromylchlorid z.B. photochemisch durch UV-Strahlung (die z.B. durch einen KrF-Laser erzeugt werden kann) oder pyrolytisch, z.B. durch IR-Strahlung von einem C02-Laser, so entstehen vermutlich zuerst Chromdioxid und Chlor. Das Chromdioxid wird seinerseits in angeregtes CrO* und Sauerstoff zersetzt. Zwei angeregte CrO*-Radikale reagieren dann schließlich miteinander unter Bildung von Chromdioxid und einem angeregten Chromatom Cr*.
Zur Durchführung des Verfahrens läßt sich beispielsweise die in Fig. 1 dargestellte Laseranordnung verwenden. Diese Laseranordnung besteht im wesentlichen aus einem Farbstofflaser 10 mit einer Farbstoffküvette 12, einer Anregungsstrahlungsquelle 14 sowie einem vollständig reflektierenden Spiegel 16 und einem teildurchlässigen Spiegel 18, die einen optischen Resonator bilden. Die Anordnung gemäß Fig.l enthält ferner eine Einrichtung 20 zur spektralanalytischen Untersuchung der Laserstrahlung.
Zur Untersuchung der hier interessierenden Effekte ist im Laserhohl raum des Farbstofflasers 10 eine Küvette 22 angeordnet, die die chemische Verbindung der in invertierten Anregungszuständen zu erzeugenden Atome enthält. Schließlich enthält die Anordnung einen Anregungslaser 24, dessen Strahlung 26 durch ein nicht dargestelltes optisches System in die Küvette 22 fokussiert wird.
Fig 2 zeigt eine Meßkurve, die mit einer Anordnung der in Fig. 1 dargestellten Art erhalten wurde. Der Anregungslaser 24 (ein KrF-Laser, der im Ultraviolett emittiert, Emissionsdauer ca 20 ns), und der Farbstofflaser 12 - 14 (Emissionsdauer ca 100 ns) wurden gleichzeitig ausgelöst. Längs der Ordinate ist die Strahlungsintensität und längs der Abszisse die Wellenlänge aufgetragen. Die Meßkurve in Fig. 2 umfaßt einen Wellenlängenbereich von etwa 8 Nanometer. Die erste, breite Spitze 26 stellt die relativ breitbandige Emission des Farbstofflasers dar. Dieser Emission ist eine wesentlich schmälere, scharfe Spitze 28 bei 521 nm, welche dem tibergang 5S2-5pl/2/3 des Chroms entspricht, überlagert. Diese Spitze 28 zeigt, daß mehr Atome im angeregten Zustand als im Endzustand des betreffenden Überganges vorhanden sind.
Der Druck des Chromylchlorids in der Küvette 22 betrug etwa 30 Mikrobar. Die Energie pro Impuls des KrF-Excimer-Lasers betrug etwa 5 mJ. Ein geeigneter Druckbereich für Chromylchlorid bei UV-Anregung ist 10 bis 200 Mikrobar, das Optimum liegt etwa bei 100 Mikrobar.
Anstatt der photochemischen Zersetzung des Chromylchlorids kann die Zersetzung auch pyrolytisch, z.B. mittels eines IR-Strahlungsimpulses von einem C02-Laser erfolgen. Fig. 3 zeigt Meßkurven, die mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 erhalten wurden, wobei als Laser 24 nun ein Kohlendioxid-Laser verwendet wurde. Fig. 3A zeigt die Intensitätsverteilung der Farbstofflaserstrahlung im Spektralbereich von etwa 480 bis 560 Nanometer vor der Zersetzung des Chromylchlorids, das mit einem Druck von etwa 10 Millibar in der Küvette 22 enthalten war. Fig. 3B zeigt die Emission nach einem Strahlungsimpuls von 1 J des Kohlendioxid-Lasers, hier sind drei Chromlinien in der Gegend von 520 Nanometer zu erkennen. Fig. 3C zeigt die Emission des Farbstofflasers, nachdem das Chromylchlorid in der im Laserhohlraum angeordneten Küvette 22 mit zwei Strahlungsimpulsen von jeweils 1 J Energie im Abstand von ca 20 bis 30 Sekunden--bestrahit worden war. Hier ist nur noch die stärkste Linie bei 520,84 Nanometer vorhanden.
Daß die invertierten Anregungszustände der Chromatome durch chemische Reaktionen erzeugt werden, zeigt die verhältnismäßig lange Nachleuchtdauer der Strahlungsemission. Die Effekte gemäß Fig. 3B und Fig. 3C können nach dem letzten Anregungsstrahlungsimpuls noch 3 während Zeiten beobachtet werden, die bis zu 10 man länger sind, als die Lebensdauer des angeregten Zustandes der Chromatome. Durch die relative energiereichen IR-Strahlungsimpulse des Kohlendioxidlasers tritt im Chromylchlorid in der Küvette 22 eine Art Feuerball auf, der als "optische Detonation" bezeichnet werden kann.
Ähnliche Effekte lassen sich selbstverständlich auch mit anderen Verbindungen erzielen. Als Beispiel sei noch Osmiumtetroxid erwähnt. Osmiumtetroxid hat ähnlich, wie Chromylchlorid bei Raumtemperatur einen genügend hohen Dampfdruck. Bei dessen Bestrahlung mit einem UV-Laserimpuls oder einem energiereichen IR-Laserimpuls zersetzt sich das Osmiumtetroxid und bei der weitgehend reversiblen Rekombination entstehen die gewünschten angeregten Osmiumatome.
Die durch das vorliegende Verfahren erzeugten angeregten Atome können z.B. als laseraktives Medium in Laseroszillatoren oder Laserverstärkern Verwendung finden, oder als frequenzselektives Medium im Hohlraum eines normalerweise breitbandig strahlenden Lasers, wie eines Farbstofflasers.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Atomen in invertierten Anregungszuständen Patentansprüche 1. Verfahren zum Erzeugen von Atomen eines vorgegebenen chemischen Elements in invertierten Anregungszuständen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Energiezufuhr eine chemische Verbindung des betreffenden chemischen Elementes zersetzt wird, welche Zersetzungsprodukte liefert, zwischen denen chemische Reaktionen ablaufen, bei denen die angeregten Atome entstehen.
2. Verfahren nach Anspruch l,dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung photochemisch erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zersetzung durch Pyrolyse erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr durch Laserstrahlung bewirkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr durch Elektronenstoß erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Element ein Übergangsmetall-Element ist.
7.Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung Chromylchlorid (CrO2C12) ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung Osmiumtetroxid (ovo4) ist.