DE3408534A1

DE3408534A1 - Lasersignal-umsetzeinrichtung

Info

Publication number: DE3408534A1
Application number: DE19843408534
Authority: DE
Inventors: Jonathan Curtis Lincroft N.J. White
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1983-03-11
Filing date: 1984-03-08
Publication date: 1984-09-20
Also published as: GB2137014B; JPS59177989A; US4580267A; CA1220812A; GB8406238D0; GB2137014A

Description

Beschreibung Lasersignal-Umsetzeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Aufwärtsumsetzeinrichtung für CO--Laser, insbesondere eine Aufwärtsumsetzeinrichtung, die von der Anti-Stokes-Raman-Streuung in Alkaliatomen Gebrauch macht, um die Strahlung von CO~-Lasern in den nahen UV-Bereich oder den Bereich sichtbaren Lichts hochzusetzen. Erfindungsgemäß können C0<>-Laser in einem Schritt in den Spektralbereich von 300 nin bis 400 nm Raman-verschoben werden.

Einen Anti-Stokes-Raman-Laser kann man definieren als eine stimulierte Anti-Stokes-Raman-Emission, die induziert wird durch einen Anregungslaser zwischen zwei Niveaus der gleichen Parität, in denen eine Besetzungsumkehr zwischen dem oberen und dem unteren Ramanzustand existiert. Derartige Laservorrichtungen sind von besonderem Interesse, da sie durch Abstimmung des Anregungslasers abstimmbar sind, und, da der obere Ramanzustand häufig ein metastabiles Niveau ist, große Umkehrdichten und hohe: Anti-Stokes-Ausgangsenergien möglich sind. Eine frühe Arbeit auf diesem Gebiet ist in dem Artikel "Observation of Stimulated Anti-Stokes Raman Scattering in Inverted Atomic Iodine" von R. L. Carman

u. a. erschienen in Physical Review Letters, 22. JuIi 1974, Seiten 190-193. Wie in diesem Artikel beschrieben ist, läßt sich eine meßbare Verstärkung in ".invertierten" I-Atomen erreichen, wobei der I*(5p p°* ,₂)-Zustand durch Blitzlicht-Photolyse von Trifluormethyliodid (CF₃I) besetzt wird. Das Anti-Stokes-Raman-Signal läßt sich beobachten, indem man diese Inversion mit der Grundwelle eines NdrYAG-Lasers einer Wellenlänge von 1,06 μπι anregt und mit einem Breitband-Farbstoff mißt. In dem erwähnten Artikel ist jedoch weiterhin gesagt, daß während dieser Versuche keine superfluoreszierende Emission bei der nichtresonanten Anti-Stokes-Wellenlänge Rieht beobachtet wurde.

Später.wurde in dem Artikel "Tunable, 178-mn Iodine Anti-Stokes Raman Laser" von J. C. White u. a. in Optics Letters Vol. 7, Nr. 5, Mai 1982, Seiten 204-206 von der Beobachtung einer abstimmbaren, stimulierten vakuum-ultravioletten Anti-Stokes-Raman-Emission berichtet. Demgemäß wurde eine metastabile I*-Besetzungsumkehr in bezug auf den Grundzustand durch selektive Fotodissoziation von NaI erzeugt. Mit Hilfe eines 206nm-Anregungslasers zum Vorantreiben des Ramanprozesses wurde eine Anti-Stokes-Raman-Laserstrahlung bei 178 nm mit einer Impulsenergie von 35 Microjoule erzeugt, die über 10 cm abstimmbar war.

Eine Anordnung, die in der Lage ist, eine RamanverSchiebung zu bewirken, ist in der US-PS 4 144 464 beschrieben. Diese Patentschrift bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur nichtresonanten Stokes-Raman-Verschiebung von Ultraviolettstrahlung. Wie in der Patentschrift beschrieben ist, wird eine Stokes-Raman-Verschiebung einer breitbandigen UV-Excimer-Laser-Strahlung erreicht durch Variieren des Drucks des Raman-Streumediums, der fokalen Wechselwirkungslänge der in dem Raman-Streumedium eintreffenden Strahlung und ihres Leistungsdichteniveaus. Gasmoleküle H₂, D₂, CH₄, HD und Gemische dieser Gase sowie flüssiges N₂ werden als Raman-Streumedium verwendet, um die Ausgangssignale von Hochleistungs-KrF- und -ArP-Lasern in der Frequenz zu verschieben.

Eine alternative Anordnung ist in der US-PS 4 151 486 beschrieben. Diese Patentschrift bezieht sich auf ein abstimmbares Alkali-Metalldampf-Lasersystem. Es wird Gebrauch gemacht von stimulierter Stokes-Raman-Streuung in einem unter niedrigem Druck stehenden atomaren Alkali-Metall-Dampf aus Kalium oder Caesium, wobei der atomare Dampf bereitgestellt und dann vorgespannt wird, um ein Zwischenniveau wie beispielsweise das 4P-Niveau für Kalium oder das 6P-Niveau für Caesium zu besetzen, von dem aus das gewünschte obere Laserniveau erreichbar ist. Nachdem die Besetzung auf dem Zwischenniveau geschaffen wurde, wird sie mit Hilfe eines abstimmbaren Färb-

stofflasers auf ein virtuelles Niveau in der Nähe des gewünschten oberen Laserniveaus angeregt, und erzeugt über den stimulierten Raman-Streuprozeß den abstimmbaren Laserstrahl.

Die Erfindung schafft einen Aufwärtsumsetzer für CO₂~Laser, insbesondere einen Aufwärtsumsetzer, der die Anti-Stokes-Raman-Streuung in Alkaliatomen dazu benutzt, die Ausgangssignale von CO₂~Lasern in den nahen UV-Bereich oder den sichtbaren Spektralbereich hochzusetzen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Alkalihalogenid-Verbindung verwendet, die, nachdem sie fotodissoziiert wurde, ein angeregtes Alkaliatom liefert, welches mit einem CO^-Laser in Wechselwirkung treten kann, um die hochgesetzte Strahlung zu liefern. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird entweder ein Excimer-Laser, oder werden Excimer-Blitzlampen zum Fotodissoziieren der Alkalihalogenid-Verbindung eingesetzt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung der relevanten Energieniveaus beim Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung mit NaI als Alkalihalogenid und einem

-B-

ArF Excimer-Laser als Mittel für die Fotodissoziierung,

. Fig. 2 ein Blockdiagramm einer .Ausführungsform der Erfindung mit einem Excimer-Laser als Fotodissoziierungsvorrichtung und

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der Erfindung mit einem Paar von Excimer-Blitzlampen als Fotodissoziierungsvorrichtung.

Bei der folgenden Diskussion wird als simuliert emittierendes Hauptmedium gemäß der Erfindung das Alkalihalogenid Natriumiodid verwendet. Es versteht sich jedoch, daß irgendeine Alkalihalogenid-Verbindung verwendet werden kann und eine solche Verbindung von NaI nur hinsichtlich der verschiedenen Energieniveaus abweicht. Erfindungsgemäß läßt sich also jede Alkalihalogenid-Verbindung als Simuliert emittierendes Medium verwenden, aus dem das Signal des CO~-Lasers hochgesetzt werden kann. Fig. 1 ist ein Energieniveau-Diagramm, das die Wirkung der Erfindung bei dem Alkalihalogenid NaI und einem ArF-Excimer-Laser veranschaulicht.

Im Grundzustand befindliches NaI dissoziiert bei Bestrahlung mit einem ArF-Excimer-Laser einer Wellenlänge von 193 nm gemäß folgender Beziehung:

NaI + A(193nm) -»Na* (4s ²S_1/2) + I (5p^{5 2}Ρ°_3/2)·(1)

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, hebt die Zufuhr der 193-nm-Strahlung

das Na aus dem Grundzustand auf das 4s S₁ ,„-Energieniveau bei

25740 cm" , wobei es sich um einen Zustand der gleichen Parität wie der des Grundzustands des Na-Atoms handelt. Bevor die Besetzungsumkehr in diesem guasi-metastabilen Zustand auf ein geringeres Energieniveau strahlen kann, wird ein Photon zugeführt, das, wie Fig. 1 zeigt, die Besetzung auf ein höheres Energieniveau in der Nähe des 4p P⁰.. ,,,-Niveaus bei 30266 cm" anhebt. Von diesem Energieniveau aus erfolgt eine stimulierte Anti-Stokes-Raman-Emission bei 374,8 nm, wodurch die Hochsetzung des CO₂-Eingangssignals erreicht wird.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung, mit der der oben beschriebene erfindungsgemäße Prozeß durchführbar ist. Im Betrieb erzeugt eine Excimer-Laserquelle 10 ein Laser-Ausgangssignal, bei einem ArF-Excimer-Laser ist das Ausgangssignal eine Lichtwelle von 193 nm. Das Ausgangssignal gelangt durch eine Sammellinse 12 und einen dichroitischen Spiegel 14, bevor es anschließend als Eingangssignal auf einen Salzofen 16 gegeben wird, der die Alkalihalogenid-Verbindung, z. B. NaI enthält. In dem Salzofen wird die Alkalihalogenid-Verbin-

dung entsprechend der obigen Gleichung (1) dissoziiert, so daß die quasi-metastabile Besetzungsumkehr gemäß Fig. 1 geschaffen wird. Dann wird ein CO^-Laser 18 aktiviert; sein Ausgangssignal wird mit einer Sammellinse 11 fokussiert, von dem dichroitischen Spiegel 14 reflektiert und gelangt als Eingangssignal an den Salzofen 16. Wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurde, bewegt das C0₂-Photon die Besetzungsumkehr auf ein Niveau, von dem aus eine stimulierte Anti-Stokes-Raman-Streuung stattfindet. Daher ist, wie Fig. zeigt, das Ausgangssignal des Salzofens 16 eine Lichtwelle mit einer Wellenlänge von 374,8 nm. Der exakte Wert der Ausgangsstrahlung ist eine Funktion sowohl des verwendeten Alkalihalogenid-Excimer-Lasers als auch der Wellenlänge des CCu-Lasers, wobei der Wert von 3 74,8 nm auf der Verwendung des Alkalihalogenids NaI und eines ArF-Excimer-Lasers beruht.

Um die Zufuhr des Excimer-Laser-Impulses von der ArF-Excimer-Laserquelle 10 und des CO^-Photons von der CO^-Laserquelle zu steuern, ist in der Anordnung nach Fig. 2 eine Zeitverzögerungs-ZSynchronisations-Einrichtung 20 enthalten. Die Einrichtung 20, bei der es sich um einen programmierbaren Präzisions-Verzögerungsgenerator handeln kann, gestattet eine akkurate Steuerung der Ankunft der Laserimpulse an dem Salzofen 16 durch Steuern der In-Gang-Setzung sowohl der ArF-Excimer-Lasorquelle 10 als auch der CO^-Laserquelle 18. Die Iηtonsi tat des eine Wellenlänge von 374,8 nm aufweisenden

Anti-Stokes-Raman-Laserausgangssignals des Salzofens 16 ist eine Funktion der Zeitverzögerung zwischen der Ankunft des eine Wellenlänge von 193 nm aufweisenden Ausgangssignals des Excimer-Lasers 10 und des 10,6 um betragenden CO^-Impulses, wie sie durch die Synchronisationseinrichtung 20 gesteuert

Da der in Zusammenhang mit der Erfindung durchgeführte Fotodissoziationsprozeß lediglich eine Anregungsquelle für inkohärente Strahlung benötigt, können statt des Excimer-Lasers 10 auch Blitzlampen verwendet werden, wobei z. B-die in Fig. 3 dargestellte Anordnung von Blitzlampen denkbar ist. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, wurde der Excimer-Laser 10 aus Fig. 2 ersetzt durch ein Paar Blitzlampen 3 0 und 32, bei denen es sich um ArF-Excimer-Blitzlampen handeln kann. Die Alkalihalogenid-Verbindung ist in einer Quarzzelle 34 enthalten, die zwischen den Blitzlampen 30 und 32 angeordnet ist. An die Blitzlampen 30 und 32 ist ein Schaltmechanismus 36 angeschlossen, der die Blitzlampen 30 und 32 aktiviert. Wie bei dem ARF-Excimer-Läser 10 in Fig. 2 verursacht die Erregung der Blitzlampen 30 und 32, daß das NaI in der Quarzzelle 34 ein höheres Energieniveau annimmt, wie es in Fig. gezeigt ist. Wie bei der oben an Hand von Fig. 2 diskutierten Anordnung wird ein CO₂-Laserimpuls von einer CO₂-Laserquelle 10 mit einer Sammellinse 11 fokussiert und als Eingangssignal der Quarzzelle 34 verwendet, nachdem das NaI ausreichend

dissoziiert ist, wobei die In-Gang-Setzung sowohl des Schaltmechanismus 36 als auch der CO^-Laserlichtquelle 18 durch die Zeitverzögerungs-ZSynchronisationseinrichtung 20 gesteuert wird. Hierdurch entsteht am Ausgang.der Quarzzelle 34 eine Anti-Stokes-Raman-Strahlung einer Wellenlänge von 3 74,8 nm, das ist das gleiche Ausgangssignal wie bei der Anordnung nach Fig. 2.

Claims

Patentansprüche

1. Lasersignal-Umsetzeinrichtung zum Versetzen einer Laser-Ausgangssignalfrequenz von einem ersten Frequenzbereich in einen zweiten, höheren Frequenzbereich, mit einem stimuliert emittierenden Hauptmedium aus Alkalihalogenid, das einen Grundzustand, einen Zwischenzustand und einen quasi-metastabilen Zustand aufweist, gekennzeichnet durch

fotodissoziierende Mittel (10, 16) zur Erzeugung einer Besetzungsumkehr zwischen dem Grundzustand und einem quasi-metastabilen Zustand des stimuliert emittierenden Alkalimediums, und eine Kohlendioxid-(CO₂-)Laserquelle (18), die Laserstrahlung in dem ersten Frequenzbereich zu erzeugen vermag, sowie eine Fokussier'einrichtung (11, 14) zum Fokussieren der Strahlung der Kohlendioxid-Laser-Quelle (18) auf das stimuliert emittierende Medium aus Alkalihalogenid, um die Besetzung aus den quasi-metastabilen Zustand in den Zwischenzustand des Alkalihalogenids zu überführen, aus dem eine stimulierte Anti-Stokes-Raman-

Radedcestraßs 43 8000 Mündien 60 Telefon (089) 833603/883604 Telex 521231J Telegramme Patentconsult

Sonnenberger Slra6e 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 542943/561998 Telex 4186237 Telegramme Patentconsult

Telefax (CCITT 2) Wiesbaden und Mündien (089) 8344618 Attention Patentconsult

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Emission in dem zweiten, höheren Frequenzbereich stattfindet.

2. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine Zeitverzögerungs-ZSynchronisiereinrichtung (20) zum separaten In-Gang-Setzen sowohl der fotodissoziierenden Mittel (16) als auch der Kohlendioxid-Laserquelle (18), so daß das Ausgangssignal der fotodissoziierenden Mittel bei dem Alkalihalogenid einen vorbestimmten Zeitraum vor dem Ausgangssignal des Kohlendioxid-Lasers ankommt, um dadurch die Intensität des Anti-Stokes-Raman-Laserausgangssignals des stimuliert emittierenden Alkalihalogenid-Mediums zu steuern.

3. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

die fotodissoziierenden Mittel eine Excimer-Laserquelle (10) aufweisen.

4. Umsetzeinrichtung nach Anspruch*3,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Excimer-Laserquelle einen ArP-Excimer-Laser aufweist.

5. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Excimer-Laserquelle einen KrF-Excimer-Laser aufweist.

■· ♦ ·

6. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotodissoziierenden Mittel mindestens eine Excimer-Blitzlampe (30) aufweisen.