DE4110113A1 - Multimoden-raman-laser - Google Patents
Multimoden-raman-laserInfo
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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Description
Die Erfindung betrifft einen Multimoden-Raman-Laser, der
insbesondere zur Erzeugung eines Parawasserstoff-Raman-La
serstrahls (16 µm) mit hoher Leistung geeignet ist. Ein der
artiger Laser eignet sich insbesondere zur Urananreicherung
durch molekulare Laser-Isotopentrennung.
Bei einem bekannten Verfahren wird ein Parawasserstoff-Ra
man-Laserstrahl (16 µm) mit hoher Ausgangsleistung zur
Urananreicherung eingesetzt: Gemäß Fig. 6 wird ein Laser
strahl von einem CO2-Laser 1 mit transversaler Anregung und
Atmosphärendruck (TEA-CO2-Laser), der einen stabilen Resona
tor als Oszillator aufweist, mit Hilfe eines nicht darge
stellten Zirkularpolarisators zirkular polarisiert; die
Raman-Konversion erfolgt durch Injizieren des anregenden La
serstrahls 3, der durch einen Mehrstufenverstärker 2 mit ho
her Ausgangsleistung (sogenannter MOPA = Hauptoszillator-
Leistungsverstärker) verstärkt wird, in die mit Parawasser
stoff gefüllte Ramanzelle 4.
Bei dem bekannten System erhält man den anregenden Laser
strahl Vom TEA-CO2-Laser 1 unter Verwendung eines Oszilla
tore mit stabilem Resonator; nachteilig dabei ist der nied
rige Konversionswirkungsgrad zwischen der zugeführten elek
trischen Energie und der Lichtenergie, da in der Apertur des
Oszillators mit stabilem Resonator Verluste auftreten.
Da ferner der Laserstrahl vom TEA-CO2-Laser 1 als zirkular
polarisiertes Licht für die Raman-Konversion verwendet wird
und die Haltbarkeit des Zirkularpolarisators gering ist, muß
die Ausgangsleistung des vom Laser emittierten Laserstrahls,
der durch den Zirkularpolarisator geführt werden soll, nied
rig sein. Der so zirkular polarisierte Laserstrahl muß durch
einen Mehrstufenverstärker (MOPA) verstärkt werden, bevor er
in die Ramanzelle 4 injiziert werden kann. Wenn insbesondere
ein CO2-Laser mit schwacher Oszillatorlinie (Wellenlänge mit
geringer Intensität, wie 10R(32)) verwendet wird, muß die
Anzahl der Verstärker 2 stark erhöht werden. Dies führt zu
einem komplizierten System mit hohen Anlagekosten.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Raman-Laser zu schaffen, der einen hohen Konversionswir
kungsgrad zwischen der zugeführten elektrischen Energie und
der Lichtenergie aufweist und der keine Mehrstufenverstärker
erfordert.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der patentansprüche ge
löst.
Bei der Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von dem Orund
gedanken aus, als TEA-CO2-Laser einen Oszillator mit insta
bilem Resonator und eine Multimoden-Ramanzelle zu verwenden.
Der erfindungsgemäße Raman-Laser ist vorzugsweise ein TEA-
CO2-Laser mit einem Oszillator mit instabilem Resonator und
emittiert einen zirkular polarisierten Multimoden-CO2-Laser
strahl mit 10,6 µm Wellenlänge und hoher Ausgangsleistung,
wobei eine Injektion des zirkular polarisierten Laserstrahls
erfolgt. Das Nahfeldmuster dieses Multimoden-CO2-Laser
strahls ist ringförmig, während das Fernfeldmuster in seiner
Mitte einen scharfen und hohen Ausgangspegel hat. Dieser
zirkular polarisierte CO2-Strahl mit scharfem und hohem Aus
gangspegel in seiner Mitte wird in die Multimoden-Raman
zelle, die mit Parawasserstoff gefüllt ist, eingestrahlt,
und nach der Sättigungskonversion wird gestreutes Licht mit
einer Wellenlänge von 16µm abgegeben.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung einer Ausführungsform des erfindungs
gemäßen Raman-Lasers;
Fig. 2 die Intensitätsverteilung in Radialrichtung des Mul
timodenstrahls, der von dem TEA-CO2-Laser gemäß die
ser Ausführungsform emittiert wird;
Fig. 3 ein Nahfeldmuster (a) und ein Fernfeldmuster (b) des
Multimodenstrahls;
Fig. 4 die Wellenform und die Energie (Es) des gestreuten
Lichts nach gesättigter Raman-Konversion und die
Wellenform und Energie (Ep) des nicht-konvertierten
angeregten Lichts;
Fig. 5 Erhöhung der gestreuten Lichtenergie in Abhängigkeit
von der Anzahl der Reflexionen innerhalb der Raman
zelle bei üblichem TEM00-Moden-Strahl (a) und Multi
moden-Strahl (b) nach der Berechnung; und
Fig. 6 eine Anordnung eines üblichen Raman-Lasers.
Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird ein
Oszillator mit instabilem Resonator als TEA-CO2-Lasersystem
11 mit hoher Ausgangsleistung verwendet; ferner ist ein ein
zelner Longitudinalmoden-cw-CO2-Laser 12 als Lichtquelle zum
Emittieren von schwach zirkular polarisiertem Licht vorgese
hen. In dem Laser 11 ist ein konkaver Spiegel mit einem
Krümmungsradius von 30 m und einer Au/Si-Reflektorbeschich
tung und ein konvexer Spiegel mit einem Krümmungsradius von
24 m und einer ZnSe-Reflektorbeschichtung vorgesehen, deren
Reflektivität von der Mitte zum Außenumfang hin allmählich
abnimmt; diese beiden Spiegel weisen innerhalb des Resona
tors zueinander; ferner ist der Innenraum mit einem Oasge
misch mit der Zusammensetzung CO2:N2:He = 1 : 1,4 : 4
gefüllt. Die Ladungsspannung dieses Lasers 11 beträgt 22 kV,
und bei einer Wiederholrate von 1 Hz beträgt die Energie pro
Impuls 4,8 J.
Der cw-CO2-Laser 12 emittiert einen CO2-Laserstrahl schwa
cher Intensität. Dieser Laserstrahl wird durch den Zirkular
polarisator 13 mit einer λ/4-Platte zirkular polarisiert und
tritt von der KCl-Platte 14 in den Laser 11 ein. Der von dem
Laser 11 emittierte, zirkular polarisierte Laserstrahl über
wiegt bei Eintritt der Oszillation des Lasers 11. Durch die
Wellenlänge des injizierten Laserstrahls erhöht sich die
zirkular polarisierte Komponente in der Polarisationsebene
sehr rasch, und ein zirkular polarisierter Laserstrahl mit
hoher Leistung und 10,6 µm Wellenlänge wird abgestrahlt.
Die Wellenform des abgegebenen Laserstrahls nach dieser In
jektion wird mit dem Photonenimpuls-Detektor 15 beobachtet.
Der zirkular polarisierte Laserstrahl vom Laser 11 wird in
die Multimoden-Ramanzelle 16 injiziert. Die Ramanzelle 16
weist ein Paar Konkavspiegel und ein Rohr, z. B. aus Edel
stahl mit getrennten Fenstern 17 und 18 an jedem Ende für
die Einstrahlung bzw. Abstrahlung des Laserstrahls auf. Die
Konkavspiegel sind zueinander weisend luftdicht angeordnet,
und das SUS-Rohr ist mit Parawasserstoff gefüllt. Der zirku
lar polarisierte Laserstrahl hoher Leistung, der in das Ein
trittsfenster 17 der Multimoden-Ramanzelle 16 eintritt, wird
an der Spiegelfläche des Konkavspiegelpaars wiederholt re
flektiert, und aufgrund des Raman-Effekts des Parawasser
stoffs wird gestreutes Licht mit 16 µm Wellenlänge erzeugt.
Dieses gestreute Licht wird durch das Austrittsfenster 18
für den Laserstrahl emittiert.
Der aus der Multimoden-Ramanzelle 16 austretende Laserstrahl
wird in angeregtes Licht und gestreutes Licht unterteilt,
und die Wellenform und die Energie werden durch einen Photo
nenimpuls-Detektor 5 bzw; einen Energiedetektor 6 gemessen.
In dieser Darstellung sind ferner eine KCl-Platte 19, eine
LiF-Platte 20 und ein Reflektorspiegel M dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt die Intensitätsverteilung eines Multimoden-
Strahls in Radialrichtung, der von dem TEA-CO2-Laser 11 der
vorstehenden Ausführungsform emittiert worden ist. Danach
steigt der Mittelteil des Multimoden-Strahls an, was für
einen Multimoden-Strahl typisch ist. Die Fig. 3 zeigt das
Nahfeldmuster (a) und das Fernfeldmuster (b) dieses Multimo
denstrahls.
Die Fig. 4 Zeigt die Wellenform und Energie (Es) des ge
streuten Lichts nach gesättigter Konversion sowie die Wel
lenform und die Energie (Ep) des nicht konvertierten, ange
regten Lichts. Danach erfolgte bei dieser Ausführungsform
eine gesättigte Konversion.
Gemäß Fig; 5 ist der Anstieg des Multimoden-Strahls (b)
langsamer als der übliche TEM00-Modenstrahl (a); bei gesät
tigter Konversion ergibt sich jedoch kein Unterschied bei
der erzeugten Energie.
Bei dem erfindungsgemäßen System kann die zur Anregung des
CO2-Lasers erforderliche Energie stark reduziert werden. Da
die gesättigte Konversion des angeregten Lichts durch eine
Multimoden-Ramanzelle erfolgen kann, wird die elektrische
Eingangsleistung, die zum Erreichen der gleichen Lichtener
gie mit 16 µm Wellenlänge in Form von gestreutem Licht er
forderlich ist, reduziert, so daß der Systemwirkungsgrad er
höht wird.
Claims (3)
1. Multimoden-Raman-Laser zur Ramankonversion zur Einstrah
lung eines anregenden Laserstrahls von einem transversal
angeregten CO2-Laser (11) unter Atmosphärendruck in eine
Ramanzelle (16), dadurch gekennzeichnet, daß als trans
versal angeregter CO2-Laser (11) unter Atmosphärendruck
ein Oszillator mit instabilem Resonator und als Raman
zelle eine Multimoden-Ramanzelle vorgesehen sind.
2. Multimoden-Raman-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Oszillator mit instabilem Resonator
einen Konkavspiegel und einen Konvexspiegel aufweist,
die mit einer Reflexionsschicht versehen sind, so daß
die Reflektivität von der Mitte zum Außenumfang hin all
mählich abnimmt, und daß der Konkavspiegel und der Kon
vexspiegel innerhalb des Resonators zueinander weisend
angeordnet sind.
3. Multimoden-Raman-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Multimoden-Ramanzelle (16) ein
Paar Konkavspiegel aufweist, die zueinander weisend
luftdicht angeordnet und getrennt mit einem Laserstrahl-
Eintrittsfenster (17) und einem Laserstrahl-Austritts
fenster (18) versehen sind, und daß die Multimoden-
Ramanzelle mit Parawasserstoff gefüllt ist.
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