DE4110113A1

DE4110113A1 - Multimoden-raman-laser

Info

Publication number: DE4110113A1
Application number: DE4110113A
Authority: DE
Inventors: Hideo Tashiro; Katsumi Midorikawa; Mitsutoshi Suzuki
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1990-03-28
Filing date: 1991-03-27
Publication date: 1991-10-02
Also published as: US5193095A; JPH03280485A; JP2511721B2

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

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.