DE1299779B

DE1299779B - Optischer Sender oder Verstaerker (Laser)

Info

Publication number: DE1299779B
Application number: DET28244A
Authority: DE
Inventors: Gould Gordon; Bennett Jun William Ralph
Original assignee: Control Data Corp
Current assignee: Control Data Corp
Priority date: 1965-01-18
Filing date: 1965-03-25
Publication date: 1969-07-24
Also published as: US3562662A; NL6600676A; GB1126942A; FR1535445A

Description

F i g. 5 ein Energieniveaudiagramm von Lanthan zur Veranschaulichung der Arbeitsweise und der Vorteile eines optischen Lanthansenders gemäß der vorliegenden Erfindung,

F i g. 6 einen bei hohen Temperaturen betrie-

F i g. 7 einen bei hohen Temperaturen betriebenen optischen Sender mit Lanthan qder Yttrium als stimulierbares Medium,

F i g. 8 einen abgebrochenen Schnitt der Einrichtung gemäß F i g. 7 entlang der Linie 8-8 und

F i g. 9 ein Energieniveaudiagramm des Jodmoleküls zur Veranschaulichung der Funktion des KoIH-sions-Freimachens bzw. -Entleerens der niedrigeren

Bei üblichen optischen Sendern mit Gasentladung
in ihrem stimulierbaren Medium wird zum Freimachen oder Entleeren oder Löschen der Anregung
ihrer unteren Energiestufe direkt oder indirekt eine
spontane Emission benötigt, was den Wirkungsgrad 15 benen optischen Sender mit Mangan als stimulier- und die Ausgangsleistung dieser optischen Gasent- bares Medium,
ladungssender begrenzt. Einer der Gründe derartiger
Wirkungsgradbegrenzungen besteht darin, daß der
für eine Folge von nicht reabsorbierten Strahlungssprüngen erforderliche Niveauabstand bedingt, daß 20
die stimulierbaren Energieübergänge in ihrem Energieniveauaufbau sehr hoch liegen. Dies ergibt eine
niedrige Quantenausbeute bei nur einem kleinen
Bruchteil von Elektronen mit der für eine Anregung

erforderlichen Energie und parasitären Verlusten 25 Laserniveaus, was eine Eigenschaft der erfindungsdurch Anregung niedrigerer Niveaus. gemäßen optischen Sender ist.

Bei den erfindungsgemäßen optischen Sendern In der folgenden Beschreibung wird der Ausdruck

erhält eine beachtliche Kombination von unelastischen optischer Sender für Geräte und Einrichtungen verElektron-Atom- und Atom-Atom-Kollisionen zur An- wendet, die von dem Phänomen der Lichtverstärkung regung und Entleerung eine Besetzungsinversion für 30 durch Resonanzauslösung überbesetzt angeregter Atome des stimulierbaren Mediums ohne Zuhilfe- Quantenzustände oder der stimulierten Strahlung nähme der spontanen Emission aufrecht. Dies ergibt Gebrauch machen.

sich daraus, daß die Ubertragungsraten zwischen den Bevor spezielle veranschaulichende Ausführungs-

Niveaus infolge der Atom-Atom-Kollisionen klein formen von erfindungsgemäßen optischen Sendern sind, wenn die Energiedifferenz die durchschnittliche 35 beschrieben werden, erscheint eine allgemeine Diskinetische Energie wesentlich überschreitet. Somit kussion der theoretischen Erwägungen in Verbindung können Kollisionen mit anderen Atomen das niedri- mit der Erfindung erforderlich,
gere Niveau selektiv auf andere benachbarte Niveaus Kein optischer Gasentladungssender wandelt Ein-

ohne Verringerung der Besetzung des oberen Niveaus gangsleistung in Ausgangsleistung mit einem Wirbringen. Da keine spontane Emission benötigt wird, 40 kungsgrad // größer als 0,001 um. Diese* schlechte ist der Betrieb in dem niedrigeren Bereich des Energie- Arbeitsweise ist zu erwarten, wenn die Energie zur niveauaufbaus mit wesentlich größerer Ausbeute mög- Anregung^iuf das obere stimulierbare Niveau wesent-, lieh. Eine Leistung an kohärenter Strahlung in der lieh größer als die Resonanzphotonenenergie ist. Größenordnung von 1 Watt · cm"³ mit einem Wir- Unglücklicherweise muß dies immer dann der Fall kungsgrad von mehr als 10% kann verwirklicht 45 sein, wenn spontane Emission zum Freimachen des werden. niedrigeren Niveaus verwendet wird.

Im Gegensatz dazu erlaubt das Freimachen oder Entleeren dufch unelastische Atom-Atom-Kollisionen die Verwendung von Laserniveaus, die gerade über dem Grundniveau liegen. Son^it ist eine Kombination von unelastischen Elektron-Atom- und Atom-Atom-

Temperaturen über 1000" C sind zur Erzeugung eines 1 atomigen Gases bei vielen Elementen mit geeignet beabstandeten niedrigen Niveaus für erfindungsgemäße optische Sender erforderlich.

Es ist somit ein Ziel der Erfindung, optische Sender zu schaffen, deren Wirkungsgrad weit über dem bisher für die Umwandlung von elektrischer Energie in kohärente Lichtenergie Bekannten liegt. Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß als stimulierbares Medium Dämpfe hoher Temperatur verwendet werden und die Entleerung der unteren Energiestufe durch Stoß erfolgt.

Kollisionen sowohl für die Erregung als auch die Löschung der Schlüssel für einen Leistungssender mit gasförmigem Medium und hohem Wirkungsgrad.

Die in einem optischen Sender mit gasförmigem stimulierbarem Medium auftretenden Vorgänge sind schematisch in F i g. 1 gezeigt. Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß ein wirkungsvoller optischer Entladungssender Medien heranziehen muß, die von den üblichen

Andere Ziele und Vorteile ergeben sich aus der

nachfolgenden, an Hand der Zeichnungen erfolgenden 60 ganz verschieden sind.

Beschreibung. Es zeigt Bei üblichen optischen Sendern ist die Rate des

Fig.! ein Energiediagramm eines verallgemeiner- spontanen Abfalls des angeregten Niveaus > 10^fl see~', ten Dreiniveauschemas zur Veranschaulichung der was charakteristisch für »erlaubte« elektrische Dipol-Prinzipien der vorliegenden Erfindung, Strahlungssprünge ist. Da die Anregungsrate in der

Fig. 2 ein Energieniveaudiagramm für Argon als ⁶5 Größenordnung von 10⁵sec"' liegt, auch wenn die

Atom und einfach positives Ion zur Veranschaulich ung wirkungsvolle und selektive Kollisionsmethode der

der Grenzen bekannter optischer Sender und der Vor- zweiten Art verwendet wird, kann die Besetzung des

teile der erfindungsgemäßen optischen Sender, angeregten Niveaus nicht größer gemacht werden als

die des Grundniveaus. Somit erfolgt eine Lichtverstärkungswirkung oder -emission durch wechselseitig induzierte Sprünge nur auf eine Zwischenstufe, deren Besetzung infolge einer noch schnelleren Änderungsrate des spontanen Abfalls niedriger gehalten wird.

Es ist auch möglich, eine langlebigere niedrigere Energiestufe durch Kollisionen der zweiten Art von Elektronen frei zu machen. Dieses Verfahren zusammen mit anderen erfindungsgemäßen Techniken ergeben einen beachtlich verbesserten Wirkungsgrad. ₍₀

Die Situation ist gerade entgegengesetzt zu der des Molekularverstärkers (Masers). Für Niveaus, die nur einen Abstand von E = hv voneinander haben, wobei ν eine Mikrowellenfrequenz ist, besteht eine hohe Besetzung der angeregten Energiestufe im thermischen Gleichgewichtszustand, und die Lebensdauer ist lang. Somit kann die Besetzung des angeregten Niveaus leicht über der des Grundniveaus gehalten werden.

Bei Niveaus, die für optische Sprünge genügend hoch über dem Grundniveau liegen, wird die Anfangsbesetzung immer niedrig sein. Wenn aber die Niveaus langlebig (metastabil) sind, ist es leicht möglich, sie mit einer Geschwindigkeit zu besetzen, die größer als die natürliche Geschwindigkeit ihrer Entleerung ist, so daß eine höhere Besetzung von Atomen in dem höheren Zustand sich ergibt.

Viele Elemente, die als Einzelatome in gasförmigem Zustand vorkommen, haben bei üblichen Temperaturen keinen hohen Dampfdruck. Deshalb wurden bisher diejenigen, die gegebenenfalls metastabile Zustände besitzen, nicht zur Anregung anderer Atome durch Kollisionen zweiter Art verwendet. Es ist naheliegender, oben beschriebene Atome als Arbeitsatome zu verwenden. Für diesen Zweck kann der Druck (und die Temperatur) niedriger sein. Die meisten dieser metastabilen Niveaus sind in Tabelle 1 aufgeführt. Als Beispiel sei Zink betrachtet. Die metastabilen 4³P-Niveaus liegen ungefähr 4 eV über dem Grund. Diese Niveaus liegen nicht in der Nähe anderer metastabiler Niveaus und können somit nicht direkt durch Kollisionen zweiter Art angeregt werden. Es können jedoch höhere, nicht metastabile Niveaus des Zinks durch Kollisionen mit metastabilem Krypton und Xenon angeregt werden. Von diesen Niveaus fallen die Zinkatome rasch auf die metastabilen Niveaus und ebenso zum Grundniveau ab.

Die Abfallrate des Zinks (4³ P₁ —> 4' S₀) durch Emission des ultravioletten Photons, λ = 3076 Ä, beträgt /I = I-IO⁵ sec"¹. Es wurde bereits erwähnt, daß Anregungskollisionsgeschwindigkeiten oder -raten mit etwas höherem Wert erzielbar sind. Es erscheint deshalb möglich, Lichtverstärkungssprünge direkt zum Grundniveau bei Zink zu erzeugen.

Auch bei Thallium ist die grundlegende Technik der Verwendung von langlebigen metastabilen oberen Niveaus anwendbar, wobei die meisten Atome mittels eines ähnlichen indirekten Verfahrens auf die viel langlebigere 6²P3_/2-metastabile Energiestufe angeregt werden können: entweder durch Kollisionen zweiter Art mit Hg-Metastabilen oder durch Absorption der 3776-Ä-Resonanzstrahlung mit nachfolgendem Abfall auf 6² P_3/2.

Es sei nun wieder auf F i g. 1 Bezug genommen. Wenn gebundene Elektronen in zwei Niveaus mit den statistischen Gewichten g_a und g_h bei einer Temperatur T in thermischem Gleichgewichtszustand sind, dann findet kein Netto-Besetzungsübergang statt, so daß

N„I\_h = N_hr,

b ^l ba ·

Die Besetzungsdichten bei einer Boltzmann-Verteilung sind miteinander verknüpft durch

-(£„-E,)//cT

Qa

9b

und die Ubergangsraten pro Atom im Anfangsniveau durch

üb ' ba ~ Ua ^l ab ^c

In der positiven Gruppe einer Entladung bei mäßiger Atomdichte (JV ~ 10¹⁶ cm"³) ergibt sich annähernd eine Maxwellsche Verteilung freier Elektronen. Unter diesen Umständen besagt die Gleichung (2), daß eine Besetzungsinversion sich nicht allein infolge von Elektronenkollisionen ergeben kann. Der resultierende Effekt der Verschiebungen zwischen den stimulierbaren Niveaus infolge von Elektronenkollisionen ist eine Reduzierung der überschüssigen Besetzung in dem oberen stimulierbaren Niveau. Deshalb muß ein anderer selektiver Prozeß das niedrigere Niveau freimachen bzw. entleeren oder das obere Niveau besetzen bzw. auffüllen oder beides. Einige mögliche Verfahren sind in Tabelle 1 angegeben.

Bei einem stetig arbeitenden System ist die Anzahl der in aktiven Atomen, Ionen oder Molekülen gebundenen Elektronen konstant. Deshalb muß sowohl die Anzahl der Besetzungen auf das obere Niveau als auch die Anzahl der Freimachungen aus dem unteren Niveau im Durchschnitt die Anzahl der mit der stimulierten Wellenlänge ausgesandten Photonen überschreiten. Bei Verwendung der in F i g. 1 definierten Symbole gilt dann

E.{N,r_tu-N_ur_ut)>N_uA_ul + PJhv_L (4)

Z(N₁ r_lt - N, JJ) > N_uA_ul + PJhv_L . (5)

Dies besagt, daß für jedes kohärent ausgestrahlte Photon zumindest ein Atom energiemäßig von einem dritten oder »Vorrats«-Niveau gehoben werden muß und daß im System durch Freimachen wenigstens eines Atoms vom niedrigeren der beiden an der Stimulation beteiligten Niveaus zum »Vorrats«- Niveau eingetreten sein muß. Die »Quantenausbeute« eines optischen Drei-Niveau-Senders gehorcht der Ungleichung

Ausbeute < h ν J E₁₁ - E₁ . (6)

Wenn die Ubergangsvorgänge alle strahlend wären, so wäre dies das Quantenäquivalent einer Manley-Rowe-Beziehung.

Der extreme Fall der Argon-Ionen-Sender zeigt die Bedeutung dieser Begrenzung (das Energiediagramm dafür ist in F i g. 2 gezeigt). Wenn die Anregung von dem Grundniveau des neutralen Atoms aus erfolgt, so kann auch der maximale theoretische Wirkungsgrad bzw. Ausbeute 5% nicht überschreiten; bei einer Anregung von dem Ionengrundniveau aus ist er kleiner als 10%· Hieraus ergibt sich, daß die wirksamen »dritten Niveaus« in einem günstigen optischen Drei-Niveau-Sender in der Nähe der stimulierten Ubergangsniveaus liegen müssen.

Wenn die Atome exakt längs des durch die starken Pfeile in F i g. 1 angezeigten Weges umlaufen, so kann der Wirkungsgrad sich der rechten Seite der Ungleichung (6) nähern. Tatsächlich findet bei stehenden optischen Sendern nur ein kleiner Bruchteil/ der von dem Vorratsniveau angeregten Atome seinen Weg durch den stimulierten übergang. Der größte Teil der von den Plasmaelektronen aufgenommenen Energie geht durch parasitäre Anregung und Löschung anderer Niveaus verloren, die in der Nähe oder unter dem oberen stimulierten Niveau liegen. Diese Verluste werden durch die Ausdrücke N_uF_ut und N₁F₁₁ in den Ungleichungen (4) und (5) symbolisiert. Die Ungleichung (6) muß abgewandelt werden in

Ausbeute χ f [hvJE_u - £,] .

(7)

Bei einem optischen Entladungssender mit einem stimulierbaren wirksamen Bestandteil seines Mediums (z. B. Xenon), bei dem das obere Niveau direkt durch Elektronenkollisionen angeregt wird, können unerwünschte Anregungen nicht vermieden werden. So muß zumindest auch das niedrigere Niveau des stimulierten Übergangs direkt durch Elektronenkollisionen angeregt werden. Die Verschiebungsrate vom Niveau b zum Niveau α infolge Kollisionen kann in allgemeiner Form ausgedrückt werden durch

n. = Nä_ba7. (8)

Es wurde schon ausgeführt, daß ein Energieniveauaufbau vorkommen kann, bei dem der sogenannte Querschnitt σ der Ionisation, der ein Maß Tür die Wahrscheinlichkeit, daß ein gegebener Prozeß eingeleitet wird, darstellt, für eine Elektronenanregung zum niedrigeren Niveau des stimulierten Übergangs kleiner ist als zu dem oberen. Dies kann der Fall sein, wenn der übergang optisch »verboten« ist. Der mittlere Querschnitt der Ionisation enthält jedoch einen Boltzmann-Faktor in Übereinstimmung mit Gleichung (3), der die Anregung eines niedrigeren Niveaus stark fördert.

Der optische Argon-Ionen-Sender bietet ein weiteres Beispiel. Es wird angenommen, daß der mittlere Querschnitt der Ionisation direkt zu dem oberen stimulierbaren Niveau geringer ist als das 0,01 fache derjenigen zum Ionengrundniveau. Ein weiterer Verringerungsfaktor von 0,01 ergibt sich in den Konfigurationen der stimulierbaren Niveaus und in der nutzlosen Anregung der neutralen Argonniveaus und ist zusammen mit der Quantenausbeute von 10° ₀ ausreichend für einen Gesamtwirkungsgrad von weniger als 0,01%;

Beachtlich ist auch eine Betrachtung eines Anregungssystems in einem molekularen Gas. Bei einem derartigen System kann der übliche Lichtverstärkervorgang praktisch nicht verwendet werden, z. B. die Anregung auf eine höhere elektronischen Energiestufe unter Lichtverstärkeremission auf eine Zwischenstufe, deren Besetzung durch raschen, spontanen Abfall auf ein Grundniveau niedrig gehalten ist. Statt dessen erfordern und gestatten die Eigenschaften der Moleküle ein anderes Verfahren, mittels dessen die Besetzung des niedrigeren Niveaus niedriger als die Besetzung einiger höherer Niveaus gehalten wird. Dieses Verfahren besteht im Freimachen des niedrigeren Niveaus von Besetzung durch Kollisionen der zweiten Art.

Zur Veranschaulichung des ganzen Verfahrens sei das Molekül I₂ betrachtet (F i g. 9).

Das erste Glied der Natriumgrundreihe bei 5893 Ä fällt mit einer der zahlreichen Absorptionslinien des Jodmoleküls zusammen. Ein interessanter übergang besteht somit von einem Drehsubniveau des Vibrationsniveaus ν = 2 des elektronischen Grundzustandes ('2"^) zum Subniveau mit J = 30, ν = 17 des (3 jt"^)-Zustandes. ν = 2 der (T^-Niveaus sind bei thermischem Gleichgewicht und bei Raumtemperatur gut besetzt (vgl. rechte untere Ecke von F i g. 9),

ίο während ν = 7 von (Σ*) eine Besetzung von weniger als 1% besitzt und υ = 17 von (3 π J) keine Besetzung hat.

Eine 1 cm dicke Schicht von /₂-Dampf bei einigen Torr absorbiert den größten Teil des Natriumlichtes und bringt J₂-Moleküle auf das obere Niveau mit einer Geschwindigkeit

dt

hv

(8 a)

Ist keine Lichtverstärkerwirkung vorhanden, so verfallen die angeregten Zustände der Atome mit einer Geschwindigkeit

dt

= «λ Ir? + IM (mit allen anderen Zuständen)],

(8 b)

wobei Σ A=spontane strahlende Abfallrate, y_c == Entfernungsgeschwindigkeit durch Freimachungskollisionen mit anderen J₂-Molekülen. Der Querschnitt für diese Kollisionen ist sehr hoch, da viele /₂-Zustände energiemäßig nahe beieinander liegen. Annähernd 5% der Moleküle fallen nach r = 7 von ('Σ*). Infolge desselben Freimachungsverfahrens, wie es eben beschrieben wurde, ergibt sich dann für die Besetzungsänderungsraten bei dynamischem Gleichgewicht

dt

hv

du,

-^ = O = H₁₁A(U-

•O-«iyc

und

«ft =

«ι

Pvorh

^(γ,+ ΣΑ) '

Yc

(8 c) (8d)

(8e) (81)

Es ist zu beachten, daß Atome aus r = 7 von (' Σ⁺ _β) nach anderen Subniveaus des elektronischen Grundzustandes nur durch Relaxationskollisionen bzw. Freimachungskollisionen gebracht werden können. Ist dann der 7₂-Druck ungefähr (~ 5 Torr), so daß

dann ist

[(« — /)« 10⁷ see

'"¹

-^-«20

1,

(8 g)

(8 h)

was für eine Lichtverstärkerwirkung ausreichend ist. Die erforderliche Na-(5893 Ä-)Intensität einer als S Umhüllung angeordneten Entladungslampe ist

/ ,-· H)""³ Watlcm"² und räumlichemWinkel

(Steradian). (8i)

Die Intensität in der ersten Linie der Na-Grundreihe kann leicht größer als 0,1 Watt cm ~² pro räumlichem Einheitswinkel gemacht werden.

Es sollte weiter beachtet werden, daß die Verwendung von stimulierten übergängen in Molekülen mit ihrer Vielfalt von Niveaus auch fast unvermeidbar einen niedrigen Verzweigungsfaktor /zur Folge haben muß (d. h., daß nur ein kleiner Bruchteil der angeregten Atome den gewünschten Strahlungssprung ausführen). Ein günstiger optischer Entladungssender sollte keine hohe Moleküldichte aufweisen.

Die schlechte Ausbeute bei bekannten optischen Sendern ist von grundsätzlicher Art und ergibt sich nicht nur als eine zufällige überlagerung ungünstiger Bedingungen. Das Erfordernis einer schnellen Relaxation bzw. Freimachung des niedrigeren Niveaus des stimulierten Übergangs begrenzt die beiden Faktoren in Gleichung (7). Die minimale Relaxationsoder Freimachungsrate F_min (Relaxation) eines angeregten Niveaus ist infolge der Diffusion zur Wand oder der verschiedenen unelastischen Kollisionsmöglichkeiten von der Größenordnung

r_mi„ (Relaxation) ~ 10⁴ see ⁱ ;

(9)

eine derartig kleine Rate ist nur möglich, wenn der stimulierte übergang in der ersten Ordnung optisch verboten ist. Um die Anregungsenergie wirkungsvoll für den stimulierten übergang auszunutzen, muß die Rate von stimulierten übergängen zumindest in der Größenordnung von größer als

N_uh-y

> 10⁵ see"

(10)

Um die Besetzungsinversion aufrechtzuerhalten, muß die Relaxationsrate von dem niedrigeren Niveau noch schneller sein, etwa

F) > 10⁶ see"¹ (11)

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt zwei ausreichend rasche und selektive Möglichkeiten: spontaner strahlender Abfall oder Rückkehr und unelastische Kollimit Atomen.

35

sionen

Tabelle 1

Mögliche Anregungs- und Löschungsverfahren
in Plasmen mit niedriger Dichte

Sprünge\ on gebundenen
Elektronen zwischen Energieniveaus
in Atomen oder Ionen werden
durch folgende Verfahren verursacht :

a) Bildung und Vernichtung
von Photonen

stimulierte Emission
Absorption
spontane Emission

b) Kollisionen mit freien
Elektronen

c) Unelastische Kollisionen
mit Atomen und Molekülen

d) Diffusion zu den
Wänden

Größenordnungsraten pro

Atom im Anfangszustand

bei einem Druck von

1 Torr

45

55

Sprüngen von gebundenen

Elektronen zwischen Energieniveaus

in Atomen oder Ionen werden

durch folgende Verfahren ver-

ursacht:

e) Ionisation und
Deonisation

f) Dissoziation von
Molekülen

g) Rekombination in
Moleküle

Größenordnungsraten pro

Atom im Anfangszustand

bei einem Druck von

!Torr

<10⁶

Metastabile Niveaus können zur Anregung von Niveaus mit annähernd derselben Energie in anderen Atomen durch Kollisionen der zweiten Art verwendet werden, wofür Beispiele in der Tabelle 2 gegeben werden. Diese Niveaus sind langlebig, da die elektrischen Dipol-Auswahlregeln einen vollständigen Abfall oder eine vollständige Rückkehr mittels rascher Abstrahlung in ein niedrigeres Niveau verhindern. Metastabile Niveaus sind nur für Atome aufgeführt, die normalerweise ein 1 atomiges Gas bilden, obgleich möglicherweise auch andere verwendbar sind. Die alkalischen Erden Zn und Cd können nicht auf einfache Weise verdampft werden.

Die nachstehend aufgeführten Prozesse sind nicht im einzelnen analysiert, aber sie sind mit großer Wahrscheinlichkeit in besonderen Fällen und Anwendungsmöglichkeiten von Nutzen, wo besondere Frequenzen oder andere Eigenschaften gewünscht werden.

Tabelle 2

50

Element	Metastabile Niveaus	Energie über Grund niveau	Ioni- sations- polenlial
		in eV	in V
Sn		2	7,3
Pb		4	7,4
Be, Mg, Ca,	«³ P₂, "³P₀
Sr, (Ba)
Zn	n³P₂, n³ P₀	4	9,39
Cd	«³ P₂, "³P₀	3,73	9,00
Hg j	6³P₂ 6³P₀	5,4 4,642	I 10,434
* I	2'S₁ 2³S₁	20,55 19,77	\ 24,581
Ne	"³P₂"	16,33	21,559
A	"2	11,49	15,75
Kr	"³ P₂"	9,8	13,996
Xe	"³P₂"	8,30	12,127
Rn	"³P₂"		10,746
Tl	6²P_3/2	0,97	6,1

<10⁴

Der Fall des optischen Senders mit reinem Helium veranschaulicht, daß das untere Niveau durch unf'5 elastische Kollisionen mit Atomen freigemacht werden kann. Bei einem Druck p_lk χ 10 Torr ist die Rate /J₁^¹IO⁷SeC"¹. Trotzdem kann die Lebensdauer metastabiler oder »eingefangener« Niveaus in einem

909 530'300

Plasma 10 ⁴ sec überschreiten. Diese Selektivität von Atom-Atom-Kollisionen bei der Erzielung von Verschiebungen oder Übergängen hängt stark von dem Wechsel in der Bindungsenergie 1E ξξ [E_a — EJ ab, die durch eine Änderung in der kinetischen Energie ausgeglichen werden muß. Das Phänomen ist nicht vollkommen verständlich, aber es ist bekannt, daß der Querschnitt in Gleichung (8) nur dann so groß wie a_ba ~ 10~¹⁵ cm² sein kann, wenn AE<^kT_g, nämlich die mittlere kinetische Gasenergie. Eine hohe Verschiebungs- oder Ubergangsrate ist erforderlich, jedoch ohne übermäßige Rückkollisionen. Außerdem muß das Besetzungsverhältnis NJN_Vorral niedrig sein, wenn eine Inversion stattfinden soll. Somit scheinen die begrenzenden Gleichgewichtsgleichungen (2) und (3) widersprechend nach einem Energieverlust AE > kTgZU verlangen. Wahrscheinlich kann dieser Widerspruch nur durch ein vielstufiges Kollisions-Relaxations-Verfahren gelöst werden. Wie bei spontaner Relaxation oder Freimachung, führt auch die Einführung zusätzlicher Niveaus unter dem unteren Laserniveau zu einem reduzierten Anregungsaufteilverhältnis. Als Kompensation kann jedoch die Quantenausbeute leicht 50% überschreiten. Es ist ersichtlich, daß die notwendigen Bedingungen für eine hohe Ausbeute in einem optischen Sender mit reinem Helium nicht verwirklicht werden können. Der Wunsch nach einem vielstufigen Kollisionsverfahren zeigt deutlich auf einen optischen. Sender, bei dem das untere Niveau des stimulierten Übergangs nicht das Grundniveau ist.

Der relative Betrag der nutzlos verbrauchten Leistung kann gemäß der Erfindung auf verschiedene Weise verringert werden. Selektive Besetzung des oberen Niveaus (z. B. mittels Kollisionen zweiter Art mit Metastabilen) wird wirkungsvoll mit einer selektiven Freimachung des unteren Niveaus kombiniert. Der Erfolg einer derartigen selektiven Besetzung zeigt sich beispielsweise in dem Anwachsen um einen Faktor 20 für die Anregung bei Neonatomen durch den übergang bei λ = 1,15 μΐη. Bei dem optimalen Druckverhältnis ergeben sich die größten Verluste immer noch durch die direkte Anregung auf die unteren Neonniveaus. Trotzdem hat das He-Ne-System 'die für optische Sender mit gasförmigem stimulierbarem Medium berichtete höchste Ausbeute, nämlich 0,1%. Der Vorteil derartiger Formen der Beschleunigung der Besetzung des oberen Niveaus wird mit einer Kollisions-Relaxation oder -Freimachung kombiniert, und ein derartiges unelastisches Gegenlakt - Kollisionssystem mit zwei wirksamen Komponenten ergibt eine wesentlich verbesserte Ausbeute.

Natürlich ist das am meisten selektive Verfahren zur Besetzung des oberen Niveaus das historisch zuerst vorgeschlagene, nämlich: optisches Anregen. Prinzipiell kann spontane Emission vom untersten Resonanzniveau in der Lampe gerade das gewünschte stimulierbare Niveau anregen. Das Problem besteht dann darin, die Lichtquelle und den Absorber geeignet in Einklang zu bringen. Die Verwendung der Absorptionsbreitbandeigenschaften des Photodissoziationsverfahrens ist ein Schritt in dieser Richtung.

Infolge des Uberwiegens von Elektronen mit niedriger Energie bei der Entladung könnte eine Reduzierung ^f»5 der Verluste von Niveaus, die beträchtlich unterhalb des unteren Niveaus des stimulierten Übergangs liegen, das Anregungsteilverhältnis wesentlich verbessern.

Gemäß der Erfindung macht dies ein teilweise verbotener stimulierter übergang möglich. Eine spontane Emissionsrate A_ul < 10⁴SeC"¹ würde zu der minimalen Rate der praktisch induzierten Emission passen. Ein entsprechend langsames Relaxationsverfahren genügt. Dies kann mittels eines teilweise abgefangenen strahlenden Abfalls oder Rückkehr direkt zu dem »Vorrats«-Niveau (unter Vermeidung von Zwischenniveaus) oder mittels unelastischer Kollisionen mit anderen Atomen (über kleine Energielücken) erfolgen. Ein »verbotenes« System von übergängen, das »beinahe« arbeitet, ist in F i g. 3 gezeigt. In einer geeigneten Fluoreszenzlampe ist eine stetige Besetzung in Hg(³P₂) von ~ 10¹¹ Atomen cm"³ über der Besetzung in Hg(³P₁). Die Rate des spontanen magnetischen Dipolübergangs zwischen diesen Niveaus ist A_ul ~ 1 see"¹. Gemäß der Gleichung

IdI
Γάζ

(14)

würde der Verstärkungsfaktor unbrauchbar klein: α ~ 0,001 m"¹.

Dieses Beispiel veranschaulicht zwei Punkte: Das ideale stimulierbare Medium sollte die Zwischenwerteigenschaft eines teilweise verbotenen »elektrischen Dipok-Ubergangs haben, um eine annehmbare Verstärkung hervorzubringen; die stimulierbaren Niveaus sollten in der Nähe des Grundniveaus liegen, um einen guten elektronischen Boltzmann-Faktor und eine hohe Besetzung zu gewährleisten. Wenn das Grundniveau des Quecksilbers (6³P₀) wäre, dann würde das metastabile Quecksilbersystem arbeiten. . Die voranstehende Diskussion schlägt die neuen Kriterien für eine wirkungsvolle erfindungsgemäße Stimulierung in einem Gasentladungssystem vor. Die primäre Anregung der Atome erfolgt durch Kollision mit freien Elektronen, während unelastische Kollisionen zwischen Atomen sowohl die Besetzung des oberen Niveaus beschleunigen als auch das untere Niveau freimachen. Die idealen Eigenschaften, die in der Praxis nicht ganz realisierbar sind, wären für ein derartiges System folgende:

A. Der stimulierbare Übergang ist langsam (teilweise verboten). Beispielsweise ist es ein »elektrischer oder magnetischer Dipok-Strahlungsübergang, bei dem eine oder mehrere »elektrische Dipol«-Auswahlregeln verletzt werden.

B. Das obere Niveau wird nicht durch unelastische Atom - Atom - Kollisionen erschöpft (E₁₁-E₁ » IcT₀).

C. Alle wirksamen Niveaus besitzen niedrige Energie, um eine hohe Besetzung und hohe Elektronenanregungsraten zu gewährleisten. Vorzugsweise liegt das obere stimulierbare Niveau unterhalb 25000 Wellenzahlen, was unter 4000 Ä entspricht.

D. Der Querschnitt ist für einen Kollisionsübergang zwischen den stimulierbaren Niveaus und benachbarten Niveaus groß (Abstand AE ~kT_G).

E. Alle Niveaus mit hervorstechender Besetzung erleichtern das Durchschleusen der Atome durch den stimulierbaren übergang.

F. Der gesamte Energieverlust Σ. 1E in der Reihe der unelastischen Übertragungen machen N₁ < N₁₁. Eine notwendige Bedingung ist

A¹ I FJk Ta-- _e-(E„ -E₁VkT,

(15)

G. Die Gasdichte ist so niedrig, daß T_e » T₀, aber hoch genug, um Ungleichheiten zu gewährleisten, nämlich JV ~ 3 · 10⁷ Atome/cm"³.

H. Die Anregung des oberen Niveaus erfolgt indirekt mittels Kollisionen der zweiten Art mit einer besser besetzten Atomart mti einem isolierten Niveau (wodurch die nutzlose Elektronenanregung der unteren Niveaus ausgeschaltet wird).

Ideal geeignete Atome, wie sie im vorangehenden _]0 skizziert wurden, existieren natürlich nicht, aber bestimmte Elemente kommen dem gewünschten Aufbau nahe.

Die Arbeitsweise eines optischen Senders mit Kollisionsübertragung wird durch ein Mangan-Edelgas- j₅ System gemäß der Erfindung veranschaulicht. F i g. 4 zeigt die Besetzungen der ersten 43 Manganniveaus, wie sie für annehmbare Kollisionsquerschnitte und Plasmaparameter berechnet wurden. Es bestehen vier Gruppen von eng beabstandeten Niveaus plus dem einzigen nicht gezeigten Grundniveau (a⁶S_5/2). Die Besetzungen innerhalb einer Gruppe werden primär durch die unelastischen Kollisionen mit den Edelgasatomen in ihrem Grundzustand bestimmt; die Verteilung ist eine gute Annäherung an die Boltzmann-Verteilung bei der kinetischen Gastemperatur [Gleichung (2)]. Die mittlere Besetzung jeder Gruppe ist primär durch unelastische Kollisionen mit Elektronen gemäß einer Boltzmann-Verteilung bei der Elektronentemperatur bestimmt. Mehrere verschiedene Besetzungsinversionen sind möglich, und zwar mit stimulierbaren übergängen, erzielbar zwischen den folgenden Niveaupaaren: [a⁴D_7/2 ->· Z⁸P°_7/2]; [Z⁴P°_5/2

Die Verstärkung in dem Mn-(O⁴D₇₇₂-^Z⁸P"-,,-) übergang ergibt sich durch Rechnung als « ~ 0,02 m ' mit einem Besetzungsüberschuß von JV₁, = 10"⁴cm"³. Die Verstärkung ist klein, da der Koeffizient der spontanen Emission A ~ 1 see"¹ derjenige eines doppelt verbotenen zwischenkombinationselektrischen Dipolübergangs ( 1S = 2) ist.

Das Manganatom läge sehr nahe an dem idealen Atom, wenn der [α⁶ D]-Ausdruck der Grundausdruck wäre. Die kleinere Besetzung der unteren angeregten Zustände begrenzt jedoch mehr die erreichbare Ver-Stärkung als den Wirkungsgrad bzw. die Ausbeute. Eine Kollisionsrelaxation erfordert nicht, daß die mittlere Besetzung der Zwischeniveaus niedriger ist als die durch den Elektronen-Boltzmann-Faktor [Gleichung (2)] bestimmte. Deshalb kann der Austausch mit [i!⁶S_5/2]-Grundausdruck durch Elektronenkollisionen langsam und fast konservativ, d. h. fast ohne Nettoenergieverlust, sein. Relaxation durch Diffusion zu den Wänden ist noch langsamer.

Die Geschwindigkeit oder Rate, mit der Metastabile durch zugemischte Atome beschossen werden, wird mindestens um den Faktor 100 größer sein als die Diffusionsrate zu den Wänden, so daß sich praktisch kein unnützer Verlust der Metastabilen auf diese Weise ergibt. Somit wird die Ausbeute der Umwandlung relativ hoch sein. Der Entladungsstrom muß natürlich so hoch sein, daß die Gleichgewichtsbesetzung der Metastabilen aufrechterhalten wird. Die Atome werden primär zwischen den Niveaus der ersten fünf angeregten Ausdrücke (a^ft D-Vorrat), (Z⁸ P⁰), (a⁴ D), (Z⁶P⁰) und (a⁴G) zirkulieren. Die Quantenausbeute ist somit besser als 50%, während der Gewichtsanteil der Energie der durch die über oszillierende stimulierte übergänge geschleusten Elektronenanregungen schätzungsweise ungefähr 20% ist. Die stimulierte Leistungsdichte sollte in der Größenordnung von

P₁JV ^h ν JV(a⁴G_7/2) · Geschwindigkeit
^₁₀-W₇-. _loi4_cm-3._]O5_sec-i

= 1 Watt cm"³

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liegen.

Der Energiebetrag, der in dem oberen Niveau gespeichert werden kann, ist wesentlich größer als bei üblichen optischen Gassendern. Die gespeicherte Energiedichte in der Mn(a⁴D)-Gruppe von Niveaus wird sein ~3 · 10~⁵ Joule cm"³. Bei einem nicht unannehmbaren Volumen von 10^s cm⁵ sind kohärente Impulse von 1 Joule möglich.

Sowohl die Ausbeute als auch die Leistungsdichte des optischen Senders mit Mangan als stimulierbarem Medium kann um den Faktor 5 gesteigert werden, wenn Mangan in den (a⁶D)-Niveaus selektiv auf die (a⁴G)-Niveaus durch Kollision der zweiten Art mit einem geeignet zugemischten Element angeregt wird. Die zwei untersten Niveaus des Bleiatoms sind für diesen Zweck geeignet, da sie voneinander durch 7819cm"¹ getrennt sind. Unter diesen Umständen kann die Gesamtausbeute [Gleichung (7)] in die Nähe der Quantenausbeute [rechte Seite der Gleichung (6)] kommen. Die eng benachbarten Niveaus werden nahezu im Gleichgewichtszustand sein mit einem Wärmebad bei einer kinetischen Gastemperatur T₉, während die anregenden Atome und die entsprechenden Mn-Niveaus eng mit einem Wärmebad von einer Elektronentemperatur T_e gekoppelt sind. Somit ergibt sich als oberste Grenze des Wirkungsgrades bzw. der Ausbeute der Wirkungsgrad der idealen Wärmekraftmaschine

W <

Z-Z

(18)

Beachtliche Besetzungsinversionen können auch durch Entladung einer Neon-Lanthan-Gasmischung erzeugt werden. Der (Z⁴F°_3/2) —> (α² P_3/2)-Ubergang bringt insbesondere eine hohe Verstärkung, nämlich α ξ 0,1 cm"¹ (s. Fi g. 5). Die nahezu ideale spontane Emissionsrate A ^ 3 ■ Hf see"¹ ist charakteristisch für einen einfach verbotenen elektrischen Dipol. Der Anteil der direkt auf die (Z⁴D⁰)- und (Z⁴F")-Terme angeregten Atome wird sehr gering sein. Wie bei dem optischen Mangansender ist jedoch eine beachtliche selektive Anregung durch Kollisionen der zweiten Art erwünscht.

Unglücklicherweise besitzen Elemente mit geeigneten Energieniveaus und niedrigen Niveaus teilweise besetzte Elektronenhüllen und neigen dazu, sich mit gleichen oder ähnlichen Atomen fest zu binden. Höhere Temperaturen sind erforderlich, um bei einem Druck von wenigen Torr ein 1 atomiges Gas zu erhalten. Die heutigen technologischen Kenntnisse machen es jedoch möglich, Arbeitstemperaturen von 2000⁰C zu verwenden. Aber je höher die Temperatur ist, um so komplizierter muß das Gerät sein.

Eine Metall-Aluminiumoxyd-Hülle gibt es bereits, die bis zu Temperaturen von 500° C vakuumdicht ist. Eine abgedichtete Aluminiumoxydröhre mit Saphirfenstern kann beispielsweise die alkalischen Elemente, die alkalischen Erden Al, Ga, In dann Sn, Pb, Bi, J

und Mn bei ρ = 10 Torr und einige wenige andere Metalle bei niedrigeren Drücken enthalten.

Noch höhere Temperaturen und noch trägere Behälter sind erforderlich für eine Verdampfung der meisten Ubergangsmetalle und der Seltenen Erden. Sc, Y und La können in Röhren aus hitzebeständigem Metall, nämlich Tantal, behandelt werden. Jedoch ist kein Stoff, außer Gasen, oberhalb 1500 C für infrarotes sichtbares und ultraviolettes Licht durchsichtig.

Deshalb sind die Fenster bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes kalt. Die Arbeitssubstanzen sowie die ausgetriebenen oder gefällten Unreinigkeiten diffundieren aus dem heißen

Es können weiter Vorrichtungen angebracht werden, die die in dem optischen Sender erzeugte Wärme konservieren, d. h. gegenüber der Außenwelt isolieren, und ihn ohne vermeidbaren Energieverlust auf einer geeigneten Temperatur halten. Beispielsweise kann eine Vakuumhülle, bestehend aus einem Mantel 128, vorgesehen sein, der das Aluminiumoxydrohr 102 umgibt. Der Mantel 128 ist mit Ausbuchtungen 130 und mit einer reflektierenden Oberfläche 132 zur ίο Isolierung gegenüber strahlender Wärmeenergie versehen.

Es ist ersichtlich, daß die Art, in welcher die Wärme in dem Mittelteil des durch das Aluminiumoxydrohr 102 dargestellten Hüllgefäßes aufrechterhalten werden

Zentralbereich. durch ein Pufferedelgas allmählich 15 kann, unter Anwendung bekannter Wärmetechniken aus. Eine lange Lebensdauer kann für einen derartigen der Änderung und Variation unterliegt, optischen Sender einfach durch Erhöhen der Belastung Der optische Sender 101 kann mit einem ge-

oder durch Rezirkulation von Kondensat durch eigneten Spiegelsystem versehen sein, das beispiels-Kapillarwirkung erreicht werden. weise aus einem konkaven Spiegel 134 und einem

Es wird nun auf F i g. 6 Bezug genommen, die 20 teildurchlässigen ebenen Spiegel 136 besteht. Es ist einen, optischen Sender zeigt, wie er insbesondere für bekannt, daß ein derartiger von Spiegeln begrenzter Mangan als stimulierbares Medium geeignet ist. Das optischer Resonator die erforderliche Rückkopplungs-Außenrohr 101 enthält ein konzentrisches Rohr 102 energie dem stimulierbaren Medium zuführt, um ein aus einem Material, beispielsweise Aluminiumoxyd, solches Gerät als Oszillator zur Erzeugung einer das gegen hohe Temperaturen und Korrosion be- 25 kohärenten Strahlung zu betreiben. Andere Formen ständig ist. Das Aluminiumoxydrohr 102, das natür- von Spiegelsystemen können in dem optischen Sender lieh undurchsichtig ist, besitzt Fenster 104 und 106,
vorzugsweise aus Saphir.

Die Fenster 104 und 106 sind im Brewster-Winkel geneigt, um die Verluste an den Fernstern so gering wie möglich zu halten.

Die Fenster können vorzugsweise an einer Glasoder Quarzröhre, beispielsweise 108 und 110, abgedichtet befestigt sein, wobei die Rohre 108 und 110

wiederum über geeignete gasdichte Abschlüsse 112 35 dafür geeignet ist, die Verwendung von stimulierbaren und 114 mit dem Aluminiumoxydrohr 102 verbunden Medien zu gestatten, die eine sehr hohe Temperatur sind. zu ihrer Verdampfung erfordern. Insbesondere die

Metallelektronen 116 und 118 sind in der Nähe Einschließung eines Puffergases und die entfernte der Enden des Aluminiumoxydrohrs 102 vorgesehen. Anordnung der Fenster 104 und 106 vermeidet Schä-Die Elektroden 116 und 118 sind mit elektrischen 40 den an diesen Fenstern infolge hoher Temperatur oder Leitern 120 und 122 verbunden, die durch die Wände Beeinflussung durch Mangandampf.

Der Mangandampf wird natürlicherweise in dem kühleren Teil des Gefäßes kondensieren, jedoch der größte Teil davon, bevor er die Fenster 104 und 106 45 erreicht. Somit kann das Mangan entweder von dem Reservoir ergänzt werden oder, falls dies erwünscht, können Einrichtungen getroffen werden für die Rezirkulation des Mangans über zahlreiche Kapillarröhren, die von dem Kondensationsbereich in dem Manganreservoir 126 verdampften Mangandampf 124 50 hinteren Teil des Gefäßes zu dem Teil mit hoher dient. Temperatur in der Nähe des Manganreservoirs

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- führen.

dung ist zu dem Mangan eine gewisse Menge Blei Das Gerät nach F i g. 6 stellt eine brauchbare und

gemischt, so daß im Betrieb der Dampf sowohl zufriedenstellende Einrichtung für einen optischen Mangan als auch Blei enthält, wodurch die Ausbeute 55 Hochtemperatursender bis zu einer Temperatur von des Systems infolge der Anregung der Manganatome annähernd 1500 C dar.

durch Kollision der zweiten Art mit den Bleiatomen. Eine geeignete Einrichtung für noch höhere Tempe-

wie vorher beschrieben, gefördert wird. raturen, die im Falle von stimulierbaren Medien, wie

Es sei angenommen, daß die elektrische Entladung Lanthan oder Yttrium, genötigt werden, ist in den zwischen den Elektroden 116 und 118. die Vorzugs- 00 Fig. 7 und 8 gezeigt.

weise eine radiofrequente Entladung sein soll, ge- Die Arbeitstemperatur des Mittelteiles des Gerätes

nügend Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung einer ist annähernd 1800 C. Der optische Sender 201 entgeeigneten Temperatur im inneren Gefäß des stimu- hält ein Gefäß, dessen Mittelteil aus einem hitzelierbaren Mediums aufbringt, so daß der gewünschte beständigen Metallrohr 202, beispielsweise aus Tan-Dampfdruck des Mangans erzeugt wird. Es kann f>? tal, gebildet wird.

selbstverständlich eine Hilfswärmequelle vorgesehen Das Tantalrohr 202 bildet die Anode für eine

sein, die das Gefäß auf seine geeignete Temperatur Kreuzentladung, wobei die Kathode dafür aus einem bringt bzw. auf dieser hält. Wolframband 204 besieht.

verwendet werden. Die Spiegelanordnung des dargestellten Ausführungsbeispiels bildet in sich selbst keinen Teil der Erfindung.

Die Arbeitsweise des in F i g. 6 dargestellten optischen Mangansenders wurde zuvor vom quantenmechanischen Standpunkt aus erläutert, so daß diese Erklärungen nicht wiederholt werden. Es ist jedoch zu beachten, daß das Gerät nach F i g. 6 speziell

des Rohrs 108 und 110 geführt sind. Somit ergibt sich ein Gefäß, das hermetisch abgedichtet ist und in seiner Mitte durch das hitzbeständige Aluminiumoxydrohr 102 gebildet wird.

Das innere Gefäß ist mit einem Edelgas gefüllt, das als Puffer zwischen dem heißen innersten Teil des Rohres und den kälteren Fenstern 104 und 106 wirkt und im Betrieb als Puffer für aus einem geeigneten

Wie sich aus F i g. 8 ergibt, besitzt das Band 204 einen schmalen zentralen Teil und einen breiteren Endteil, so daß eine Erwärmung des Bandes infolge des elektrischen Stromes größtenteils auf den Teil des Bandes beschränkt ist, der innerhalb des Tantalrohres 202 liegt. Das Kathodenband 204 ist vorzugsweise derart abgestützt, daß der kohärente Lichtweg möglichst wenig gestört wird. Eine beispielsweise Ausführungsform ergibt sich aus F i g. 8, wo jedes Ende des Kathodenbandes 204 mit einem Paar leitender Drähte 206 verbunden ist, die wiederum über Führungsstützen 208 geleitet sind und an ihren anderen Enden Gewichte 210 besitzen. Die Führungsstülzen 208 sind leitend mit Kupferkathoden 212 verbunden, so daß eine elektrische Verbindung sehr leicht von einem äußeren Teil der Kupferkathoden 212 zu dem Kathodenband 204 hergestellt werden kann.

Eine elektrische Verbindung besteht auch für Kupferanodenhalterungen 214 zu der Tantalanode 202. Wassergekühlte Anodenleiter in Form leitender Rohren 216 sind infolge der an der Anode und den Anodenhalterungen vorherrschenden hohen Temperatur vorgesehen.

Geeignete Mittel dienen zum Aufheizen des Zentralteiles des Gefäßes auf die erforderliche hohe Temperatur; diese Mittel sind beispielsweise eine Heizwicklung 218. Alternativ kann auch das Tantalrohr selbst einen Widerstand für die elektrische Aufheizung des Gefäßes enthalten. Das stimulierbare Medium, beispielsweise Lanthan (oder alternativ Yttrium), wird in den Zentralteil des Gefäßes mit hoher Temperatur bei 220 eingesetzt, wie es bei dem zuvor beschriebenen optischen Mangansender der Fall war. Das Gefäß enthält vorzugsweise ein Edelgas als Puffer und, falls erwünscht, ein Sekundärmedium für die selektive Anregung der Lanthanatome durch Kollisionen der zweiten Art.

Ein Isolierteil für den Laser 201 besteht aus Isoliermaterial, beispielsweise hitzebeständigem Thorerdesand 222, eingeschlossen durch eine Fe-Ni-Co-Legierung »Kovar«, Glas und einen Balgzylinder aus einer Ni-Cu-Legierung »Monel«. Der Balg gleicht Differenzen in der Expansion der Materialien in üblicher Weise aus, während die Glasteile 224 und 226 als entsprechender Austritt für die elektrischen Heizleiter und durch ein Pumpsystem evakuierter Gase dienen, mittels dessen ein Vakuum aufrechterhallen und die Isoliereigenschaften des aus Thorerdesand bestehenden Körpers gefördert werden.

Die elektrische Isolation zwischen der Anode und den Kathodenringen der Einrichtung erfolgt durch »Kovar«-Glas-Zylinderabschnitte 228 und 230. Ein Entladungsauslaß für die Evakuierung und die Kontrolle des Druckes im Gefäß kann bei 232 vorgesehen sein.

Kupfer-zu-»Kovar«-zu-Glas-Ubergänge 234 befinden sich an den Enden der Einrichtung, so daß Fenster 236 aus Quarz oder ähnlichem Material eingesetzt werden können. Die Fenster des Gerätes gemäß F i g. 7 können alternativ im Brewster-Winkel angeordnet und/oder aus Saphir sein, wie es in F i g. 6 veranschaulicht ist.

Spiegel der in F i g. 6 gezeigten Art können ebenfalls für den Sender nach F i g. 7 vorgesehen sein, falls es erwünscht ist, mit der Einrichtung an Stelle einer einfachen Verstärkung regenerative Schwingungen zu erzeugen.

Die quantenmechanischen Gesichtspunkte des optischen Lanthansenders gemäß F i g. 7 sind bereits beschrieben worden und sollen nicht wiederholt werden. Die anderen Vorteile des Gerätes nach F i g. 7 schließen die meisten derjenigen Vorteile der Einrichtung gemäß F i g. 6 ein, wobei noch hinzukommt, daß die Einrichtung nach F i g. 7 bei noch höherer Temperatur betrieben werden kann. Die Kreuzentladung ermöglicht die Verwendung eines Metallrohres, das natürlich höhere Temperaturtoleranzen besitzt: Es sollte ferner beachtet werden, daß der Lanthandampf das Wolframkathodenband beschichtet, wodurch die Elektronenemission daraus gefördert wird, was zu einem besseren Wirkungsgrad der Arbeitsweise der Vorrichtung beiträgt.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker Tür phasenkohärente Strahlung mit einem stimulierbaren Medium im gasförmigen Aggregatzustand, das zwei Energiestufen aufweist, die energetisch um einen Betrag differieren, der einer Frequenz einer, sichtbaren oder infraroten elektromagnetischen Strahlung entspricht, und mit Mitteln zur Anregung des stimulierbaren Mediums, um eine Besetzungsinversion zwischen den beiden Energiestufen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß als stimulierbares Medium Dämpfe hoher Temperatur verwendet werden und die Entleerung der unteren Energiestufe durch Stoß erfolgt.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur über 500⁰C gearbeitet wird.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das begrenzte Volumen des optischen Senders oder Verstärkers durch im Strahlungsweg liegende Fenster abgeschlossen wird, daß nur ein Teil des begrenzten Volumens mittels Heizvorrichtungen auf die erforderliche hohe Temperatur gebracht wird und die Fenster entfernt von diesem Teil angeordnet sind und auf einer Temperatur gehalten werden, die unterhalb der Verdampfungstemperatur des stimulierbaren Mediums liegt.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das begrenzte Volumen teilweise durch ein eine Elektrode darstellendes Metallgefäß umschlossen wird, während die zweite Elektrode innerhalb des begrenzten Volumens angeordnet ist, und zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Entladung erfolgt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stoßentleerung der unteren Energiestufe eine weitere Substanz in dem begrenzten Volumen vorhanden ist.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium ein chemisches Element in Form eines 1 atomischen Gases ist bzw. beinhaltet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 909 530 300