DE2446219C2 - Vorrichtung zur Erzeugung einer stimulierten Zweiphotonenemission - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer stimulierten Zweiphotonenemission gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs J.

In der US-Patentschrift 34 83 486 wird ein Vielfachphotonenlaser beschrieben, bei dem innerhalb eines Resonators eine oder mehrere stimulierbare Substanzen angeordnet sind, die zwei Gruppen von Ionen enthalten. Die den Resonator begrenzenden Spiegel sind für die stimulierte Emission der ersten lonengruppe hochreflektierend, während sie für die stimulierte Emission der zweiten Ionengruppe weitgehend durchlässig sind. Aufgrund dieser selektiven Reflektivität der Resonatorspiegel setzt bei geeigneter Anregung eine stimulierte Emission mit einer ersten Wellenlänge ein, durch die im gleichen Resonator befindliche zweite Gruppe von Ionen so lange angeregt wird, bis sie trotz der schlechten Reflektivität der Resonatorspiegel für die ihnen zugeordnete Wellenlänge eine extrem intensive stimulierte Emission erzeugen. Mit der im obengenannten Patent beschriebenen Vorrichtung wird eine Laseremission erzeugt, bei der ein erregtes Ion, wenn es im Resonator von einem erregten zu einem unerregten Zustand übergeht, zwei Photonen erzeugt. Bei normalen Übergängen ist E_n,- E₁=*hv, wobei E_n, die Energie des erregten Teilchens im erregten Zustand m, E, die Energie des Teilchens im unerregten Zustand, /; die Planck'sche Konstante und ν die Frequenz der während dieser Übergänge emittierten Photonen ist. In der im obengenannten Patent beschriebenen Vorrichtung befinden sich zwei Arten von Ionen A, B im Resonator eines Lasers und werden zur Inversion ihrer Besetzungen angeregt. Die invertierten Populationen der ß-lonen werden durch eine geringe Güte Q des Resonators oder durch die Wahl besonders langer Lebensdauer am Senden gehindert. Der Resonator weist eine hohe Güte Q für die invertierten Populationen der /4-Ionen auf. Wird der Resonator mit einem

intensiven Initiallichtimpuls der Frequenz Va= y gepumpt, so setzt Senden mit einer Frequenz v.\ ein und wird mit großer Intensität unter Aussendung von zwei Photonen für jeden ß-Ionenübergang aufrechterhalten, bis die Population der ß-Ionen bis auf die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes absinkt.

Bedingt durch den Aufbau der angegebenen Vorrichtung sowie durch die Art der verwendeten physikalischen Phänomene sind den erreichbaren Impulsleistungen sowie der Steuerbarkeit des Impulseinsatzes und der Impulsdauer Grenzen gesetzt, die die Anwendbarkeit derartiger Vorrichtungen einschränken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung hochintensiver Strahlungsimpulse anzugeben, bei der bei gutem Wirkungsgrad der Zeitpunkt des Impulseinsatzes sowie die Impulsdauer besser beeinflußbar ist als bei den bisher bekannten Vorrichtungen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst

Nach der erfindungsgemäßen Lehre werden mit Hilfe eines optisch gepumpten Materials intensive Strahlungen mit zwei Frequenzen erzeugt, deren Summe gleich der Zweiphotonenfrequenz des verwendeten Materials ist. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind flüchtige Monojodide, beispielsweise CF3I und C2F7I besonders vorteilhaft

Die Erzeugung der Eingangsstrahlen kann folgendermaßen geschehen: Die Strahlung eines starken Lasers mit der Frequenz Vl wird in einem Quarzbehälter eingegeben, der einen auf etwa 1200⁰C erhitzten Jod(l2)-Dampf enthält. Gleichzeitig wird .'.er Joddampf durch Lichtblitze photolysiert, um im Grundzustand befindliche Jodatome zu erzeugen. Es ist selbstverständlich, daß im Grundzustand befindliches Jod auch ohne Lichtblitz-Photolyse durch Erwärmung allein hergestellt werden kann, wenn Temperaturen von 3000⁰C und mehr erreicht werden können, ohne den Behälter zu beschädigen. Die Frequenz vl erzeugt in der Jodatome enthaltenden Zelle eine intensive stimulierte Ramanstrahlung mit einer Frequenz fs- Durch anschließende parametrische Frequenzkonversion ergibt sich eine andere Frequenz Vr, wobei vr=vl — 2vs- Diese beiden Frequenzen Vs und vr werden in eine Zelle mit flüchtigem Monojodid eingeleitet, das photolysiert wird. Das photolysierte Monojodid erzeugt gegenüber den eintretenden Impulsen mit den Frequenzen vr und vs verstärkte Impulse. Diese beiden Frequenzen werden in einem Material erzeugt, in dem die Summe dieser Frequenzen einer Zweiphotonenfrequenz gleich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.2 ein Energieniveaudiagramm von mit Hilfe eines durch einen Rubinlaser erzeugten Strahl gepumpten Jodatomen,

Fig.3 ein Energieniveaudiagramm von mit Hilfe eines Neodym-Laser erzeugten Strahles gepumpten Jodatomen.

Mit Hilfe eines Doppelquantenlasers wird in einem Material eine intensive Strahlung mit zwei Frequenzen erzeugt, deren Summe einer Zweiphotonenfrequenz des Materials gleicht. Als stimulierbares Material werden vorteilhafterweise erregte Jodatome verwendet, die durch Photodissoziation von CF3I oder C₂FsI oder dergleichen erzeugt werden. Diese Substanzen bieten die Möglichkeit, außerordentlich hohe Energien zu speichern und günstige Doppelquantenauswahlregeln auszunützen. Anstelle der gemäß der obengenannten Patentschrift verwendeten zwei verschiedenen Arten von Ionen wird gemäß der vorliegenden Erfindung stimulierte Ramanemission und eine parametrische Vierwellenumwandlung in einem atomaren Jodgas verwendet, um einen Doppelquantenlasereffekt zu erzielen. Eine Erläuterung dieses Vorganges erfolgt im folgenden anhand der Fig. 1,2 und 3.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung kann der Laser 2 beispielsweise als Rabin- oder Neodymglaslaser ausgebildet sein, der Picosekundanimpulse von einem Joule oder mehr erzeugt Der Laser 2 emittiert einen Strahl 4 mit einer charakteristischen Frequenz vl, der einer Quarzzelle 6 mit Joddampf zugeführt wird, der ι durch nicht dargestellte Mittel auf einer Temperatur von etwa 1200° C gehalten wird. Die Quarzzelle 6 ist von einem Filter 10 und einer konzentrisch zu ihr angeordneten Xenonlampe 12 umgeben. Das Filter 10 läßt nur diejenigen Anteile der Strahlung der Xenon-

Ki lampe 12 durch, deren Wellenlängen größer als 5000 Ä sind. Der Druck des b-Dampfes beträgt etwa '/2 Atmosphäre. Die Ausgangsleistung der Blitzlampe 12 liegt in der Größenordnung von 1 Kilojoule pro Mikrosekunde oder mehr. Die Blitzlampe 12 hat die Aufgabe, jeweils ein Molekül des I₂ in zwei irn Grundzustand befindliche Jodatome umzuwandeln oder zu dissozieren. Der Lichtblitz der Xenonblitzlampe 12 dauert etwa 50 Mikrosekunden, während die Jodmoleküle im dissozierten Zustand mindestens eine Milüsekünde verbleiben. Demzufolge kann der Rubinlaser 2 jederzeit innerhalb eines Zeitraumes von 1 Millisekunde nach dem Ende des durch die Lampe 12 erzeugten Lichtblitzes eingeschaltet werden.

Der Rubinlaser 2 erzeugt eine Strahlung mit einer Wellenzahl von 14 400 cm-' und einer Intensität, die genügt, auf die im Grundzustand befindlichen Jodatome so einzuwirken, daß ein stimulierter Ramaneffekt. und eine Strahlung mit einer Stokes-Frequenz vs entsieht. Bei Jod hat der erregte obere Zustand eine Wellen-

ü) zahl = 7598 cm"¹ Für die aus einem Rubinlaser und den Jodatomen bestehende Kombination ist die Frequenz vs der stimulierten Ramanemission gleich der Emission des Rubinlasers vl minus der Frequenz des oberen Erregerzustandes des Jodes, in Wellenzahlen ausge-

r> drückt 14 400cm-' - 7598 cm -'. Die Differenz beträgt 6802cm-' und entspricht der Stokes-Frequenz vs- Bei Verwendung eines Rubinlasers liegt ein hoher Konversionsfaktor (etwa 20%) vor, wobei die Rubinphotonen von !4 400cm-' in Stokes-Photonen mit einer Weller,-zahl von 6802 cm -' umgewandelt werden.

Als Ergebnis der obenbeschriebenen Dissoziation eines Jodmoleküls in zwei im Grundzustand befindliche Jodatome und du ruh anschließendes Pumpen dieser Jodatome durch den intensiven Strahl 4 des Rubinlasers

■1) treten aus der Quarzzelle 6 zwei Strahlen 14 und 16 aus, wobei der Strahl 14 dem ursprünglichen Laserstrahl mit einer Wellenzahl von 14 400 cm - ', jedoch mit einer um 20% verringerten Energie entspricht, während der Strahl 16 der Strahlung mit der Stokes-Wellenzahl von

■ifi 6802cm-' entspricht. Die beiden Strahlen treffen auf eine zweite Quarzzelle 18 auf, die für diese beiden Frequenzen durchsichtig ist. Auch in diesem Fall werden Jodmoleküle in Jodatome dissoziert. wobei ein Jodmole kül in zwei Jodatome dissoziert. In der Zelle 18 werden

vi jedoch die Jodmoleküle unter einem Druck von 10 Torr gehalten, das ist ein Druck, der weit unter dem Druck liegt, unter dem die Jodmoleküle in der Zelle 8 gehalten werden. Darüberhinaus werden die Jodgasmoleküle nur auf etwa 100°C erwärmt. Eine aus einer Xenonlampe 20

bti und einem Filter 22 bestehende Vorrichtung dient zur Dissozierung jedes Jodmolekülc in der Zelle 18 in zwei Jodatome. Es ist auch möglich, anstelle der beiden Lampen 12 und 20 und der Filter 10 und 22 eine einzige Lampe und ein einziges Filter zu verwenden. Wenn die

b-5 bellen Strahlen 14 und 16 mit den Frequenzen vi. und vs in die Quarzzelle 18 eingetreten sind, in der sich dissoziierte Jodatome befinden, werden diese Frequenzen für eine parametrische Vierwellenkonversion

verwendet, wie sie beispielsweise in den Literaturstellen »Efficient Parametric Conversion in Cesium Vapor Irradiated by 3470-λ Mode-Locked Pulses« - P. P. Sorokin et al., in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE 9, No. 2, Feb. 1973, pp. 227-230, und in »Appl. Phys. Lett.« 22, No 7 (1. April 1973), S. 342-344 von P. P. Sorokin beschrieben wird, wobei ein Photon bei einer Frequenz von Vl (siehe F i g. 2) zerstört wird, so daß zwei Photonen mit einer Frequenz von vs und ein Photon bei einer Frequenz von v« erzeugt werden, wobei vr = Vz.- 2 Vs ist. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist die Summe der Energien des Photons mit der Frequenz vs und des Photons mit der Frequenz vr gleich der Energie des erregten Energiezustandes [¹Pm?) des Jodatoms. Somit erzeugt die Strahlung mit den beiden Frequenzen vs und vi. durch einen Vorgang parametrischer Vierwellenkonversion mit hohem Wirkungsgrad eine weitere Frequenz ν« = v/.-2 V₅. Ein Fenster 24 der Zelle 18 läßt Strahlungen mit den drei Frequenzen vi, vsund Vr durch. Neben dem Ausgangsfenster 24 ist ein Filter 26 vorgesehen, das die vom Rubinlaser ursprünglich ausgehende Frequenz v/. wesentlich dämpft oder ganz unterdrückt, so daß nur die Frequenzen Vs und Vr zu einer dritten Quarzzelle 28 gelangen. Das Filter 26 kann beispielsweise aus Silicium oder aus gasförmigem Jod bestehen. In der Zelle 28 befindet sich ein flüchtiges Monojodid, beispielsweise CF3I. Wenn dieses Jodid ohne ein Filter zwischen der Zelle 28 und der Lampe 30 mit Hilfe dieser Xenonblitzlampe gepumpt wird, absorbiert es die 2600 Ä Strahlung der Pumplichtquelle. Das bei Raumtemperatur und einem Druck von 50 bis 200 Torr gehaltene CF3I dissoziert in CF₃ und I (der angeregte Zustand ²P\u des Jodatoms). Bei der Dissoziation von CF3I in CF3 + I liegi ein Einheitsquantenwirkungsgrad vor, das angeregte Jodatom ist metastabil, seine Strahlungsübergangswahrscheinlichkeit ist gleich 8/sec, und Zusammenstöße zwischen den restlichen Jodidgasatomen und Molekülen unterdrükken nicht das Senden. Die beiden Frequenzen Vs und Vr stimulieren einen Doppelquantenübergang vs+vr. Demzufolge tritt ein Ausgangsimpuls 32 mit einer Frequenz Vs auf, der eine Verstärkung des Eingangsimpulses gleicher Frequenz darstellt. Weiterhin tritt ein zweiter Ausgangsimpuls 34 mit einer Frequenz vr auf, der eine Verstärkung des Eingangsimpulses mit der gleichen Frequenz darstellt.

Das in Fig. 3 dargestellte Energiediagramm veranschaulicht die Verhältnisse bei dem Doppelquantenlaservorgang, wenn der Pumplaser 2 als Impulsneodymglaslaser ausgebildet ist, der bei einer Frequenz vi (entsprechend einer Wellenzahl von 9400 cm-¹) sendet. Die erzeugte Stokesfrequenz vs entspricht einer Wellenzahl von 1802cm-', die gleich der Pumpfrequenz Vl (Wellenzahl 9400 cm-') minus des angeregten Jodzustandes (²Pm₂) mit der Wellenzahl 7598 cm-' ist. Die doppelquantenverstärkten Impulse Vs und vr der Kombination Jod-Neodymlaser haben die Frequenzen vs (Wellenzahl 1802 cm-') und v_R (Wellenzahl 5796 cm-').

In F i g. 1 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, dessen Lehre im wesentlichen darin liegt, zwei intensive Frequenzen vi und V2 so zu erzeugen, daß hv\+in>2 die Energie des Materials gemessen von seinem Grundzustand bis zu seinem angeregten Zustand ist. Es ist aber auch möglich, zwei voneinander unabhängige Vorrichtungen zur stimulierten Ramanstreuung zur Erzeugung dieser Frequenzen zu verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer stimulierten Zweiphotonenemission, dadurch gekennzeichnet, daß als laseraktives Medium atomares Jod in einem Zustand mit Inversion verwendet wird, dem synchrone Eingangsimpulse kohärenten Lichts mit den Frequenzen Vi und V2 zugeführt werden, deren Quantenenergien so gewählt sind, daß die to Summe hv\ + /n>2 gleich der Energie des durch Inversion besetzten Jodzustands ist

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das invertierte atomare Jod im metastabilen Zustand ²Pi/2 ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das invertierte atomare Jod durch Photodissoziation eines flüchtigen Monojodids, z. B. CF₃I, erzeugt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Monojodid in einer durchsichtigen Zelle (28) bei Raumtemperatur und einem Druck im Bereich von 50 bis 200 Torr untergebracht ist und daß die Zelle von einer Blitzlampe (30) umgeben ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Zweiphotonenemission erforderlichen beiden Eingangsfrequenzen Vi, i>2 von zwei unabhängigen Strahlungsquellen geliefert werden, die stimulierte Ramanstreuung abgeben.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Zweiphotonenemission erforderlichen beiden Eingangsfrequenzen Vi, vi durch stimulierte Ramanstreuung und nachgeschaltete parametrische Frequenzkonversion als j> Frequenzen Vs und vr erzeugt werden, wobei als nichtlineares optisches Medium atomares Jod im Grundzustand verwendet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der stimulierten -io Ramanstreuung mit der Stokes-Frequenz Vs molekulares Jod in einem durchsichtigen Behälter (6) bei einer Temperatur von ungefähr 1200°C und unter leicht reduziertem Druck von ungefähr einer halben Atmosphäre untergebracht ist und durch Photodis- 4·> soziation in atomares Jod übergeführt wird, das sich im Grundzustand befindet, und daß als Eingangsstrahl der Strahl (4) eines Lasers (2) mit der Frequenz Vi verwendet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- >o zeichnet, daß zur Erzeugung der parametrischen Frequenzkonversion als Vierwellenkonversion molekulares Jod in einem durchsichtigen Behälter (18) untergebracht und durch Photodissoziation in atomares Jod überführt wird, das sich im Grundzu- 5> stand befindet und daß als Eingangsstrahlen die Strahlung (4) des Lasers (2) mit der Fixquenz vz. sowie die Strahlung mit Stokes-Frequenz vs verwendet werden, so daß sich eine Strahlung mit Frequenz ν«=· vz —2vsergibt. feo

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden molekulares Jod enthallenden Behälter (6 bzw. 18) von Blitzlampen (12 bzw. 20) und optischen Tiefpaßfiltern (10 bzw. 22) umgeben sind, h'i

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Jod enthaltenden Behälter (6, 18, 28) und der Laser (2) längs einer optischen Achse ausgerichtet sind und daß zwischen dem durchsichtigen Behälter (18) zur Erzeugung parametrischer Vierwellenkonversion und dem Behälter (28) zur Zweiphotonenemission ein optisches Filter (26) angebracht ist, das nur die Stokes-Frequenz vs und die parametrisch erzeugte Frequenz Vr in den Behälter (28) zur Zweiphotonenemission eintreten läßt

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (2) ein Rubinlaser ist

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (2) ein Neodymglaslaser ist.