DE1169586B - Optischer Sender oder Verstaerker mit einem Gemisch gasfoermiger Medien - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 05 b

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche KL: 2If-90

W 34696 VIII c / 21 f

12. Juni 1963

6. Mai 1964

Die Erfindung betrifft einen mit selektiver Fluoreszenz arbeitenden optischen Sender oder Verstärker mit einem Gemisch gasförmiger Medien, bei denen der metastabile Energiezustand oberhalb des Grundzustandes des selektiv fluoreszenten Gases durch Stöße mit einem zweiten Gas angeregt wird. Die neuere Entwicklung kohärenter optischer Lichtsender oder -verstärker hat eine Anzahl neuer Verwendungen und Anwendungen elektromagnetischer Wellenenergie im optischen Bereich des Spektrums möglich gemacht. Mit Hilfe solcher Geräte erzeugte Lichtwellen können sehr scharf gebündelt werden, so daß Energiedichten erzeugt werden, die zum Schweißen, Schneiden, Bohren und für ähnliche Zwecke geeignet sind. Weiterhin macht der erzielbare hohe Grad an Monochromasie einen optischen Sender oder Verstärker zu einem brauchbaren Werkzeug für spektroskopische Forschungen und zur Anregung verschiedener chemischer und physikalischer Reaktionen. Mit den größten Erfolg versprechen die An-Wendungen für kohärentes Licht auf dem Gebiet der Nachrichtenübertragung, wobei das optische Spektrum scheinbar uneingeschränkte Bandbreite und Informationskapazität bereitstellt. Zusätzlich werden durch die Richtmöglichkeit der Strahlen optischer Sender oder Verstärker viele Schwierigkeiten hinsichtlich der Interferenz und Sicherheit von Nachrichtenübertragungskanälen wesentlich herabgesetzt.

Für Nachrichtenübertragungen und andere Anwendüngen ist es vorteilhaft, optische Sender oder Verstärker zur Verfügung zu haben, die bei einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen im Bereich des Lichtspektrums betrieben werden können, wobei das Lichtspektrum infrarote, sichtbare und ultraviolette Energie einschließen soll. Da die bei einem bestimmten Energieübergang in einem selektiv fluoreszenten Medium emittierte Wellenlänge nur in einem kleinen Bereich des Spektrums durchstimmbar ist, ist es von Bedeutung, eine Anzahl von Materialien bereitzustellen, die zur Verwendung als selektiv fluoreszente Medien bei verschiedenen Lichtfrequenzen geeignet sind. In jüngster Zeit hat sich die Forschung im großen Umfang mit der Entdeckung solcher Stoffe befaßt, und es wurde eine Anzahl von ihnen insbesondere im festen Zustand gefunden. Weiterhin ist es insbesondere für Nachrichtenübertragungsanwendungen wichtig, daß selektiv fluoreszente Medien bereitgestellt werden, die für einen stetigen Betrieb geeignet sind. Allgemein sind solche Medien durch drei oder mehr Energiestufen gekennzeichnet, von denen wenigstens zwei optisch zueinander in Be-Optischer Sender oder Verstärker mit einem
Gemisch gasförmiger Medien

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

William Ralph Bennett jun., New Haven, Conn., Ali Javan, Boston, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 15 Juni 1962 (202 872) - -

Ziehung stehen. Eine weitere Anforderung bei Nachrichtenübertragungen ist geringer Rauschpegel, der auf Grund des komplizierten Aufbaus und der komplizierten Emissionseigenschaften von Festkörpern bei optischen Sendern oder Verstärkern mit gasförmigen Medien leichter erreichbar zu sein scheint. Damit ein Material als Medium »negativer« Temperatur, d. h. mit einer inversen Besetzungsverteilung, bei der mindestens eine höhere Energiestufe stärker besetzt sein muß als eine darunterliegende, in einem optischen Sender oder Verstärker brauchbar ist, ist es wesentlich, daß sich irgendeine Möglichkeit bietet, diese Besetzungsumkehr der oberen Stufe eines optisch miteinander verbundenen Stufenpaares für den Signalübergang anzuregen. Mindestens muß die Besetzung der oberen Stufe des betrachteten Energiestufenpaares der Besetzung der unteren Stufe gleich sein. Eine kohärente Emission wird dann durch Anregung der Rückkehr der Besetzung in eine im Gleichgewicht stehende Verteilung erreicht. Vielfach wird der Zustand invertierter Besetzung durch optisches Anregen mit Licht höherer Frequenz als der des Signalüberganges erzeugt. Auch die Anregung mittels Hochfrequenz ist bekannt. Unglücklicherweise sind viele Anregungsarten hinsichtlich ihres Wirkungsgrades dadurch verhältnismäßig beschränkt, daß die ausnutzbare Anregungsenergie durch die Enge des wirksamen Absorptionsbereichs bestimmt wird. Die üblichen Lichtquellen liefern nämlich eine

409 588/192

Anregungsenergie, die sich im allgemeinen über einen wesentlich breiteren Spektralbereich erstreckt, als es der schmale Absorptionsbereich ist. Ein großer Teil der von einer solchen Anregungslichtquelle übertragenen Energie geht daher für die Anregung eines bestimmten Mediums verloren.

Ein weiteres Anregungsverfahren, das sich für bestimmte gasförmige, selektiv fluoreszente Medien als brauchbar erwiesen hat, ist das Beschießen mit

die unter Ausnutzung von Vorgängen angeregt werden, welche die Übertragung durch unelastische Zusammenstöße von Teilen eines Gases auf Teile eines anderen Gases umfassen.

Für einen mit selektiver Fluoreszenz arbeitenden Sender oder Verstärker mit einem Gemisch gasförmiger Medien, bei denen der metastabile Energiezustand oberhalb des Grundzustandes des selektiv fluoreszenten Gases durch Stöße mit einem zweiten Elektronen. Damit wurde eine selektive Fluoreszenz 10 Gas angeregt wird, werden diese Ziele erfindungsin den Edelgasen Helium, Neon. Argon, Krypton gemäß dadurch erreicht, daß das erste Gas, das und Xenon erzeugt. Meist werden die Edelgasatome selektiv fluoreszente Gas, aus einem mehratomigen durch Zusammenstöße mit freien Elektronen in Molekül besteht, das wenigstens ein Atom mit einer einer Gasentladung angeregt. Damit sich auf Grund Vielzahl von Energiezuständen oberhalb des Grundder Elektronen-Atom-Zusammenstöße eine Besetzungs- 15 zustandes enthält und wenigstens einen neutralen umkehr ergibt, ist es wesentlich, daß das selektiv stoßangeregten Molekularenergiezustand aufweist, der fluoreszente Gas zur Erzielung eines stark besetzten im wesentlichen mit dem metastabilen Energieoberen Energiezustandes einen großen Absorptions- zustand des zweiten Gases, des Hilfsgases, übereinquerschnitt für die Anregung auf die obere Stufe stimmt und seinen oberen Energiezustand als dissozides Signalüberganges oder auf eine noch höhere 20 iertes Molekül in atomarem Zustand erreicht, und Stufe aufweist, die sich in die gewünschte Energie- daß dafür eine Anregungsenergiequelle vorgesehen stufe entspannt. Es ist außerdem erforderlich, daß ist, die das zweite Gas, das Hilfsgas, in seinem metaverschiedene störende Einwirkungen, die durch die stabilen Zustand anregt, um eine zusätzliche Energie-Wechselwirkungen von Elektronen mit dem Gas übertragung durch Resonanz-Stoßvorgänge auf den erzeugt werden, verhältnismäßig klein gehalten werden. 25 stoßangeregten molekularen Energiezustand des ersten Daher erfordert das Anregen gasförmiger Medien selektiv fluoreszenten Gases zu bewirken und dieses durch Elektronen-Atom-Zusammenstöße sowohl eine
sorgfältige Auswahl des selektiv fluoreszenten Gases
als auch eine genaue Steuerung der Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise des Drucks und der 3° seinen beiden optisch untereinander verbundenen Intensität der Entladung. In vielen Fällen müssen ausgewählten Energiezuständen zu erzeugen, weiterhin besondere Maßnahmen getroffen werden,
um Wechselwirkungen zu verhindern, die die gewünschte Wirkung überdecken können.

Die Selektivität der Anregung in einer Gasentladung 35 selektiv fluoreszenten Gases übertragen wird. Durch kann durch Mischen des selektiv fluoreszenten Gases Dissoziation der Moleküle wird die Anregung schließmit einem Hilfsgas vergrößert werden, das einen an lieh über einen oberen Energiezustand eines oder die obere wirksame Energiestufe angepaßten meta- mehrerer Teilatome übertragen. Die Energiestufe stabilen Energiezustand aufweist. Das Hilfsgas wird des selektiv fluoreszenten Atoms, auf die die Besetdann in seinen metastabilen Zustand angeregt, und 4° zungsumkehrung auf diese Weise verschoben wird, die Anregung wird durch Resonanzwechselwirkung kann die obere Stufe eines optisch miteinander verbei unelastischen Atom-Atom-Zusammenstößen auf bundenen Paares oder eine darüberliegende höhere das selektiv fluoreszente Gas übertragen. Dieser Stufe sein, die sich alsbald auf diese obere Signal-Vorgang ermöglichte die Schaffung des ersten stetigen stufe entspannt, oder aber auch eine tiefere Stufe optischen Senders oder Verstärkers. Bei einer Ab- 45 darstellen, die einen großen Absorptionsquerschnitt änderung dieses Verfahrens dient das Hilfsgas dazu, für die Anregung auf die obere Signalstufe aufweist, zunächst einen metastabilen Zustand des selektiv
fluoreszenten Gases zu besetzen, der einen großen
Absorptionsquerschnitt zur Anregung auf eine gewünschte obere Energiestufe aufweist. Obwohl das 50
Verfahren mit Atom-Atom-Zusammenstößen auf alle
Kombinationen von Gasen anwendbar ist, die der
angegebenen Energiestufenbedingung genügen, wird
es doch durch die erforderliche genaue Übereinstimmung derjenigen Energiestufen beschränkt, zwischen 55
denen die Anregungsübertragung stattfindet. Es

unter Dissoziation auf den oberen Energiezustand des selektiv fluoreszenten Atoms des Moleküls anzuheben und dadurch eine Besetzungsumkehr zwischen

Das Hilfsgas wird mithin in seinem metastabilen Zustand angeregt, aus dem Energie durch unelastische Zusammenstöße mit den Atomen des Moleküls des

scheint, daß die Zahl der in der Natur vorkommenden Übereinstimmungen dieser Art nicht ausreicht, um wunschgemäß alle Teile des Lichtspektrums zu erfassen.

Ein Ziel der Erfindung ist es daher, die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Wellenenergie im optischen Teil des elektromagnetischen Spektrums zu erleichtern und für den Fall optischer Sender oder

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen; es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm der Energie des selektiv fluoreszenten Gases der Mischung in Abhängigkeit vom Kernabstand bei einem als Beispiel gewählten zweiatomigen Molekül, das zur Erläuterung der Erfindung benutzt wird,

F i g. 2 einen optischen Sender oder Verstärker zur Erläuterung der Erfindung und

F i g. 3 ein Diagramm der Energien des selektiv fluoreszenten Gases in Abhängigkeit vom Kernabstand für das Sauerstoffmolekül, wobei ferner die 60 Beziehung zwischen den Energiestufen vom selektiv fluoreszenten Sauerstoff und denen von drei Edelgasen als Hilfsgase dargestellt ist.

In dem Diagramm nach F i g. 1 ist die Energie

verschiedener elektronischer Energiezustände als Funk-Verstärker unter Verwendung von gasförmigen, 65 tion des Kernabstandes dargestellt. Zum Zwecke der selektiv fluoreszenten Medien zu vereinfachen. Erläuterung ist angenommen, daß das Molekül

Es ist weiterhin Ziel der Erfindung, gasförmige zweiatomig ist und aus den Atomen U₁ und B₂ beoptische, selektiv fluoreszente Medien auszuwählen, steht. Eine vollständige Beschreibung der Quanten-

5 6

zustände auch nur eines zweiatomigem Moleküls seine Teilatome. Die Energiezustände der Atome ist sehr kompliziert und soll hier nicht gegeben hängen dann von dem Grenzwert der Kurve für die werden. An Stelle dessen sollen die Vorteile ausge- potentielle Energie bei unendlich großem Kernabnutzt werden, die sich durch die Vereinfachungen stand ab.

ergeben, wenn man annimmt, daß der Kernabstand 5 Es wurde gefunden, daß der Franck-Condonin einem beträchtlichen Bereich geändert werden Grundsatz auch annähernd beispielsweise im Falle kann, ohne Übergänge der elektronischen Energie- von Atom-Molekül-Zusammenstößen gültig ist. Die zustände zu verursachen. Gültigkeit zeigt sich auch wenigstens in einem ge-

Für jeden Kernabstand R ist eine Gruppe von elek- wissen Ausmaß in anderen Fällen, beispielsweise tronischen Energiezuständen vorhanden, von denen io bei streifenden Zusammenstößen zwischen Molezwei in F i g. 1 gezeigt sind. Für unendlich groß külen. Die gestrichelten vertikalen Linien in F i g. 1 werdendes R wird der Grenzwert für die Summe der geben einen Bereich an, in dem der Franck-Condon-Energien dieser Stufen die Summe der Energien der Grundsatz die Wahrscheinlichkeit einer Anregung beiden definierten Energiezustände entweder der aus dem Grundzustand für das .B^-Molekül angibt. Atome B₁ + B₂ oder der Ionen B₁ ⁺ und B₂- oder »5 Die gestrichelten horizontalen Linien zeigen einen B{- und B₂ ⁺. Es ist jedoch zu beachten, daß eine Energiebereich AE an, innerhalb dessen eine größere Vielzahl von molekularen elektronischen Energie- Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß Energie auf stufen dem gleichen Grenzwert zustreben kann. den molekularen Stoßzustand der Kurve II über-Während demgemäß also die elektronische Grund- tragen wird. Demgemäß können erfindungsgemäß stufe des Moleküls beispielsweise im Grundzustand ao Moleküle eines selektiv fiuoreszenten Gases mit einem seiner Atome endet, kann das Entsprechende auch Energiesystem der in F i g. 1 gezeigten Art dazu für andere molekulare Stufen in gleicher Weise veranlaßt werden, durch unelastische Zusammenzutreffen, stoße mit Teilchen eines einatomigen Hilfsgases in

Die Kurve I in F i g. 1 hat ein Minimum bei einem metastabilen Zustand mit einer Energie inner- R — R₀, das daher einem Gleichgewichtsabstand 25 halb von AE in Anregungszustände ihrer Teilatome der Kerne entspricht. Wenn R gegen Unendlich zu dissoziieren. Es heißt dann, daß der metastabile geht, nähert sich die Kurve asymptotisch einer Stufe, Zustand des atomaren Hilfsgases an den stoßangedie die Summe der Energien der Zustände B₁ und B₂' regten Zustand des Moleküls angepaßt ist, der in der Atome B₁ und B₂ darstellt. Unterhalb dieser einer bestimmten Stufe oder Stufen der Teilatome Stufe ist eine bestimmte Serie von Quantenzuständen 30 endet.

der Kernbewegung, wie beispielsweise α und b, vor- Entsprechend den Grundgedanken der Erfindung

handen, die gegen einen Grenzwert bei B₁ + B₂ besteht das Medium eines optischen Senders oder konvergieren. Oberhalb dieses Grenzwertes liegt ein Verstärkers aus einer Mischung eines selektiv fluo-Kontinuum unbegrenzter Kernzustände, die das reszenten Gases mit einem Hilfsgas. Das selektiv dissoziierte Molekül darstellen. 35 fluoreszente Gas besteht aus mehratomigen MoIe-

Die Kurve II in F i g. 1 gibt einen Stoßzustand külen, die wenigstens jeweils ein Atom enthalten, des Moleküls wieder. Da die Kurve II kein Minimum das eine Vielzahl von Energiezuständen oberhalb des aufweist, ist eine Rückstoßkraft zwischen den Atomen Grundzustandes einschließlich eines optischen mit- B₁ + B₂ bei allen Abständen vorhanden. Es bestehen einander verbundenen Paares von Zuständen aufkeine stationären Kernzustände, und es kann kein 40 weist. Das Molekül besitzt ein Energiesystem, das stabiles Molekül vorhanden sein. Der durch die durch einen oder mehrere stoßangeregte Zustände Kurve II dargestellte molekulare Stoßzustand endet gekennzeichnet ist, die· in oberen Energiezuständen für unendlich großes R bei einer Stufe, die der Summe der Teilatome enden. Vorzugsweise enden die stoßder Energien der Zustände B₁" und B₂" der Atome angeregten Molekularzustände in der oberen Energie- B₁ und B₂ entspricht. Der Bereich oberhalb der 45 stufe des Signalübergangs oder in einer tiefer liegenden Kurve II ähnelt in jeder Hinsicht dem Kontinuum metastabilen Stufe mit einem verhältnismäßig großen der elektronischen Zustände, die oberhalb B₁ + B₂ Querschnitt für die Anregung in die obere Anregungsfür den Fall sich anziehender Zustände liegen, die stufe für die selektive Fluoreszenz oder in einer durch die Kurve I dargestellt sind. höheren Stufe, die sich in diese entspannt.

Ein Übergang zwischen Energiezuständen eines 50 Das Hilfsgas entsprechend der Erfindung ist durch Moleküls kann sich aus einer inneren Störung oder wenigstens eine metastabile Stufe oberhalb des Grundauf Grund einer äußeren Störung, wie beispielsweise zustandes gekennzeichnet. Die metastabile Stufe oder einem Zusammenstoß mit einem anderen Teilchen, Stufen sind im wesentlichen an eine oder mehrere oder der Absorption oder Emission von Strahlung der bevorzugten Stoßzustände der selektiv fluoergeben. Im Falle eines Elektron-Molekül-Zusammen- 55 reszenten Gasmoleküle angepaßt. Eine Besetzung des Stoßes beispielsweise verlangt der Franck-Condon- metastabilen Zustandes des Hilfsgases wird leicht, Grundsatz, daß der Übergang so schnell vonstatten beispielsweise durch Zusammenstöße mit freien Elekgeht, daß die relativen Kernbewegungen scheinbar tronen in einer Gasentladung erreicht. Obwohl es unbeeinflußt bleiben. Die Folgen des Überganges etwas verwirrend erscheinen mag, daß die Teilchen hängen demgemäß im hohen Maße von der Form 60 des Hilfsgases auf viele von dem gewünschten metader Kurven für die potentielle Energie der Anfangs- stabilen Zustand abweichende Zustände angeregt und Endzustände ab. Wenn der Endzustand voll- werden, ist ein solches Verfahren brauchbar, da ständig innerhalb des Bereichs der diskreten elektro- viele der höheren Zustände sich auf den metastabilen nischen Stufen der oberen Kurve liegt, führt der Zustand entspannen. Auf diese Weise wird eine ver-Ubergang zu einem stabilen angeregten Molekül. 65 hältnismäßig große metastabile Besetzung leicht Wenn andererseits der Endzustand innerhalb des aufrechterhalten. Natürlich können auch andere stetigen Bereichs der Kernstufen liegt, führt der Anregungsverfahren zur Erzielung des gewünschten Übergang zu einer Dissoziation der Moleküle in Ergebnisses benutzt werden.

7 8

Bei optischen Verstärkern des gasförmigen Wechsel- Sauerstoff sind mit Bezug auf den Grundzustand Wirkungstyps wird Energie durch Zusammenstöße des Sauerstoffmoleküls definiert. Mit Ausnahme der aus einem metastabilen Zustand eines Hilfsgases Stufe, welche die Dissoziation von O₂ in die Ionen unmittelbar in einen molekularen Anregungszustand O⁺ und O~ darstellt, sind nur die molekularen des selektiv fluoreszenten Gases übertragen. Die 5 Dissoziationsgrenzen angegeben, die ein Sauerstoff-Resonanzübertragung, die bei unelastischen »Zu- atom im Grundzustand umfassen. Die ausgezogenen sammenstößen zweiter Art« auftritt, erfordert eine Kurven stellen die Energie verschiedener stabiler ziemlich genaue Übereinstimmung zwischen dem Energiezustände des Sauerstoffmoleküls in Abhängigmetastabilen Zustand und dem molekularen Anre- keit vom Kernabstand dar. Die gestrichelten Kurven gungszustand. Im allgemeinen darf die Abweichung ao zeigen neutrale stoßangeregte Zustände von O₂. nicht größer sein als einige wenige kT. Diese Förde- Das Vorhandensein solcher Zustände wurde aus rungen schränkt die Anzahl der gasförmigen Mi- Beobachtungen molekularer Absorptionsbänder beschungen, die benutzt werden können, ein. Bei der stimmt, von denen viele unklassifiziert sind und die vorliegenden Erfindung stellt der Bereich AE jedoch sich über den grob durch den schraffierten Bereich eine verhältnismäßig große Abweichungsmöglichkeit 15 zwischen den gestrichelten vertikalen Linien därgezwischen dem metastabilen und dem molekularen stellten Energiebereich hinaus erstrecken. Wie in Stoßzustand dar. Demgemäß ist eine wesentlich F i g. 1 geben die vertikalen Linien ungefähr den größere Zahl von Kombinationen möglich. Die Bereich an, in dem der Franck-Condon-Grundsatz Anregungsübertragung von metastabilen Zuständen wenigstens für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eines Hilfsgases an angeregte molekulare Energie- 20 ausreichende Gültigkeit besitzt. Wenn auch das zustände mit Hilfe molekularer Dissoziation kann Vorhandensein der molekularen Stoßzustände be- »quasi resonant« genannt werden. Die durch die stimmt worden ist, wie auch die Tatsache, daß sie Notwendigkeit einer Anpassung der Energiezustände in bestimmten Anregungszuständen atomaren Sauerauferlegte Einschränkung wird weiter durch die Stoffs enden, so wurden ihre Energien doch nicht Tatsache herabgesetzt, daß in einigen molekularen 25 für alle Werte des Kernabstandes bestimmt. Die Gasen eine Vielzahl von Stoßzuständen vorhanden gezeigte Form der gestrichelten Kurven ist daher ist, die in günstigen Energiezuständen der Teilatome nur qualitativ zu verstehen.

enden. Bei optischen Sendern oder Verstärkern unter Auf der linken Seite der F i g. 3 sind verschiedene

Verwendung von gasförmigen Mischungen der hier Energiestufen der Hilfsgase Neon, Argon und Krypton angegebenen Art ist eine wirksame Übertragung in 30 angegeben. Vier metastabile Stufen (³P₂, ³P₁, ³P₀ und einem Bereich von der Größe mehrerer Elektronenvolt ip_x in der Reihenfolge zunehmender Energie) sind möglich. durch Sternchen gekennzeichnet. Die metastabilen

Ein kohärenter Lichtsender oder -verstärker kann Zustände dieser Edelgase liegen auf Stufen, die im aus einem Gerät nach F i g. 2 bestehen. Dort ist wesentlichen mit bestimmten vorgezogenen Stoßein längliches Quarzrohr 11 gezeigt, das ein gas- 35 anregungszuständen von O₂ übereinstimmen. Demförmiges Medium enthält. Ein Lichtstrahlweg durch gemäß sind sie für eine Energieübertragung durch bei das Rohr 11 wird durch transparente Fenster 12 und 13 unelastischen Atom-Molekül-Zusammenstößen auffestgelegt, die unter dem Polarisationswinkel zum tretende Resonanzvorgänge auf diese Stoßzustände Weg des Lichtstrahles 14 geneigt sind. Dadurch, und durch molekulare Dissoziation auf bevorzugte daß die Fenster unter dem Polarisationswinkel 4° Zustände atomaren Sauerstoffs gut geeignet, angeordnet sind, kann Licht, das in der Einfalls- In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde

ebene polarisiert ist, ohne Reflexion durchgelassen eine stetige selektive Fluoreszenz bei dem 3³P₂-S³S₁-werden. Hochfrequente Energie, die von der Quelle 16 Übergang atomaren Sauerstoffs mit 8446 Ä erreicht, geliefert wird, wird an das gasförmige Medium mit Die Besetzung der oberen Anregungsstufe für die Hilfe von Elektroden 17 angelegt, die bei dem dar- 45 selektive Fluoreszenz erfolgt mit Hilfe von Vorgängen gestellten Ausführungsbeispiel außerhalb des Rohres 11 unter Einschluß dissoziativer Anregungsübertragung, angeordnet sind. Die Verwendung äußerer Elektroden wie angegeben. Gasförmige Mischungen von Ne—O₂ vermeidet sowohl eine Verunreinigung der Gas- und A—O₂ wurden besonders geeignet gefunden. Die mischung und schaltet außerdem eine Verschmutzung 3³P-3³S- und 3³S-2³P-Ubergänge atomaren Sauerder Fenster 12 und 13 durch Zerstäuben aus. 50 Stoffs erweisen sich als möglich, und es wurde geWenn das Gerät nach F i g. 2 als Lichtsender funden, daß ihre Strahlungslebensdauer gut geeignet verwendet werden soll, kann ein Reflektorpaar 18 ist, um die für die selektive Fluoreszenz erforderliche und 19 nahe den Fenstern 12 und 13 angeordnet Besetzungsumkehr zu erhalten. Wie allgemein bewerden. Die Reflektoren 18 und 19 können beispiels- kannt, sind die Elektronenanregungsquerschnitte jeweise entweder eben oder gekrümmt sein. In der 55 doch etwa proportional der Wahrscheinlichkeit der Zeichnung ist der Reflektor 19 teilweise durchlässig, elektrischen Dipolübergänge zwischen einem gegebenen um ein Entweichen des kohärenten Lichtes aus dem Stufenpaar. Demgemäß kann eine Besetzungsumkehr optischen Resonator für den gewünschten Verwen- bei den 3³P-3³S-Übergängen nicht durch den Stoß dungszweck zu ermöglichen. Das Gerät kann als von Elektronen mit Sauerstoffatomen im Grundkohärenter Lichtverstärker entweder mit oder ohne 60 zustand aufrechterhalten werden. Es ist daher eine Reflektoren benutzt werden. selektive Dissoziation von molekularem Sauerstoff

In F i g. 3 sind Teile des Energiestufensystems auf die Anregungszustände von atomarem Sauerstoff von molekularem und atomarem Sauerstoff dar- erforderlich.

gestellt. Außerdem sind dort Teile der Energiesysteme In einer gasförmigen Mischung Ne—O₂ findet eine

der Hilfsgase Neon, Argon und Krypton gezeigt. 65 Besetzung der metastabilen Stufe von Neon in der Demgemäß enthält F i g. 3 die in F i g. 1 in ver- Hauptsache durch Zusammenstöße mit freien Elekeinfachter Form dargestellten Angaben für ein be- tronen in einer elektrischen Entladung statt. Die stimmtes molekulares Gas. Alle Energiestufen von Anregungsenergie wird dann unmittelbar auf einen

Stoßzustand von O₂ übertragen, der in dem gewünschten 3³P-Zustand atomaren Sauerstoffs endet. In der Mischung A—O₂ herrscht ein verwickelterer Vorgang vor, bei dem die Anregungsenergie von den metastabilen Zuständen von Argon auf die Stoßzustände von O₂ übertragen wird, welche in den 2¹D- und 2¹S-ZuSIaUdCn atomaren Sauerstoffs enden. Diese Anregungszustände von Sauerstoff sind selbst wiederum metastabil und besitzen im Unterschied zum Grundzustand von Sauerstoff einen großen Querschnitt für eine Anregung auf die 3 ³P-StUfe.

Messungen an einem optischen Lichtsender oder -verstärker der in F i g. 2 gezeigten Art, bei dem das Quarzrohr einen Innendurchmesser von 7 mm hatte, haben gezeigt, daß die Reaktion

Ne(³P₁, ³P₀) + O₂ ->- 0(3³P) + O + Ne

O)

die vorherrschende Quelle für atomaren Sauerstoff im 3³P-Zustand war. Messungen der Emissionslinie mit 8446 Ä in Mischungen A—O₂ und Kr—O₂ zeigten, daß die Anregung in erster Linie aus dem folgenden zweistufigen Vorgang herrührt:

25 A*} [A

+ O₂ -v O* + O + (2a)
Kr*j [Kr

(Energie) + e + O* -+- 0(3 ³P) + e. (2b)

In allen Fällen zeigen die Sternchen eine metastabile Stufe an. Bei dem optischen Ne-O₂-Verstärker betrug der optimale Druck etwa 0,014 Torr für O₂ und 0,35 Torr für TVe. Mit A-O₂ wurde ein optimaler Druck von 0,036 Torr für O₂ und 1,3 Torr für A gefunden. Die Ausgangsleistungen waren in jedem Fall etwa die gleichen mit einer optischen Verstärkung von etwa 3 % J^e Meter.

Eine Rekombination von Sauerstoffatomen zu Molekülen scheint in erster Linie an den Wänden des Gasrohres stattzufinden. Im allgemeinen ändert sich die Leistung der Ne-O₂- und ^i-O₂-Verstärker umgekehrt proportional mit dem Durchmesser des Rohres. Demgemäß kann die Gesamtausgangsleistung durch Vorsehen zusätzlicher Oberflächen innerhalb des Rohres vergrößert werden.

Obwohl angenommen wird, daß die metastabile Stufe 2³S von Helium für eine wirksame Übertragung von Energie auf das Sauerstoffmolekül zu hoch liegt, enthält Heliumgas häufig eine genügende Menge Neon als Verunreinigung, um eine selektive Fluoreszenz anzuregen. Zusätzlich zu der direkten Wechselwirkung zwischen Neon und Sauerstoff unterstützt eine Energieübertragung von Helium auf Neon den Anregungsvorgang. Andere molekulare Gase, wie beispielsweise Stickstoff, können als selektiv fluoreszentes Gas benutzt werden. Weiterhin können auch andere Gase als die Edelgase als Hilfsgase benutzt werden. Diese Hilfsgase können entweder atomar oder molekular sein.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mit selektiver Fluoreszenz arbeitender optischer Sender oder Verstärker mit einem Gemisch gasförmiger Medien, bei denen der metastabile Energiezustand oberhalb des Grundzustandes des selektiv fluoreszenten Gases zusätzlich durch Stöße mit einem zweiten Gas angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, das selektiv fluoreszente Gas, aus einem mehratomigen Molekül besteht, das wenigstens ein Atom mit einer Vielzahl von Energiezuständen oberhalb des Grundzustandes enthält und wenigstens einen neutralen stoßangeregten Molekularenergiezustand aufweist, der im wesentlichen mit dem metastabilen Energiezustand des zweiten Gases, des Hilfsgases, übereinstimmt und sein oberer Energiezustand als dissoziiertes Molekül in atomarem Zustand erreicht, und daß dafür eine Anregungsenergiequelle (16, 17) vorgesehen ist, die das zweite Gas, das Hilfsgas, in seinen metastabilen Zustand anregt, um eine zusätzliche Energieübertragung durch Resonanz-Stoßvorgänge auf den stoßangeregten molekularen Energiezustand des ersten, des selektiv fluoreszenten Gases, zu bewirken und dieses unter Dissoziation auf den oberen Energiezustand des selektiv fluoreszenten Atoms des Moleküls anzuheben und dadurch eine Besetzungsumkehr zwischen seinen beiden optisch miteinander verbundenen ausgewählten Energiezuständen zu erzeugen.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, das selektiv fluoreszente Gas, Sauerstoff ist und das zweite Gas, das Hilfsgas, ein Edelgas ist.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas entweder Argon oder Neon oder Krypton ist.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atome des Hilfsgases wenigstens einen metastabilen Zustand aufweisen, der unterhalb des oberen Zustandes des optisch miteinander verbundenen Paares von Energiezuständen liegt und der einen verhältnismäßig großen Querschnitt für eine Elektronen-Stoßerregung in den oberen Energiezustand aufweist.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsenergiequelle dazu benutzt wird, um freie Elektronen in dem Entladungsraum zu erzeugen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 929 922;
Scientific American, Bd. 204, Nr.

6, Juni 1961, S. 54 bis 61, insbesondere S. 58, rechte Spalte;
La Nature, Januar 1962, S. 6.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

409 588/192 4.64 © Bundesdruckerei Berlin