DE2409940C3 - Verfahren für einen photochemischen Jodlaser und Jodlaser zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

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Die Schwierigkeiten beim Bau von Höchstleistungslaiern, die Festkörpermaterialien als aktive, stimulierbare Lasersubstanz enthalten, führten in den letzten Jahren aur Suche nach geeigneten gasförmigen stimulierbaren Medien. Gaslaser haben im Vergleich zu Festkörperla- »em einige entscheidende Vorteile: Große geometrische Dimensionen können relativ leicht verwirklicht werden, und das stimulierbare Medium kann schnell und ohne große Kosten ersetzt werden. Die optische Qualität ist unabhängig von der Größe des Aufbaues; die Zerstörungsgrenze liegt um ein bis zwei Größenordnungen über der von Festkörpern. Schließlich lassen sich Strahlungsbündel mit lediglich durch die Beugung begrenzter Divergenz ohne große Schwierigkeiten erreichen.

Auf der anderen Seite gibt es schwerwiegende Begrenzungen für Gaslaser: Der große Wirkungsquerschnitt für stimulierte Emission führt schon bei geringen Inversionen zu so hohen Verstärkungen, dab der Laser bereits bei kleinen gespeicherten Energien zur Selbsterregung neigt. Die mit den bekannten Gaslasern erreichbaren Leistungen werden ferner durch Stoßdesaktivierungsprozesse begrenzt.

Ein im Hinblick auf hohe Strahlungsleistungen vielversprechender Gaslaser ist der photochemische Jodlaser, der mit einem gasförmigen Gemisch chemischer Substanzen arbeitet, deren aktiver Bestandteil eine der photolytischen Spaltung (»Blitzlichtphotolyse«) zugängliche organische Jodverbindung ist. Unter dem Einfluß eines Lichtimpulses werden in einem solchen gasförmigen Gemisch Jodatome im spektroskopischen Zustand 5²Pi/2 freigesetzt, die zur Abstrahlung kohärenten ü.chtes (Laserstrahlung) veranlaßt werden können.

Vereinfachend lassen sich diese Vorgänge durch die folgenden beiden chemischen Gleichungen beschreiben, in denen R ein organischer Molekülrest ist:

RJ - Phoiolyselicht ■♦ R + JIi²P_{1 2})

.1 (5²P₁ ;) ' J

Laserstrahlung

Neben der photochemischen Spaltungsreaktion gemäß Gleichung (1) tritt noch eine Reihe chemischer Sekundärreaktionen auf, die teilweise für den Laserbetrieb von Bedeutung sind. Auf diese Reaktionen wird, soweit es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist noch eingegangen werden.

Über die Laseremission von Iod unter ähnlichen wie den hier geschilderten Bedingungen wurde erstmals in Appl. Phys. Lett. Bd. 5., S. 231 bis 233, Nr. 11, vom 1.12. 1964; Phys. Rev. Lett., Bd. 14, S. 352 bis 354, Nr. 10, 8. März 1965, und Ing. J., Chem. Phys, 43, Nr. 5, S. 1827 und 1828 l.Sept. 1965 berichtet. Es sind auch bereits Jodlaser relativ hoher Leistung bekannt: Appl. Phys. Lett., Bd. 18, Nr. 2, S. 48 bis 50 vom 15.1. 1971: Chem. Phys. Lett, Bd. 14, S. 445, 1972; Z. Naturforschg, Bd. 27a, Nr. 6, S. 938 bis 947, vom Juni 1972; sowie die in Buchform erschienenen Auszüge von Tagungsvorträgen: Proc. 2nd Workshop on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, J. Schwarz, H. Hora, Eds. Plenum Publishing Corp. 1972.

Die bei den erwähnten Hochleistungs-Jodlasern verwendeten Jodverbindungen besitzen eine breite Absorptionsbande im ultravioletten Spektralbereich, die eine wirksame optische Anregung bietet. Die Ausgangsleistung der bekannten Jodlaser wird jedoch durch die folgenden Effekte begrenzt:

1. Beim Pumpen mit hoher Lichtintensität für eine Dauer von mehr als einigen Mikrosekunden können durch Photolyse eine übermäßige Aufheizung und damit Zersetzung des Lasermaterials (Pyrolyse) sowie chemische Sekundärreaktionen, die die Ausbeute erniedrigen, eintreten.

2. Normalerweise wird das stimulierbare Medium des Lasers in verhältnismäßig kurzer Zeit ganz oder zum großen Teil verbraucht, so daß es ersetzt werden muß.

3. Die Erzeugung von Strahlungsimpulsen hoher Leistung und sehr kurzer Dauer, d. h. in der Größenordnung von 10 ⁵S, ist mit gasförmigen Lasersubstanzer. sehr schwierig. Um diese, für alle gasförmigen Lasersubstanzen charakteristischen ^s Schwierigkeiten zu verstehen, ist es nötig, das Verfahren der Riesenpulserzetigung genauer zu betrachten: Grundlage dirges Verfahrens ist die Speicherung der Strahlungsenergie, d. h. der Photonen, in angeregten Zuständen. Mit einer Anregungslichiquelle wird hierfür eine Inversion im stimulierbaren Medium erzeugt, und die auf di;;e Weise gespeicherte Energie wird dann zu einem bestimmten Zeitpunkt id durch ein Strahlungsfeld abgerufen. Die bis m durch die Inversion gespeichert Energie, gemessen in Joule und bezogen auf den Laserquerschnitt, ist ein Maß für die Energiespeicherfähigkeit des betreffenden Lasers. Diese wird im wesentlichen durch zwei Effekte begrenzt:

a) durch strahlungslose Verlus'prozesse, die bei Gaslasern eine entscheidende Rolle spielen. Die angeregten Atome bzw. Moleküle geben dabei die in den höheren Energieniveaus gespeicherte Energie bereits vor dem Zeitpunkt ίο in Stößen zweiter Art strahlungslos ab (»Löschungsprozesse«);

b) durch die sogenannte Selbstanregung, d. h„ der Laser schwingt vor dem vorgesehenen Zeitpunkt ίο an, so daß dann keine weitere Anregungsenergie mehr gespeichert, sondern diese sofort in Strahlungsenergie umgewandelt wird.

Zunächst soll auf Punkt b) näher eingegangen werden: Ein Laseroszillator schwingt an, sobald die Schwelleninversion erreicht wird, die sich genähert aus der Schawlow-Townes-Bedingung berechnen läßt:

V²R, ■ R₂T² = 1

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Darin ist Vdie Kleinsignalverstärkung bei einfachem Durchgang der Strahlung durch das stimulierbare Medium, R\ und R2 die Reflexionswerte der den optischen Resonator des Lasers begrenzenden Spiegel, und durch T werden die Verluste innerhalb des optischen Resonators beschrieben. Anschaulich bedeutet die Beziehung gemäß Gleichung (3), daß beim Erreichen des Schwellenwerts die Verluste gerade durch die Verstärkung ausgeglichen werden. Die Gleichung (3) läßt sich auch auf einen optischen Verstärker anwenden, der ja wegen der unvermeidlichen Reflexionen an Staubteilchen und begrenzenden Flächen ebenfalls als Oszillator angesehen werden kann, allerdings als ein Oszillator mit hohem Schwellenwert. Den Schwellenwert der Inversion ANs erhält man aus der Gleichung (3), wenn man berücksichtigt, daß V = exp (σ ANI), wobei /die Länge des stimulierbaren Mediums ist, zu:

γ_σΤ In (R₁R₂ Γ²)"

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σ, der Wirkungsquerschnitt für stimulierte Emission, läßt sich mit Hilfe der spontanen Übergangswahrscheinlichkeit A, der Frequenz ν des strahlenden Überganges und der Linienbreite Jv näherungsweise wie folgt angeben:

Ac^: .

* St-- I.- ^|N

Sei/t man ο aus der Gleichung (5) in die Gleichung (4) ein, so sieht man, daß der Schwellenwert proportional der Linienbreite Av des Überganges ist. Bei Gasen mit Drücken im Torr-Bereich liegt ο in der Größenordnung von 10-^lo bis 10-^|8cm-. Damit ergeben sich zunächst sehr hohe Verstärkungen, die jedoch vom Gasdruck abhängig sind. Dieser große Unterschied zu Festkörperhochleistungslasern ist im wesentlichen eine Folge der unterschiedlichen Linienbreite und scheint den Bau starker Gashochleistungslaser, basierend auf dem Energiespeicherkonzept, in Frage zu stellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt also, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, die Impulsleistung eines photochemischen Jodlasers zu erhöhen, bei welchem durch UV-Strahlung von einer Anregungslichtquelle eine in einem Entladungsgefäß enthaltene gasförmige Jodverbindung photolytisch zersetzt und die dabei entstehenden Jodatome unter Erzeugung einer Besetzungsinversion angeregt werden.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst, welches darin besteht, daß der Fremdgasdruck zur Erhöhung der Ausgangsimpulsleistung proportional zu dieser bis 10 000 Torr gesteigert wird.

Durch dieses Verfahren kann die Impulsleistung im Vergleich zum Stand der Technik ganz erheblich gesteigert werden. Die hohen Fremdgasdrücke haben außerdem einen günstigen Einfluß auf den Verbrauch an Jodverbindung.

Beim Stand der Technik (J. Chem. Phys., 43, Nr. 5, 1965, S. 1827 und 1828) hat der Fremdgaszusatz lediglich den Zweck, eine abrupte Löschung des Laserstrahlungsimpulses infolge einer Temperaturerhöhung der Gasfüllung des Lasers zu verhindern. Daß man durch einen erhöhten Fremdgaszusatz die Impulsleistung erhöhen kann, war bisher jedoch nicht beobachtet und erkannt worden.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sowie Jodlaser zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung ist sowohl auf Laseroszillatoren als auch auf Laserverstärker anwendbar. Mit einem Laseroszillator gemäß der Erfindung konnte eine Ausgangsstrahlungsleistung von 1 Megawatt in einem 100-ns-Impuls erzeugt werden, die in einem nachgeschalteten Laserverstärker gemäß der Erfindung auf über 100 MW erhöht werden konnte.

Durch die beanspruchten Maßnahmen ist ein leistungsstarkes Anregen eines Jodlasers mit Raten von mehr als 10²² bis mehr als 10²⁵ Photonen pro cm² des Laserquerschnitts und pro Sekunde möglich. Durch den verhältnismäßig hohen Gasdruck wird einerseits die Wärmekapazität der Gasfüllung erhöht und das Auftreten von schädlichen Pyrolyseeffekten verhindert, und andererseits wird die Bandbreite des stimulierbaren Übergangs erhöht.

Man kann auf diese Weise bei Laseroszillatoren im ersten sich entwickelten Laserimpuls beträchtliche Leistungen erreichen und Laserverstärker für kurze Zeiträume über die Selbsterregungsschwelle anregen

und somit sehr hohe Verstärkungswerte ohne zusätzliche optische Entkopplungsbauteile und ohne Selbstanschwingen des optischen Verstärkers erreichen. Gleichzeitig werden chemische Desaktivierungsprozesse, die auf einer längeren Zeitskala ablaufen, sowie die Entwicklung von optischen Inhomogenitäten verhindert. Bei Prototypen des erfindungsgemäßen Lasers konnte ein Wirkungsgrad von 0,7% gerechnet als das Verhältnis von der den Blitzlampen zugeführten elektrischen Energie zu der aus dem Laser ausgekoppel- to ten Strahlungsenergie erreicht werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, die eine Laseranordnung mit einem Laseroszillator und Laserverstärker schematisch darstellt, welche beide Ausführungsbeispiele der Erfindung sind.

Die dargestellte Laseranordnung enthält einen Laseroszillator mit einem rohrförmigen Photolysegefäß I₁ welches von einer koaxialen Blitzlampe 12 umgeben ist. Der optische Resonator des Laseroszillators wird durch einen Konkavspiegel 2, der einen Krümmungsradius von 5 rn hat und eine 100% reflektierende Goldschicht aufweist, sowie einen ebenen Auskoppelspiegel 3, der ein Reflexionsvermögen von 40% hat, begrenzt. Im optischen Resonator befindet sich in der Nähe des Auskoppelspiegels 3 eine übliche Modenblende 4.

Die koaxiale Blitzlampe 12, die das Photolysegefäß 1 umgibt, ist über eine Schaltfunkenstrecke 5 mit einer 160-J-Energieversorgung 5a verbunden. Die Ausgangsstrahlung des Laseroszillators durchläuft eine Blende 6, einen Strahlteiler 7, der einen geringen Bruchteil der Strahlung zu einer Meßvorrichtung 8 auskoppelt, und ein Filter 9, das etwaiges gestreutes Anregungslicht verschluckt. Anschließend durchläuft die kohärente Strahlung ein Photolysegefäß 11 des Laserverstärkers, das stirnseitig wie das Photolysegefäß 1 durch Brewster-Fenster abgeschlossen ist Die Achse des Photolysegefäßes 11 fällt mit der einen Brennlinie eines die Form eines elliptischen Zylinders aufweisenden Reflektors 13 aus Aluminium zusammen, in dessen anderer Brennlinie eine rohrförmige Blitzlampe 10 angeordnet ist Die Blitzlampe 10 ist an eine 3-kJ-Energieversorgung 14 angeschlossen, die ebenfalls eine Schaltfunkenstrecke enthält Zur Messung der Ausgangsstrahlung des Laserverstärkers dient wieder eine Anordnung aus einem Strahlteiler 7 und einer Meßvorrichtung 8 sowie ein Energiemeßgerät 15.

An die Photolysegefäße 1 und 11 ist ein Rohrleitungsund Vakuumsystem angeschlossen, das in üblicher Weise ausgebildet sein kann und z. B. ein Manometer 16, einen Vorratsbehälter 17 für ein stimulierbares Medium (z. B. CF3J), Gefäße 18 für die Mischung und Reinigung des Füllgases, einen Abfallkolben 19 für Pyrolysepro dukte, eine Kühlfalle 20, eine Diffusionspumpe 21 und verschiedene Ventile 22 enthalten kann.

In bestimmten Gasmischungen verläuft die Photolyse unter Bildung angeregter Jodatome reversibel. Dadurch besteht die Möglichkeit, die gleiche Gasmischung im Laser mehrfach (z. B. für mehr als 100 Belichtungen) zu verwenden. Ein für diese Betriebsweise besonders geeignetes Jodid ist Perfluor-tertiär-Butyljodid (t-OFeJ). Gute Ergebnisse lassen sich auch mit Perfluor-Isopropyl-Jodid (I-C3F7J) sowie C2F5J und Verbindungen dieser Art, bei denen das Fluor ganz oder 6s teilweise durch Brom und/oder Chlor ersetzt ist, erzielen. Diese Verbindungen haben eine ausreichende Flüchtigkeit (Dampfdruck) bei guter Reversibilität, die sich, wie auch bei anderen Jodverbindungen, gegebe nenfalls noch durch Kühlung verbessern läßt.

Die Erhöhung der Bandbreite Δν des die Laserstrah lung liefernden Überganges durch einen relativ hoher Gasdruck in den Photolysegefäßen stellt ein wesentli ches Merkmal der Erfindung dar, da hierdurch nicht nui die Energiespeicherfähigkeit erhöht, sondern auch die Verstärkung einzelner Verstärkerstufen nach Belieber den jeweiligen technischen Anforderungen angepaßt werden kann. Es wurde gefunden, daß durch Zusat2 verschiedener Gase (z. B. Schwefelhexafluorid SFe Argon Ar oder CO2) mit Drücken bis zu etwa 2 bi< 3 Atmosphären, unter Umständen auch bis 10 Atmosphären, die speicherbare Energie auf über 1 J/cm^; erhöht werden kann. Dieser Effekt ist dem verwendeter Fremdgasdruck direkt proportional. Die obenerwähnten zusätzlichen Gase und viele andere Gaszusätze beeinträchtigen die für die Laserwirkung nutzbat gemachten photochemischen Prozesse praktisch nicht da der Photolyseprozeß unabhängig vom Fremdgasdruck ist.

Die dargestellte Laseranordnung kann z. B. mit einer Gasmischung betrieben werden, die 50 Torr Partialdruck C3F7J und 400 Torr Partialdruck CO2 enthält Sowohl im Oszillator wie im Verstärker werden schnelle Blitzlampen mit einer Halbwertsdauer des Lichtimpulses von etwa 2 \is oder weniger verwendet. Die Anregungsleistungsdichte soll, wie erwähnt, über 10^2; Photonen cm-²s-' betragen, und die Gasmischung soll sehr rein sein, um Lösch-Prozesse durch Stöße zweiter Art klein zu halten. Unter den genannten Bedingungen steht am Ausgang des Laseroszillators eine Strahlungsleistung von 1MW in einem 100-ns-Impuls zur Verfügung, die im Laserverstärker auf über 100 MW erhöht wird. Zusätzlich zu den an Hand der Abbildung erläuterten Maßnahmen ist es möglich, durch die konventionellen Techniken der Modenkopplung Impulse mit einer Dauer von weniger als 1 ns zu erzeugen, die mit einem Verstärker der beschriebenen Art auf über 3GW gebracht werden können. Bei entsprechend größeren Verstärkerabmessungen und gegebenenfalls mehreren Verstärkerstufen sind Impulsleistungen in dei Größenordnung von 100 GW und mehr erreichbar.

Die Bandbreite des stimulierten Überganges kann außer durch die beschriebene Erhöhung des Gasdruckes zusätzlich noch durch inhomogene Magnetfelder erhöhl werden, wie es in der DT-OS 20 58 276 beschrieben ist Diese Magnetfelder lassen sich gegebenenfalls durch den die Blitzlampen durchfließenden Strom erzeugen so daß außer geeigneter Schaltung und Anordnung dei Blitzlampen (die z. B. auch wendelförmig ausgebildei sein können) keine zusätzlichen technischen Maßnah men erforderlich sind. Es ist insbesondere möglich, die Blitzlampenströme im Oszillator und den nachfolgenden Verstärkern zeitlich, z. B. mit Abständen von 1 μ$ zu staffeln und dadurch den Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission und damit den Verstärkerfaktoi des stimulierbaren Mediums entsprechend zu steuern.

In der im Photolysegefäß enthaltenen Gasmischung kann der Partialdruck der stimulierbaren Jodverbindung zwischen etwa 5 und 60 bis 70 Torr liegen; dei Partialdruck des Fremdgases kann bis zu mehrerer Atmosphären (z. B. bis zu ΊΟ Atm) betragen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren für einen photochemischen Jodlaser, dessen stimulierbares Medium Jod, das zunächst organisch-chemisch gebunden vorliegt, seine Anregungsenergie aus ultravioletten Strahlungsimpulsen kn Zusammenwirken mit einer Photolyse seiner Jodverbindung bezieht, wobei der Jodverbindung ein deren Photolyse nicht beeinflussendes Fremdgas ι ο lugesetzt ist, dessen Druck höher ist als der der Jodverbindung und mindestens 376 Torr beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Fremdgasdruck zur Erhöhung der Ausgangsimpu'.sleistung proportional zu dieser bis 10000Torr gesteigert is wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Fremdgas A, SF* oder CCh verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ;o gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte der ultravioletten Strahlungsimpuise im Bereich zwischen \0²² und 10²⁵ Photonen pro cm² des Querschnitts des stimulierbaren Mediums pro Sekunde liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ultravioletten Strahlungsimpuise mit einer Halbwertsdauer von höchstens 2 μ5 zugeführt werden.

5. Jodlaser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Photolysegefäß, das eine gasförmige Jodverbindung und ein Fremdgas mit einem Druck von mindestens 376 Torr enthält, und mit einer ultraviolette Strahlungsimpulse liefernden Anregungslichtquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Fremdgasdruck im Phoiolysegefäß (U) bis maximal 10 000 Torr beträgt.

6. Jodlaser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines inhomogenen Magnetfeldes in der Gasmischung während der Zuführung der \nregungslichtenergie.

7. Jodlaser nach Anspruch 5 oder 6, bsi dem das Photolysegefäß zur Bildung eines Laseroszillators in einem optischen Resonator angeordnet ist und im Weg der Ausgangsstrahlung des Laseroszillators ein Photolysegefäß eines Laserverstärkers mit einer eigenen Anregungshchtquelle angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung, die die Anregungslichtquelle des Laseroszillators und des nachfolgenden Laserverstärkers mit einem zeitlichen Abstand von größenordnungsmäßig 1 μ$ auslöst.