DE1166931B

DE1166931B - Geometrische Ausgestaltung des Reaktionsraumes fuer selektive Fluoreszenz eines optischen Senders oder Verstaerkers

Info

Publication number: DE1166931B
Application number: DEW34255A
Authority: DE
Inventors: William Ralph Bennett Jun
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1962-04-12
Filing date: 1963-04-06
Publication date: 1964-04-02
Also published as: FR1348173A; US3172057A; BE630930A; GB1032572A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 05 b

Deutsche Kl.: 2If-90

Nummer: 1166931

Aktenzeichen: W 34255 VIII c / 21 f

Anmeldetag: 6. April 1963

Auslegetag: 2. April 1964

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker für selektive Fluoreszenz und im einzelnen die geometrische Ausgestaltung des Reaktionsraumes eines optischen Verstärkers, bei dem Gase als selektiv fluoreszentes Medium verwendet werden und der als Reaktionsraum ein zylindrisches Gefäß mit Einbauten aufweist.

Ein bevorzugter Typ eines optischen Verstärkers verwendet als selektiv fluoreszentes Medium ein Gas mit einem Energiezustandssystem, das durch eine Vielzahl diskreter Elektronenenergiestufen der Elektronen gekennzeichnet ist, von denen wenigstens zwei einen Abstand aufweisen, der einer optischen Frequenz entspricht. Ein zur Verwendung in optischen Verstärkern geeignetes Gas der beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2929922 von Schawlow und T ο w η e s angegebenen Art ist durch wenigstens drei aufeinanderfolgend immer höhere Energiestufen gekennzeichnet, die zur Vereinfachung mit E₁, E₂ und E₃ bezeichnet werden sollen. Der Abstand zwischen E₃ und E₂ entspricht der Frequenz der Lichtwelle, die erzeugt oder verstärkt werden soll. Vorteilhafterweise stehen die Wahrscheinlichkeiten der zulässigen Übergänge zwischen den verschiedenen Energiestufen und die Lebensdauer der angeregten Zustände so zueinander in Beziehung, daß eine Besetzungsumkehr zwischen wenigstens einem Energiestufenpaar erzeugt werden kann. Die selektive Fluoreszenz in einem als Beispiel gewählten, drei Energiestufen aufweisenden Geometrische Ausgestaltung des Reaktionsraumes für selektive Fluoreszenz eines optischen Senders oder Verstärkers

Anmelder:

Western Electric Company ,Incorporated,

New York, N. Y. (V. StA.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

William Ralph Bennett jun., New Haven, Conn.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 12. April 1962 (186 886)

eine Verstärkung ergibt. Wenn ein Teil der verstärkten Welle in das selektiv fiuoreszente Medium, beispielsweise durch Reflexion, rückgekoppelt wird, kann eine Schwingung erzeugt werden.

Die Anregung gasförmiger selektiv fluoreszenter Verstärkermedien durch optisches Anregen ist zwar

ein verhältnismäßig undar, denn die Wellenenergie, die zur Anhebung von Elektronen in die obere Energiestufe erforderlich ist, besitzt üblicherweise eine Frequenz, die höher ist als die der selek-

Gas wird durch optisches Anregen der Elektronen 30 durchführbar, stellt aber
aus tieferen Stufen auf die Stute E₃ sowie auf höhere wirtschaftliches Verfahren
Stufen erreicht, von denen sie spontan nach E₃ zurückfallen. Wenn die Besetzung von E₃ die von E₂ übersteigt, wird eine Besetzungsumkehr oder eine »negative«

Temperatur erzeugt. Dieser Zustand entspricht einer 35 tiven Fluoreszenz. Ein selektiv fluoreszentes Medium sich nicht im Gleichgewicht befindenden Verteilung mit einem Energiestufensystem der oben beschriebenen der Elektronenbesetzung zwischen den Energiestufen einfachen Art kann beispielsweise durch Licht an- E₃ und E_ä. Es ist allgemein bekannt, daß eine Rück- geregt werden, dessen Frequenz dem Abstand zwikehr der Besetzungsverteilung in die Gleichgewichts- sehen dem Grundzustand und E₃ entspricht. Weiterhin zustände durch Wellenenergie angeregt werden kann, 40 sind die Absorptionslinien von Gasen bei den in deren Frequenz dem Abstand zwischen dem Energie- optischen Verstärkern üblicherweise verwendeten

Drücken sehr schmal, so daß eine ziemlich genaue Übereinstimmung zwischen ihnen und den Emissionslinien der Anregungslichtquelle erforderlich ist. Die entsprechend 45 besten verfügbaren Lichtquellen mit einer zum optischen Anregen eines bestimmten Mediums geeigneten Frequenz sind jedoch inkohärente Quellen, die außerdem auch Licht vieler anderer Frequenzen im

stufenpaar invertierter Besetzungsdichte entspricht. Der Übergang bei der Rückkehr wird von einer Strahlungsemission von Wellenenergie der gleichen Frequenz wie das anregende Signal der Bohrschen Gleichung

ν =

E₃ — E₂

h
begleitet.

Darüber hinaus ist die selektive Fluoreszenz kohärent und in Phase mit dem Signal, so daß sich ganzen Spektrum erzeugen. Die Intensität des Lichtes von Gasentladungslampen kann zwar, beispielsweise durch eine Erhöhung des Gasdruckes, vergrößert werden. Das führt aber zu einer unerwünschten Ver-

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kannter Weise Mittel zur Hochfrequenzanregung vorgesehen, um freie Elektronen im Medium zu erzeugen, die mit Gasteilchen zusammenstoßen und eine Besetzungsumkehr zwischen einem ausgewählten Energiestufenpaar bewirken. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, das als Oszillator arbeiten kann, sind die transparenten Fenster durch halbreflektierende Platten ersetzt, so daß ein einem Hohlraumresonator entsprechender optischer Resonator gebildet wird. Erfindungsgemäß werden nun bei einem solchen optischen Gasverstärker eine Vielzahl sieb- oder lamellenartiger Einsätze, die innerhalb des Reaktionsraumes im Gefäß angeordnet sind, als ausgedehnte Wechselwirkungsfiächen im Kontakt mit dem gas-

breiterung des Emissionslinien und möglicherweise zu einem Wechsel des Spektrums. Demgemäß erscheint ein großer Teil der zum Betrieb der Anregungslichtquelle benutzten Energie als Licht, das nichts zur erwünschten Besetzungsumkehr beiträgt und sogar störend für die selektive Fluoreszenz sein kann. Es müssen daher große Energiebeträge aufgewendet werden, um eine ausreichende Intensität im ausgenutzten Frequenzbereich zu erzeugen. Die sich ergebenden hohen Gesamtenergiedichten können zu schwerwiegenden thermischen und anderen Schwierigkeiten führen.

Der schlechte Wirkungsgrad verfügbarer optischer Anregungslichtquellen und die Schwierigkeiten, die

sich bei solchen Quellen gezeigt haben, haben Anlaß 15 förmigen Medium vorgesehen, die einen Abstand zur Entwicklung anderer Mittel zum Anregen opti- voneinander aufweisen, der annähernd gleich der scher Verstärker gegeben. Ein allgemein beachteter mittleren freien Weglänge der Gasteilchen im Medium Versuch in dieser Richtung stützt sich auf die Tatsache, oder bis zu und einschließlich einem größeren Vieldaß die Besetzungsverteilung zwischen den Energie- fachen davon ist. Die Einbauten vergrößern den in stufen eines Gases dadurch geändert werden kann, 20 Kontakt mit dem Medium stehenden festen Oberdaß man das Gas einem energiereichen Strahl atomarer flächenbereich. Entsprechend den Prinzipien der Er- oder subatomarer Teilchen aussetzt. Grundsätzlich findung sind die der Vergrößerung der Oberfläche gelten hierfür aber die gleichen Schwierigkeiten wie dienenden Einsätze so ausgebildet und angeordnet, beim optischen Anregen. Die Wechselwirkung des daß sie einen minimalen transversalen Querschnitt im Teilchenstrahls mit dem Gas kann eine Anzahl ver- 25 Lichtweg durch das selektiv fluoreszente Medium schiedener Formen annehmen, von denen viele nicht besitzen. Die Einsätze sind vorteilhafterweise so auszu dem erwünschten Ergebnis beitragen oder sogar gebildet, daß alle Störungen der freien Bewegungsdieses stören. Mit Bezug darauf können verschiedene möglichkeit der Elektronen und angeregten Gas-Auswege benutzt werden. Beispielsweise kann die teilchen im Volumen möglichst klein werden, so daß Geschwindigkeit der Teilchen des Strahles sorgfältig 30 die erwünschte Besetzungsumkehr in allen Bereichen gesteuert werden, oder es kann für eine Auswahl der erzielt werden kann. Außerdem sind die Einsätze so in richtiger Weise angeregten Gasatome aus der
Hauptmasse des Mediums gesorgt werden. So wurde
z. B. ein Gerät entwickelt, um eine Besetzungsumkehr
durch eine räumliche oder zeitliche Trennung von 35
Atomen des gewünschten Energiezustandes von
Atomen anderer Energiezustände zu erzeugen. Hierbei
sind im Reaktionsgefäß als Ablenkelektrodenanordnung dienende Einbauten vorgesehen, die im Strömungsweg eines umlaufenden gasförmigen und Dipol- 4°
struktur aufweisenden Mediums (NH₃) angeordnet
sind und die die im unteren Energiezustand befindlichen
Moleküle aus dem Gasstrom aussondern, aber die im
oberen Energiezustand befindlichen Moleküle im
Resonatorenraum fokussieren.

Die verschiedenen Wechselwirkungs- oder Beschleunigungseffekte dieser Art bei bekannten optischen Verstärkern unter Verwendung einer Mischung bestimmter Gase führt jedoch zu einer Begrenzung der Verstärkung des die selektive Fluoreszenz auslösenden Signals, und zwar durch eine Herabsetzung der Verstärkung je Längeneinheit des selektiv fluoreszenten Mediums.

Es ist Ziel der Erfindung, einen mit dem gasförmigen Aggregatzustand arbeitenden optischen Verstärker zu schaffen, der sowohl eine verhältnismäßig hohe Verstärkung je Längeneinheit als auch eine verhältnismäßig hohe Ausgangsenergie aufweist.

Diese und weitere Vorteile werden in einem Ausführungsbeispiel erreicht, bei dem ein gasförmiges 60 und 13 gasdicht begrenztes gasförmiges selektiv Medium eines optischen Verstärkers in einem zylind- fluoreszentes Medium aufweist. Die Endplatte 12 ist rischen Gefäß mit Einbauten eingeschlossen ist. Zwei in einem ersten Stützring 14 befestigt, der durch einen transparente Fenster stellen die Enden des Lichtweges flexiolen Balg 16 mit einem zweiten Ring 17 verbunden durch das Medium dar, so daß ein Lichtsignal durch ist. Der Ring 17 ist wiederum über einen Balg 18 mit ein Fenster in das Gefäß eingeführt, durch das Medium 65 dem Rohr 11 verbunden. In ähnlicher Weise ist die hindurchlaufen und mit diesem in Wechselwirkung Endplatte 13 in einem Stützring 18 befestigt, der mit treten kann, um dann in verstärkter Form aus dem dem Rohr 11 über einen ersten Balg 21, einen Ring 22 anderen Fenster wieder auszutreten. Es sind in be- und einen zweiten Balg 23 verbunden ist. Die End

beschaffen, daß die Störung der engen Kopplung der optischen Wellenfronten in den verschiedenen Bereichen des Gefäßes möglichst klein wird.

In den Zeichnungen zeigt:

F i g. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkers,

F i g. 2 und 2 A Querschnitte von zwei Ausführungsformen des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 entsprechend eier Schnittlinie 2-2,

F i g. 3 einen Längsschnitt des in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Gasrohres,

F i g. 4 einen Querschnitt des in F i g. 3 gezeigten optischen Verstärkers entlang der Schnittlinie 4-4,

F i g. 5 ein Diagramm der wichtigsten Energiestufen von Helium und Neon, welche das selektiv fluoreszente Medium eines Ausführungsbeispiels bilden, und

F i g. 6, 7 und 8 die wichtigsten Energiestufen von Argon, Krypton und Xenon, welche als Medien in optischen Verstärkern nach der Erfindung verwendet werden können.

In F i g. 1 ist ein optischer Sender oder Verstärker entsprechend der Erfindung gezeigt, der ein durch ein zylindrisches Rohr 11 und transparente Endplatten 12

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einrichtungen lassen die Möglichkeit zu, daß sich das Um die Erzielung einer Besetzungsumkehr ausRohr 11 während des Betriebs des Gerätes ausdehnen reichender Größe zu erreichen, die zu einer selektiven und zusammenziehen kann, ohne daß der Abstand Fluoreszenz führt, muß das Energiestufensystem der und die Ausrichtung zwischen den Platten 12 und 13 Elektronen eines Gases einer Anzahl Bedingungen beeinflußt wird. Wenn beispielsweise das gesamte Gerät 5 genügen. So muß die obere Stufe eines optischen durch äußere, an den Ringen 17 und 22 angebrachte Verstärkermediums einen großen Anregungsquer-Befestigungsmittel getragen wird, kann die Aus- schnitt für die Elektronen aufweisen. Das bedingt im richtung der Platte 12 mit Hilfe einer Mikrometer- allgemeinen, daß die obere Stufe optisch fest mit dem schraube 24 eingestellt werden, wobei sich der Ring 14 Grundzustand gekoppelt ist oder daß sie wenigstens um ein Gelenk 26 dreht. Bei dem in F i g. 1 gezeigten io optisch über eine Änderung des Elektronenspins Ausführungsbeispiel beeinflußt die Stellschraube 24 die gekoppelt ist. Weiterhin muß die untere Stufe des vertikale Ausrichtung der Platte 12. Eine ähnliche Mediums einen kleinen Anregungsquerschnitt für die Anordnung (nicht gezeigt) am anderen Ende des Elektronen besitzen. Das bedingt im allgemeinen, daß Gerätes beeinflußt die horizontale Ausrichtung der die untere Stufe nicht strahlend durch kräftige Über-Platte 13. Eine Vielzahl Elektroden 27, die das Rohr 11 15 gänge in den Grundzustand zurückfallen darf. Die umgeben und an eine Hochfrequenzquelle 28 an- untere Stufe muß jedoch eine hohe Übergangswahrgeschlossen sind, sind vorgesehen, um eine elektrische scheinlichkeit auf vom Grundzustand abweichende Entladung im gasförmigen Medium zu erzeugen. Stufen besitzen. Es wird tatsächlich für undurchführ-

Ein bekannter optischer Sender oder Verstärker mit bar gehalten, die erforderliche Besetzungsumkehr aufgasförmigem selektiv fluoreszentem Medium oenutzt 20 rechtzuerhalten, wenn die Gesamtzahl der von der eine Mischung von Helium und Neon, deren Energie- unteren Stufe ausgehenden Übergänge die Gesamtzahl zustandssystem schematisch in F i g. 5 gezeigt ist. Bei der spontanen Übergänge von der oberen in die untere einem solchen optischen Helium-Neon-Verstärker er- Stufe nicht übersteigt.

zeugt eine hochfrequente Energiequelle eine elektrische Eine weitere Bedingung für die Energiestufen des Entladung und damit die Anregung der Gasmischung. 25 selektiv fluoreszenten Mediums besteht darin, daß die Die erzeugten freien Elektronen stoßen mit den Helium- Übergangswahrscheinlichkeit zwischen der oberen atomen zusammen und bringen sie in die 2³S-Stufe und unteren Stufe zu den höchsten' Teilübergangs-(LS-Nomenklatur), deren Energie im wesentlichen Wahrscheinlichkeiten für vom oberen Zustand ausmit der der 2s-Stufen von Neon (Paschenbezeichnung) gehende Übergänge zählen muß. Das bedeutet, daß übereinstimmt. Wegen der Übereinstimmung dieser 30 die Verstärkung für Frequenzen, die diesen Über-Energiezustände ist der Stoßquerschnitt zwischen gangen entsprechen, für einen gegebenen Wert der He(2³S) und Ne sehr groß, und Energie wird leicht Umkehrung am größten sein wird. Diese Bedinvon Helium zum Neon übertragen. Gleichzeitig gung bestimmt die bevorzugten Übergänge innerstoßen einige freie Elektronen der Entladung mit halb eines gegebenen Paares angeregter Zustands-Neon-Atomen zusammen und bringen diese in Energie- 35 gruppen.

zustände oberhalb des Grundzustandes. Auf diese Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß die

Weise werden einige Neon-Atome aus dem Grund- Besetzung der metastabilen ls-Stufen von Neon

zustand in die 2s-Stufen gebracht. Das Ergebnis dieses dadurch auf einem sehr kleinen Wert gehalten werden

Vorganges besteht darin, daß die Besetzungsumkehr kann, daß eine große Zahl von Zusammenstößen

zwischen den 2s- und den 2p-Stufen erhöht wird. Die 40 zwischen im 1 s-Zustand befindlichen Neon-Atomen

selektive Fluoreszenz ergibt sich durch angeregte und den festen Wänden der gasgefüllten Kammer

Übergänge aus der 2s- in die 2p-Stufe, welche optisch ermöglicht wird. Es wird angenommen, daß solche

zueinander in Beziehung stehen. Die Besetzung der Zusammenstöße eine Verminderung der Besetzung

2p-Stufen wird hauptsächlich durch strahlende Über- der metastabilen Energiestufe durch eine Übertragung

gänge in die metastabilen ls-Stufen herabgesetzt, was 45 von Anregungsenergie an die Wand selbst oder mög-

zu einer wesentlichen Erhöhung deren Besetzung licherweise auch durch eine Ablösung eines angeregten

führt. Elektrons von dem Gasteilchen erreicht wird, so ciaß

Es wurde gefunden, daß einige Zusammenstöße ein freies Elektron und ein positives Ion erzeugt werden,

zwischen freien Elektronen und Neon-Atomen eine Unter Ausnutzung dieser Wechselwirkung kann

Anregung derselben aus den metastabilen ls-Stufen 50 erreicht werden, daß eine Anzahl Gase, für die keine

in die 2p-Stufen bewirkt. Es läßt sich erkennen, daß Hilfsgase bekannt sind, die oben erläuterten Bedin-

dieser Vorgang zu einer Herabsetzung der Größe der gungen erfüllen.

Besetzungsumkehr zwischen den 2s- und den 2p-Stufen Die Zahl der ionisierenden Stöße zwischen den

führt. Die relativen Wahrscheinlichkeiten der beiden Wänden und Gasteilchen im metastabilen Zustand

Anregungsarten, die sich aus direkten Zusammen- 55 ist dann optimal, wenn der Abstand zwischen den

stoßen zwischen freien Elektronen und Neon-Atomen Wänden etwa gleich der mittleren freien Weglänge

ergeben, sind so gelagert, daß eine selektive Fluores- der Teilchen ist. Für Rohre von optischen Gasmedien,

zenz in reinem Neon bis jetzt nicht erzielt werden deren Innendurchmesser größer als das Optimum ist,

konnte. Bisher wurde selektive Fluoreszenz in Neon wurde gefunden, daß die Verstärkung je Längenein-

nur mit Hilfe einer Resonanzübertragung von Energie 60 heit annähernd dem Kehrwert des Durchmessers

eines Hilfsgases, beispielsweise Helium, erreicht, das proportional ist. Dabei soll unter »Verstärkung« die

eine obere Energiestufe aufweist, die etwa mit den mittlere Verstärkung über den Durchmesser des

2s-Stufen von Neon übereinstimmt. Ähnliche, un- Gasrohres verstanden werden. Im allgemeinen sind

erwünschte Stoßvorgänge haben bisher auch bei dieser die für eine maximale Verstärkung je Längeneinheit

optischen Verstärkerart die Verwendung von Gasen, 65 erforderlichen Durchmesser unbequem klein und

wie beispielsweise Argon, Krypton und Xenon, ver- liegen in der Größenordnung einiger weniger Milli-

hindert, für die noch kein geeignetes Hilfsgas ge- meter. Da das in einem solchen Rohr enthaltene

funden wurde. Volumen des selektiv fluoreszenten Mediums sehr

klein ist, ist die gesamte Ausgangsleistung stark eingeschränkt.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten optischen Verstärker wird eine verhältnismäßig hohe Verstärkung je Längeneinheit und verhältnismäßig hohe Ausgangsleistung erzielt, indem ein Gasrohr 11 mit einem Durchmesser verwendet wird, der wesentlich größer ist, als es bisher für wünschenswert gehalten wurde. Bei früheren, in der Literatur beschriebenen Geräten

in der Platte 31 weisen einen Durchmesser auf, der etwa gleich der mittleren freien Weglänge der Teilchen ist, die mit der Oberfläche in Wechselwirkung treten sollen, und der Abstand der Platten 31 ist ent-5 sprechend groß gewählt. F i g. 4 zeigt eine als geeignet befundene Anordnung der in den Platten 31 vorgesehenen Öffnungen, die so zueinander ausgerichtet sind, daß sie hintereinanderstehen und auf diese Weise eine Vielzahl zwischen den Fenstern 12

wurden beispielsweise Gasrohre mit Durchmesser io und 13 gradlinig verlaufender Lichtwege bilden. Bei zwischen 1 und 2 cm benutzt. Entsprechend den diesem Ausführungsbeispiel wird eine Kopplung der Prinzipien der Erfindung kann jedoch das Rohr 11 Teile der optischen Wellenfront in erster Linie durch einen vielmals größeren Durchmesser besitzen, vor- die Beugung der Lichtwellen an den zwischen den ausgesetzt, daß Maßnahmen vorgesehen sind, um Fenstern 12 und 13 angeordneten Spalten und an den Zusammenstöße unerwünschter metastabiler Teilchen 15 diesen am nächsten stehenden Platten 31 erreicht, obmit einer festen Fläche zu fördern. Zu diesem Zweck ist wohl eine gewisse Beugungskopplung auch an den eine Vielzahl von als lamellenartige Einsätze dienenden Spalten zwischen benachbarten perforierten Platten Rippen 29 an der Innenwand des Rohres 11 ange- der Anordnung auftritt.

bracht, die sich in radialer Richtung zur Mitte hin Erfindungsgemäß kann eine selektive Fluoreszenz

erstrecken. Vorzugsweise sind der Abstand zwischen 20 eines gasförmigen Mediums erreicht werden, das im den Oberflächen benachbarter Rippen etwa gleich wesentlichen aus reinem Neon besteht. Bei einem Ausder mittleren freien Weglänge der Teilchen im meta- führungsbeispiel unter Verwendung von Neon bei staoilen Zustand, dessen Besetzung verringert werden einem Druck zwischen 0,1 und 0,3 Torr weisen die soll. inneren Flächen des Gasrohres vorteilhafterweise

Um die Anregung der erforderlichen elektrischen 25 einen etwa 2 mm großen Abstand auf. Wenn auch Entladung im gesamten Volumen des Rohres 11 zu der optimale Abstand sehr dicht bei der freien Wegerleichtern, wird es für wünschenswert gehalten, daß länge von in metastabilen Zuständen befindlichen die durch die Rippen 29 definierten, verschiedenen Neon-Atomen liegt, ist ein Betrieb möglich, wenn der Volumensegmente untereinander verbunden sind, um Abstand zwei-, drei- oder viermal so groß ist wie die so das Eindringen freier Elektronen und sonstiger 30 mittlere freie Weglänge. Im allgemeinen wird es für Teilchen, die in der Lage sind, die Anregungsenergie wünschenswert erachtet, daß der Abstand nicht zu übertragen, zu ermöglichen. Die elementaren größer ist als etwa das Vierfache der mittleren freien Volumensegmente sollten außerdem so miteinander Weglänge der Teilchen, die mit den festen Flächen verbunden sein, daß sie eine feste Kopplung kohärenter im Inneren des Rohres in Wechselwirkung treten optischer Wellenfronten über den Durchmesser des 35 sollen.

Gasrohres fördern. F i g. 2 stellt einen Querschnitt Die selektiv fluoreszenten Übergänge in reinem

des das Medium aufnehmenden Rohres nach F i g. 1 Neon sind die gleichen wie in einem He-Ne-System. entlang der Schnittlinie 2-2 dar und zeigt eine bevor- Weiterhin kann eine Anzahl von 2s — 2p-Übergängen zugte Anordnung der Rippen 29. Benachbarte Rippen in einem Argon, Krypton und Xenon unter den richhaben unterschiedliche Längen, so daß der optimale 40 tigen Bedingungen verwendet werden. Übergänge Abstand benachbarter Flächen beim Zusammenlaufen in diesen Gasen, die den oben erläuterten Bedingungen zur Mitte des Rohres 11 beibehalten wird. Die Rippen
29 verlaufen in Längsrichtung des Rohres 11, so daß
ein Lichtstrahl auf einem geraden Weg zwischen den
Endplatten 12 und 13 durch das Rohr laufen kann. 45
Außerdem sind die Rippen 29 sehr dünn, so daß sie
nur eine sehr kleine Fläche senkrecht zur Lichtstrahlrichtung zeigen. In Fig. 2A ist eine andere Anordnung von Rippen gezeigt. In Längsrichtung des
Rohres 11 erstieckt sich eine Vielzahl Rippen 29, die 50
den richtigen Abstand voneinander aufweisen und
parallel zueinander verlaufen. Die Rippen 29 sind in
der Mitte unterbrochen, so daß sie eine zentrale
Öffnung für den oben erläuterten Zweck bilden. Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen das 55
Rohr 11 und die Rippen 29 aus einem Material,
beispielsweise aus geschmolzenem Quarz, das gegen
thermische Beanspruchungen widerstandsfähig ist
und an das gasförmige Medium keine Verunreinigungen abgibt. 60

Die in den F i g. 2 und 2 A gezeigte Rippenanordnung ermöglicht eine enge Kopplung aller Teile der optischen Wellenfront während aes Durchlaufens derselben durch das Rohr 11. Bei einem in F i g. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel wird die erfin- 65 dungsgemäß erforderliche Wechselwirkungsfläche durch eine Vielzahl im Abstand angeordneter, perforierter siebartiger Platten 31 gebildet. Die Öffnungen

genügen, sind zusammen mit ihren Wellenlängen in der Reihenfolge abnehmender Übergangswahrscheinlichkeiten in der Tabelle zusammengestellt.

Tabelle I

	<	Übergang	;.Luft (Mikrometer)
		2s₂ — 2p₃	1,3008
		2s₂ —2p₂	1,3368
		2s₄ — 2p₈	1,2456
Argon		2s₄ — 2p ₇ 2s₃ —2p₄	1.3231 1,2933
		2s₆ — 2p„	1,2488
		2s_s —2p₆	1,3826
		2s₅ — 2p_]0	1,0673
		2s₂ — 2p₂	1,3883
		2s₂ — 2p₃	1,3833
		2s₄ —2p₈	1,3177
Krypton		2s₄ — 2p₇ 2s₃ — 2p₄	1,4427 1,3338
		2s₅ — 2p₉	1,3634
		2s₅ — 2p_e	1,5372
	2s₅ — 2p₁₀	1,1819

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Xenon

Übergang

2s₂ — 2p₃
2s_a — 2p₂
2s₄ — 2p₉
2s₄ —2p₇
2s₃ — 2p₄
2s₅ —2p₈
2s₅ — 2p₆
2s₅—2p₁₀

λ Luft
(Mikrometer)

1,7731
1,5329
1,3657
1,5418
1,3617
1,4733
1,6728
1,2623

Die auswertbaren Bereiche des Energiestufensystems von Argon, Krypton und Xenon sind in den F i g. 6, 7 und 8 gezeigt. Der wesentliche Vorgang, der die verschiedenen Werte der Besetzungsumkehr bei jedem dieser Gase einschränkt, ist der gleiche wie der oben im einzelnen für das System mit reinem Neon beschriebene, d. h., daß Zusammenstöße zwischen Elektronen und im metastabilen Zustand Is befindliche Gasatome zu einer erhöhten Besetzung der 2p-Stufen führen. Erfindungsgemäß wird die Besetzung der ls-Stufe dadurch verringert, daß feste Wechselwirkungsflächen innerhalb des Gasrohres in einem solchen Abstand angeordnet werden, daß Zusammenstöße mit den metastabilen Teilchen begünstigt werden. Geeignete Gasdrücke liegen im Bereich von etwa 0,05 bis 0,2 Torr vor. Der optimale Abstand der Wände beträgt etwa 2 mm.

Es sind zahlreiche Abweichungen und Abänderungen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann ein weiteres selektiv fluoreszentes Medium mit zwei Gasen aus einer Mischung von Neon und Sauerstoff bestehen. Eine Besetzungsumkehr zwischen den 3³p- und 3 ³S-StUfen von atomarem Sauerstoff (LS-Nomenklatur) wird in einem zweistufigen Verfahren erzeugt. Der erste Schritt besteht in der Erzeugung des meta-. stabilen Anregungszustandes 4πμ des 0₂+-Moleküls. (Der Buchstabe π soll andeuten, daß es sich um einen metastabilen p-Zustand handelt, μ hat die Werte 1, 2 ... ). Das scheint das Ergebnis sowohl von Stoßen der Elektronen als auch von Zusammenstößen mit Neon-Atomen im metastabilen ls-Zustand zu sein. Der Grundzustand von O₂ ⁺ ist ein 2jr-Zustand. Der 4?t-Zustand von O₂ ⁺ ist metastabil und wird in erster Linie durch Zusammenstöße zerstört. Wegen der Nähe dieser Stufe zu den 3³p- und 3⁶p-Stufen atomaren Sauerstoffs besteht die größte Wahrscheinlichkeit für einen Zerfallmechanismus aus einem Zusammenstoß des Anregungszustandes O₂ ⁺ mit einem Elektron. Das Ergebnis ist atomarer Sauerstoff, der sich entweder im 3³p- oder im 3⁵p-Zustand befindet, und ein Sauerstoffatom im Grundzustand.

Der 3³p-Zustand wird mit größerer Häufigkeit erzeugt, und es kann eine selektive Fluoreszenz zwischen dieser Stufe und der Stufe 3³S erreicht werden, die fest mit dem Grundzustand von atomarem Sauerstoff verbunden ist. Dieser Übergang findet bei 8446 Ä statt.

Claims

Patentansprüche:

1. Geometrische Ausgestaltung des Reaktionsraumes für selektive Fluoreszenz eines optischen Senders oder Verstärkers mit einem zylindrischen Gefäß mit Einbauten, in dem sich ein gasförmiges, selektiv fluoreszentes Medium befindet und mit Mitteln zur Hochfrequenzanregung des Mediums, gekennzeichnet durch eine Vielzahl sieb- oder lamellenartiger Einsätze (29, 31), die innerhalb des Reaktionsraumes im Gefäß angeordnet sind, als ausgedehnte Wechselwirkungsflächen für einen gezielten Energieaustausch im Kontakt mit dem gasförmigen Medium dienen und die einen Abstand voneinander aufweisen, der annähernd gleich der mittleren freien Weglänge der Gasteilchen im Medium oder bis zu und einschließlich einem größeren Vielfachen davon ist.

2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsflächen einen Abstand voneinander besitzen, der ein- bis viermal so groß ist wie die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen des Mediums, die sich im zu unterdrückenden Anregungszustand befinden.

3. Optischer Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sieb- oder lamellenartigen Einsätze (29, 31) zur örtlichen Unterdrückung unerwünschter Anregungszustände eine kleine Querschnittsfläche in einer quer zum Weg der Lichtstrahlen verlaufenden Ebene aufweisen, und daß die Wechselwirkungsflächen in der Lage sind, die Kopplung zwischen optischen Wellenfronten in den verschiedenen Abschnitten des Wegs für die Lichtstrahlen zu erleichtern.

4. Optischer Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsflächen aus einer Vielzahl Rippen (29) bestehen, die von der zylindrischen Begrenzung des Gefäßmantels nach innen vorstehen und sich parallel zum Weg der Lichtstrahlen erstrecken.

5. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkungsflächen aus einer Vielzahl im Abstand angeordneter perforierter Platten (31) bestehen, und daß die Öffnungen benachbarter Platten in Richtung der optischen Achse hintereinander ausgerichtet sind, so daß sie in dieser Richtung freien Durchtritt gewähren.

6. Optischer Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium im wesentlichen aus Neon besteht.

7. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium im wesentlichen aus Argon besteht.

8. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium im wesentlichen aus Krypton besteht.

9. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium im wesentlichen aus Xenon besteht.

10. Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium im wesentlichen aus einer Mischung aus Neon und Sauerstoff besteht.

11. Verfahren zur Unterdrückung unerwünschter Anregungszustände innerhalb des gasförmigen

- ·.: λ Λ:· 409 557/224

selektiv fluoreszenten Mediums eines optischen Verstärkers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einsätze in den Reaktionsraum eingebracht werden, die ausgedehnte Wechselwirkungsflächen für einen ge-

zielten Energieaustausch des Mediums eines optischen Verstärkers darstellen.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 851 652, 2 929 922.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Bundesdruckerei Berlin