DE1960776B2 - Passiver Güteschalter - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen passiven Güteschalter
(Q-Schalter) mit einem ausbleichbaren Schaltgas für den optischen Resonator eines optischen Senders
(Laser) mit CO2 als stimulierbarem Medium, wobei
innerhalb des optischen Resonators noch zusätzlich ein Filtergas unerwünschte Strahlung absorbiert.
Aus einem Aufsatz in Appl. Phys. Letters, Bd. 12, Nr. 3 vom 1. 2.1968, S. 58 bis 61, ist ein optischer
Sender (Laser) mit CO2 als stimulierbarem Medium bekanntgeworden, bei dem innerhalb des optischen
Resonators eine Zelle angeordnet ist. die gasförmige Ameisensäure als Schaltgas enthält. Die gasförmige
Ameisensäure ist bei einer Wellenlänge von 9,2 μπι
wirksam. In einer zweiten, innerhalb des optischen Resonators angeordneten Zelle ist Propylen enthalten,
das als Schaltgas für 10,6 μπι geeignet ist, in Verbindung
mit der Ameisensäure jedoch dazu verwendet wird, um die Strahlungsemission durch Absorption
der größeren Wellenlängen auf 9,2 μΐη zu verschieben.
Die bekannte Anordnung ermöglicht also nur ein Arbeiten des optischen Senders bei 9,2 um und erfordert
im übrigen durch die Istallation von mehreren Zellen mit ihren Fenstern für den Strahlendurchtritt einen erheblichen
baulichen Aufwand.
Durch Veröffentlichungen von Wo ο d u. a. in Appl. Phys. Letters, Bd. 11, Nr. 3 vom 1. August 1967,
S. 88 und 89, und Appl. Phys. Letters, Bd. 12, Nr. 8 vom 15. 4.1968, S. 263 bis 265, ist weiterhin ein optischer
Sender mit passiver Q-Schaltung bekannt, in dessen optischem Resonator eine Zelle mit gasförmigem
Schwefel(VI)-Fluorid als Schaltgas und außerdem ein Streuprisma angeordnet sind. Bei diesem optischen
Sender dient das Streuprisma dazu, Nebenschwingungen des CO2-Senders bei Wellenlängen zu unterdrücken,
die von 10,6 am abweichen. Bei diesem bekannten optischen Sender ist ein beträchtliches Abblenden des
Resonators erforderlich, um die erforderliche Spektralauflösung für das Schalten und die Phasenkopplung
zu erzielen, wodurch allgemein die Ausgangsleistung des optischen Senders vermindert wird. Weiterhin erfordert
auch hier die Anwendung eines Schaltgases und eines Streuprismas sowie das Abblenden des Resonators
einen erheblichen baulichen Aufwand.
Endlich ist aus JETP Letters, Bd. 7, Nr. 5 vom 5. 3.1968, S. 134 bis 136, ein CO2-Sender mit passiver
Q-Schaltung bekannt, bei dem als Schaltgas eine Mischung von Fluortrichlorid (BCI3) und Luft, Helium
oder Ammonium L(NH3) verwendet wird. Insbesondere
das Ammonium bewirkt eine deutliche Verbesserung
der Schaltwirkung des BCl3, was darauf beruht,
daß Ammonium bei 10,5 um eine stärke Absorptionslinie
»nil sehr kleiner Relaxationszeit aufweist und ofL-nsichtlich
eine sehr wirksame Resonanzübertragung von. Schv/ingungsenergie durch einen Zusammenstoß von
angeregten BCI3-MoleküIen mit nicht angeregten NH3-Molekülen
stattfindet, die von einer sehr s. tinellcn
ίο Pelaxation der NH3-Mcleküle in den Grundzustand
gefolgt wird. Bei dein Ammonium handelt es sich infolgedessen
nicht um ein Filiergas, sondern vielmehr um ein bei der anzuregenden Wellenlänge wirksames
Ü3S, das zusammen mit dem BCi3 ein als Schaltgas
wirkendes Gasgemisch bildet.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen passiven Güteschalter für einen CO2-Sender
zu schaffen, der ein Arbeiten des CO2-Senders
mit einer Wellenlänge von 10,6 μπι ermöglicht und sich
durch einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch
gelöst, daß das Schaltgas in an sich bekannter Weise aus Schwefel(VI)-Fluorid (SF6) besteht und diesem
Schaltgas ein Filtergas Chlortrifluoräthylen (C2F3Cl)
innerhalb ein und derselben Zelle beigegeben ist.
Bei dem erfindun^ »gemäßen passiven Güteschalter wird also zwar als Schaltgas Schwefel(VI)-Fluorid verwendet,
das bei der gewünschten Wellenlänge von 10,6 μτη sehr wirksam ist, jedoch werden Nebenschwingungen
des CO2-Senders bei von 10,6 μηι abweichenden
Wellenlängen nicht durch ein Streuprisma unterdrückt, sondern durch die Anwendung von Chlortrifluoräthylen,
das bei den Wellenlängen der Nebenschwingungen des CO2-Senders absorbierend wirkt,
jedoch bei 10,6 μπι durchlässig ist. Dabei wird das als
Chlortrifluoräthylen verwendete Filtergas nicht in einer besonderen Zelle angeordnet, sondern dem Schaltgas
in ein und derselben Zeile beigegeben. Auf diese Weise wird ein stark vereinfachter Aufbau eines solchen
Güteschalters erzielt, obwohl sich der erfindungsgemäße Güteschalter gerade durch seine besonders
hohe Wirksamkeit auszeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben und erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Art Blockdiagramm eines optischen Senders mit einem passiven Güteschalter nach der
Erfindung,
F i g. 2 die Absorptionsspektren des als Filtergas verwendeten Chlortrifluoräthylen und des als Schaltgas
verwendeten Schwefel(Vlj-Fluorid,
F i g. 3 das Diagramm eines regelmäßigen Zuges von durch Q-Schalter gewonnenen Impulsen des optischen
Senders nach F i g. 1,
F i g. 4 das Diagramm des Ausgangssignals eines optischen CO2-Senders unter Verwendung der nach
der Erfindung vorgesehenen Gasmischung und
F i g. 5 einen einzelnen Impuls des Diagramms nach F i g. 3 in größerer zeitlicher Auflösung.
Die folgenden Beispiele sind typisch für die Anwendung eines optischen Senders mit CO2 als stimulierbarem
Medium für Ortungen, zur Objektbeleuchtung, Signalgabe, Lichtübertragung und andere Zwecke,
die Impulse einer ausgewählten, kohärenten Strahlung mit hoher Folgefrequenz verlangen, während ein solcher
optischer Sender mit molekularem Gasmedium, wenn er frei laufend (ohne Phasenkopplung) mit der
gleichen Durchschnittsleistung betrieben wird, außer
den ausgewählte» Schwingungen auch Nebenschwingungen
erzeugt. Wie in F i g, \ schematisch dargestellt, weist dieser optische Sender ein Hartginsrohr 10
von 2 m Länge und 1.45 cm Durchmesser auf, das mit einem Kühlwassermantel versehen und an seinen beiden
Enden mit üblichen Salzfenstern II und 12 verschlossen
ist, die unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet sind. Das in dem Hiiitglasrohr 10 enthaltende CO.>
wird über einen nicht näher dargestellten Streufeld-Transformator angeregt, der von der Art ist, wie sie
ain-h zur Anregung von Neon-Leuchtschriftröhren
verwendet wird, und einen Strom von bis zu 60 mA bei 15 kV liefert. Der optische Resonator für das
passive Q-SchaJten wird auf einer Seite von einem sphärischen Spiegel 13 mit eintm Krümmungsradius
von 5 m begrenzt, der dicht ynit Gold beschichtet ist.
Auf der anderen Seite wird er von dem zum Auskoppein
dienenden Spiegel 14 begrenzt, der aus einer planparallelen Bariumfiuorid-Scheibe besteht, die mit einer
dielektrischen ZnS-Schicht bedeckt ist, deren Dicke dem Viertel einer Wellenlänge gleich ist und die bei
10,6 μπι ein Reflexionsvermögen von S3°o aufweist.
Die Zelle 15 wird von einem gasdichten, lichtdurchlässigen Aluminiumzylinder von 2,5 cm Durchmesser
und 7,6 cm Länge umschlossen und weist an ihren Enden lichtdurchlässige Fenster auf. Der Zylinder
kann getrennt für sich als unabhängige, geschlossene und lichtdurchlässige Zelle mit einer eingeschlossenen,
geeigneten Gasmischung für einen gegebenen optischen Sender hergestellt und am Ausgangsende des optirchen
Resonators in diesen eingebaut werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zelle 15 fest
eirgebaut und mit Salzfenstern 15' verschlossen, die unter dem Brewsterschen Winkel angeordnet sind. Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist die Zelle auch nicht gasdicht abgeschmolzen, sondern es wurde die Zelle 15
mit einem Gaseinlaß 16 und einem Gasauslaß 17 versehen, damit verschiedene Mischungen von ausbleichbarem
Schaltgas und Filtergas untersucht werden können. Mit einer an den Gaseinlaß 16 angeschlossenen
Hauptleitung 16' ist ein Druckmesser 18 verbunden. Der Zufluß der Gasmischung wird mit Hilfe eines
Regelventils 19 in der Hauptleitung 16' gesteuert. Der Gasauslaß 17 ist über ein Steuerventil 20 und
eine Leitung 21 mit einer geeigneten, üblichen Saugpumpe verbunden, die nicht näher dargestellt ist.
Die Zufuhr der Schalt- und Filtergase erfolgt mit Hilfe von Auslaßventilen 22 und 23, die Behälter 24
bzw. 25 mit der Hauptleitung 16' verbinden. Der Behälter 24 enthält ein ausbleichbares Schaltgas I, nämlieh
Schwefel(Vl)-Fluorid (SF6), wogegen der Behälter 25 ein Filtergas II, nämlich Chlortrifluoräthylen,
enthält. Diese Gase sind, wie schematisch angedeutet, in handelsüblichen Druckflaschen enthalten
und werden in dem gewünschten Verhältnis in der Hauptleitung 16' gemischt.
Das nach der Erfindung als Filtergas II verwendete CjF3Cl hat ein einzigartiges selektives Absorptionsspektrum,
das Strahlungen mit allen Wellenlängen absorbiert, für die der optische CO2-Sender eine effektive
Verstärkung aufweist, ausgenommen bei 10,6 μηι. Dadurch unterdrückt das Filtergas Π alle unerwünschten
Schwingungen, während das als Schaltgas I verwendete SF8 gerade bei einer Wellenlänge von 10,6 μπι
ausbleichbar ist.
Wenn auch zunächst eine Mischung von Schaltgas I und Filtergas II in einem willkürlichen Verhältnis für
emittierende Übergänge, für die eine wirksame Verstärkung besteht und die für ein passives Q-Schalten
und eine Phasenkopplung bei der gewünschten Wellenlänge unterdrückt werden müssen, erprobt werden
kann, so sind letztlich doch für einen COä-Sender und
ein passives (5-Schalten bei 10,6 μιη die folgenden
Bedingungen zu beachten:
00cl ->
02a0 R-2 bei 9,2 μπι,
00°1 ~> 02°0 P-2 bei 9,6 μπι,
0O0I -> 10c0 R-2 bei 10,2 μιη.
00°1 ~> 02°0 P-2 bei 9,6 μπι,
0O0I -> 10c0 R-2 bei 10,2 μιη.
Wie in F i g. 2 dargestellt, hat das als Filtergas II
verwendete C2F3Cl ein starkes Absorptionsband, das
den Bereich von 9,0 bis 9,7 μπι überdeckt und die Schwingungen in den 00°l — 02°0-Bändern unterdrückt.
Dieses Filtergas hat außerdem ein schwächeres Absorptionsband, das sich von 9,7 bis 10,4 μηι
erstreckt und genügend stark ist, um Schwingungen bei 10,2 am zu unterdrücken. Das Filtergas Tl ist jedoch
im wesentlichen bei 10 6 μιη durchlässig, also bei der Wellenlänge, bei der mit dem als Schaltgas I
verwendeten SF6 ein optimales g-Schalten und eine
Phasenkopplung erzielt wird.
Eine passive Q-Schaltung und Phasenkopplung der
Ai-sgangsstrahlung eines CO2-Senders wurde mit einer
Zelle erreicht, die eine Mischung von C2F3Cl als
Filtergas II und SF6 als Schaltgas 1 im Verhältnis von
20:1 unter einem Gesamtdruck von 4 Ton enthielt und das übliche Streuprisma ersetzte. Diese Gasmischung
erzeugte das in den F i g. 3 und 5 dargestellte Ausgangssignal des optischen Senders. Wenn
die Durchschnittsleistung des optischen Senders 1 W betrug und in der Zelle keine Gase enthalten waren,
ergab sich ein kreisförmiger Strahlenquerschnitt mit einem Durchmesser von etwa 2 mm. Die Leistungsdichte
betrug demnach 60 W/cm'2 und war ausreichend, um das Schaltgas I auszubleichen. Wenn bei
der oben beschriebenen Anordnung nur das Filtergas II in der Zelle 15 enthalten war, wurde bei einem
Druck bis zu 50 Torr kein Verlust an Ausgangsleistung beobachtet. Wenn das Schaltgas I in dieser
Zelle verwendet wurde, verschob sich die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung des optischen Senders
auf 9,6 ;un, ohne daß ein merklicher Leistungsverlust
eintrat. Wenn das Filtergas II und das Schaltgas I in der Zelle 15 im Verhältnis von 20:1 bei einem Gesamtdruck
von etwa 4 Torr enthalten waren, zerbrach das Ausgangssignal des optischen Senders in eine Serie von
Impulsen hoher Intensität, wie es F i g. 3 zeigt, und es sank die Durchschnittsleistung auf 0,9 W ab. Die
Jmpulsfolgefrequenz betrug 20 kHz und die Impulsspitzenleistung
etwa 180W. F i g. 4 veranschaulicht das Ausgangssignal eines frei arbeitenden optischen
Senders, dessen Ausgangsstrahlung während der halben Arbeitszeit vorliegt. Der Leistungsmaßstab beträgt
2 λΥ/'cm und der Zeitmaßstab 2 ms/cm.
F i g. 5 zeigt einen einzelnen, durch Q-Schalten mit
Hilfe der obenerwähnten Gasmischung im Verhältnis von 20:1 erzeugten Impuls in größerer Auflösung. Der
vertikale Maßstab beträgt 50 W/cm und der horizontale Maßstab 0,5 μβ/οπι. Die Breite des Impulses bei
halber Leistung beträgt etwa 0,5 μ%. Unter Verwendung dieses Wertes als Impulsbreite und einer Spitzenleistung
von 180 W in Verbindung mit der Tatsache, daß der optische Sender nur während der Hälfte der
Arbeitszeit in Tätigkeit ist, ergibt sich eine berechnete Durchschnittsleistung von 0,9 W, was mit der gemessenen
Leistung übereinstimmt.
Mit Hilfe von SF? als Schaltgas und C2F8Cl als Filtergas
wurde auch eine passive Phasenkopplung eines CO2-Senders vorgenommen. In diesem Fall hatte das
CO2 enthaltende Rohr des Senders eine Entladungslänge von 4,3 m, und es war der optische Resonator
15 m lang. Dieser Resonator hatte einen Abstand benachbarter axialer Eigenschwingungen von 10 MHz
und innerhalb der Doppler-Linienbreite von 50 MHz der CO2-Moleküle fünf Eigenschwingungen. Es wurden
mit einer Mischung von SF„ und C2F3CI in der
Versuchszelle Impulse mit einer Folgefrequenz von 10 MHz erzielt.
Die vorstehenden Ausführungen haben gezeigt, daß die Erfindung eine Methode angibt, die ein passives
ß-Schalten und eine Phasenkopplung optischer Sender zur Erzeugung von Impulsen kohärenter Strahlung mit
hoher Impulsfolgefrequenz ermöglicht, bei der die gleiche Durchschnittsleistung erzielt wird wie beim
Dauerstrichbetrieb, und die zugleich zu einem sehr einfachen Aufbau des optischen Senders führt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- i 960 776Patentanspruch:Passiver Güteschalter (Q-Schalter) mit einem ausbleichharen Schaltgas für den optischen Resonator eines optischen Senders (Laser) mit Cöä als stimulierbarem Medium, wobei innerhalb des optischen Resonators noch zusätzlich ein Fiitergas unerwünschte Strahlung absorbiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltgas (I aus 24) in an sich bekannter Weise aus Schwefel(VI)-Fluorid (SF6) besteht und diesem Schaltgas ein Filtergas Chlortrifluoräthylen (C2F3Cl) (II aus 25) innerhalb ein und derselben Zelle (15) beigegeben ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |