DE2824087A1

DE2824087A1 - RAMAN LASER

Info

Publication number: DE2824087A1
Application number: DE19782824087
Authority: DE
Inventors: Norman Alan Kurnit
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1978-12-14
Also published as: GB1587992A; CA1089066A; FR2401538A1; JPS54994A

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. " 8000 MÜNCHEN 22PATENT Attorney DIPL-ING. "8000 MUNICH 22

KARL H. WAGNER ". gewORZMUHLSRASSE 5KARL H. WAGNER ". GewORZMUHLSRASSE 5

POSTFACHP.O. BOX

2^240872 ^ 24087

1 . Juni 1978 78-R-31381 . June 1978 78-R-3138

United States Department of Energy, Washington, I).C. 2054 5, V.St.A.United States Department of Energy, Washington, I) .C. 2054 5, V.St.A.

RamanlaserRaman laser

Die Erfindung bezieht sich auf die Verschiebung von CO„-Laserstrahlung unter Verwendung von Rotations-Ramanresonanzen in H~ und D₂. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Infratrotlaser und insbesondere auf die stimulierte Ramanstreuung unter Verwendung von RotationsÜbergängen in einem zweiatomigen Molekulargas. The invention relates to the shifting of CO 2 laser radiation using rotational Raman resonances in H 1 and D ₂ . The invention relates generally to infrared lasers and, more particularly, to stimulated Raman scattering using rotational transitions in a diatomic molecular gas.

Es wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die Frequenzen üblicher Laserausgangsgrößen im IR-Spektrum zu verschieben. Solche Verfahren sind beispielsweise in den folgenden US-Patentanmeldungen beschrieben: US S.No. 787,415 vom 14. 4. 1977 von Richard Begley u.A. mit dem Titel "Resonantly Enhanced Four-Wave Mixing" und US S.No. 466,583 vom 2. Mai 1974 von C. D. Cantrell u.A. mit dem Titel "Infrared Laser System".Various methods have already been proposed to shift the frequencies of conventional laser output variables in the IR spectrum. Such methods are described, for example, in the following US patent applications: US S.No. 787,415 dated April 14, 1977 by Richard Begley et al. entitled "Resonantly Enhanced Four-Wave Mixing" and US S.No. 466,583 of May 2, 1974 by C. D. Cantrell et al. entitled "Infrared Laser System".

Bei jedem dieser Systeme und anderen bereits bekannten Systemen für die IR-Frequenzverschiebung auf einen breiten Frequenzbereich sind der einfache Aufbau und der Gesamtwirkungsgrad wichtige Faktoren bei der wirtschaftlichen Ausnutzung der Vorrichtung. Durch Minimierung der für die Frequenzverschiebung erforderlichen Stufen, wie beispielsweise die Eliminierung des Raman-Spin-Flip-Lasers gemäß US Serial No. 466,583 kann die Vorrichtung vereinfacht werden, um die komplizierteren Systemen innewohnenden Probleme zu reduzieren.In each of these systems and other previously known systems for IR frequency shifting to a wide range of frequencies The simple structure and the overall efficiency are important factors in the economic utilization of the device. By minimizing the steps required for frequency shifting, such as eliminating the Raman spin flip laser according to US Serial No. 466,583, the device can be simplified to accommodate the more complex systems inherent in it Reduce problems.

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TELEFON. (0B9) 298527 TELEGRAMM; PATLAW MÜNCHEN TLlEX 5 2203'J p.ilw ,1PHONE. (0B9) 298527 TELEGRAM; PATLAW MUNICH TLlEX 5 2203'J p.ilw, 1

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Da der stimulierte Ramaneffeckt in einem einzigen Schritt mit hohen Konversionswirkungsgraden erzeugt werden kann, erzeugt die Ramanverschiebung einer CO.,-Laserausgangsgröße hohe Gesamtwirkungsgrade wegen der hohen Wirkungsgrade und der gut entwickelten Technologie der CO.,-Laser. Jedoch macht die Ramanverstärkung in einem gasförmigen Medium, wie beispielsweise H._; oder D.,, im Infrarotbereich Schwellenleistungen zur stimulierten Ramanstreuung erforderlich, die nahe der üurchbruchsschwelle des zweiatomigen Molekulargases für die Einzeldurchgang-fokussierte-Geometrie liegen, wie dies in folgender Literaturstelle vorgeschlagen wurde: Robert L. Byer in einem Artikel "A 16 Micronieter Source for Laser Isotope Enrichment" in IEEE .J. of Quantum Electronics, Band (JE 12-732-733, von November 1976.Since the stimulated Raman efect can be generated in a single step with high conversion efficiencies, the Raman shift of a CO., Laser output produces high overall efficiencies because of the high efficiencies and the well-developed technology of the CO., Lasers. However, Raman amplification in a gaseous medium such as H _.; or D. ,, in the infrared range, stimulated Raman scattering threshold powers are required which are close to the breakthrough threshold of the diatomic molecular gas for the single-pass focused geometry, as suggested in the following reference: Robert L. Byer in an article "A 16 Micronieter Source for Laser Isotope Enrichment "in IEEE .J. of Quantum Electronics, Volume (JE 12-732-733, November 1976.

Zusammenfassung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachheile und Einschränkungen des Standes der Technik und erzeugt eine verbesserte Vorrichtung zur Verschiebung der Infrarotstrahlung unter Verwendung von Rotations-Ramanresonan-/.en in einem zv/ei atom igen Molekulargas. Die Erfindung verwendet eine Kapi 1 larwel lenf iihrung (Wellenleiter) in Verbindung mit einem Resonator, um in beträchtlicher Weise die Schwellenintensitäten zu reduzieren, die durch die Einzeldurchgangs-fokussiertecJeometrie erforderlich sind. Der Kapillarwellenleiter gestattet auch die Verwendung von Linsen mit kurzer Fokallänge oder Brennweite, um maximale Intensität zu erzeugen, ohne eine Beschädigung der dichroischen Spiegel odor Wechselwirkungs-Zullenfenster hervorzurufen. Da der Resonator niedrigere Verstärkungsparameter infolge der Mehrfachoszillationen im Laserhohlraum gestattet, wird die Vorrichtungsgröße beträchtlich reduziert und die Arbeitsweise wird innerhalb der Begrenzungen der Durchbruchsschwelle des gasförmigen Mediums sichergestellt. Ferner verwendet die Erfindung die Zirkularpolarisation zur Vergrößerung der Ramanverstärkung und Restrahlreflektivität zur Reduzierung von Wellenführungsverlusten. Summary of the invention. The present invention overcomes the remedies and limitations of the prior art and creates an improved device for displacing the Infrared radiation using rotational Raman resonans in one atomic molecular gas. The invention uses a Kapi 1 larwel lenf iihrung (waveguide) in connection with a resonator to significantly reduce the threshold intensities caused by the single pass focused geometry required are. The capillary waveguide also allows the use of lenses with a short focal length or focal length, to generate maximum intensity without damaging dichroic mirrors or interaction zero windows to evoke. Since the resonator allows lower gain parameters due to the multiple oscillations in the laser cavity, the device size is reduced considerably and the operation becomes within the confines of the breakthrough threshold of the gaseous medium ensured. The invention also uses circular polarization to increase Raman gain and residual radiation reflectivity to reduce waveguide losses.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine VorrichtungThe invention has set itself the goal of a device

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vorzusehen, um eine Verschiebung über einen breiten Frequenzbereich im Infrarotspektrum vorzusehen. Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung anzugeben, um die Verschiebung über einen breiten Bereich von IR-Frequenzen vorzusehen, die in ihrem Betrieb einfach und außerordentlich wirkungsvoll ist. Die Erfindung sieht ferner eine Vorrichtung vor, um die stimulierte Ramanstreuung in einem zweiatomigen Molekulargas vorzusehen.to provide a shift over a wide frequency range to be provided in the infrared spectrum. The invention aims to provide a device to the displacement over a Broad range of IR frequencies to be used in their operation is simple and extremely effective. The invention also provides an apparatus for the stimulated Raman scattering to be provided in a diatomic molecular gas.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit eine Vorrichtung zur Verschiebung der Frequenz der Infrarotstrahlung von einem CO„-Laser durch stimulierte Ramanstreuung in entweder H„ oder D„ vor. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung einen H^-Ramanlaser mit dichroischen Spiegeln auf, die für 16 Mikrometer Strahlung reflektiv und für 10 Mikrometer Strahlung durchlässig sind, und zwar sind diese Spiegel an entgegengesetzten Enden einer Wechselwirkungszelle angeordnet. Die Wechselwirkungszelle enthält ein zweiatomiges Molekulargas, wie beispielsweise entweder H~ oder D^ und eine Kapillarwellenführung angeordnet innerhalb der Zelle. Ein flüssiger Stickstoffmantel ist um die Kapillarwellenführung zum Zwecke der Kühlung vorgesehen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Eingangs-CO -Strahlung zirkulär polarisiert,und zwar unter Verwendung einer Fresnel-Rhombus- /4-Platte, und zwar angelegt an die Wechselwirkungszelle von wesentlich größerer Länge für einen Einzeldurchgangsbetrieb.In summary, the invention thus provides a device for shifting the frequency of the infrared radiation from a CO 2 laser by stimulated Raman scattering in either H "or D" before. According to a preferred embodiment, the device has a H ^ -Raman laser with dichroic mirrors that for 16 micrometers radiation reflective and for 10 micrometers Radiation are transparent, namely these mirrors are arranged at opposite ends of an interaction cell. the Interaction cell contains a diatomic molecular gas, such as either H ~ or D ^ and a capillary wave guide arranged inside the cell. A liquid nitrogen jacket is around the capillary wave guide for the purpose of Cooling provided. In a further embodiment, the input CO 2 radiation is circularly polarized, namely below Use of a Fresnel rhombus / 4 plate, namely laid out to the interaction cell of much greater length for single pass operation.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:Further advantages, objectives and details of the invention emerge in particular from the claims and from the description of embodiments based on the drawing; in the drawing shows:

Fig. 1 den Ramanlaser des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;1 shows the Raman laser of the preferred embodiment the invention;

Fig. 2 eine Abwandlung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Fig. 1;FIG. 2 shows a modification of the preferred embodiment of FIG. 1;

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Fig. 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel.3 shows an alternative embodiment.

Fig. 1 zeigt den das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung bildenden Ramanlaser. Die CO_-Eingangsstrahlung 10 wird dem räumlichen oder Spatial-Filter 12 zugeführt, um "heiße Flecken" aus der räumlichen Intensität des Strahls zu entfernen, was die mögliche Schädigung verschiedener Spiegel und Fenster des Ranianosziallator verhindert. Der räumlich gefilterte Strahl wird durch Spiegel 14 reflektiert und durch Linse 16 durch den dichroischen (Zweifarben-) Spiegel 18 in die Wechselwirkungsoder Interaktionszelle 20 fokussiert. Die dichroischen Spiegel 18 und 20 übertragen die durch die (^-Strahlungsquelle erzeugte 10 Mikrometer Infrarotstrahlung und reflektieren fast die ganze frequenzverschobene Strahlung erzeugt innerhalb der Wechselwirkungszelle 20 durch das stimulierte Ramanstreuen aus Rotationsübergängen eines zweiatomigen (diatomischen) Molekulargases, wie beispielsweise H₀ oder D₀. Eine kapillare Wellenführung 22 ist innerhalb der Wechselwirkungszelle 20 derart positioniert, daß das durch die Wechselwirkungszelle 20 über Gaseinlaß 26 und Gasauslaß 28 fließende zweiatomige Molekulargas innerhalb der Kapillarwellenführung 22 enthalten wird. Ein aus flüssigem Stickstoff bestehender Mantel 24 umgibt die Primärlänge der kapillaren Wellenführung 22 und bewirkt die kryogene Kühlung des zweiatomigen Molekulargases zur Aufrechterhaltung der Grundzustandspopulation. Die kapillare Wellenführung 22 ist an einem Ende verjüngt, um die Ablösung oder Wegsprühung des Wellenführungsmaterials zu verhindern, wenn Infrarotstrahlung von der Infrarot-CO--Strahlungsquelle aufgebracht wird. Die kapillare Wellenführung 22 kann aus Pyrex oder Quarz oder entweder MgO oder Al₀O-, bestehen, um Verluste als Folge der Restrahl-Reflektivität dieser Materialien bei den gewünschten IR-Frequenzen zu reduzieren. Ein LiF-Restrahl-Filter 32 reflektiert die frequenzverschobene Strahlung, die durch Linse 34 auf ein 14 Mikrometer bis 17 Mikrometer Filter 36 fokussiert wird. Ein HgCdTe- oder ein anderer Infrarot-Type-Detektor 38 wird zur Feststellung des Vorhandenseins gewünschterFig. 1 shows the Raman laser forming the preferred embodiment of the invention. The CO_ input radiation 10 is fed to the spatial or spatial filter 12 in order to remove "hot spots" from the spatial intensity of the beam, which prevents possible damage to various mirrors and windows of the Ranian oscillator. The spatially filtered beam is reflected by mirror 14 and focused by lens 16 through dichroic (two-color) mirror 18 into interaction cell 20. The dichroic mirrors 18 and 20 transmit the 10 micrometer infrared radiation generated by the (^ radiation source and reflect almost all of the frequency-shifted radiation generated within the interaction cell 20 by the stimulated Raman scattering from rotational transitions of a diatomic (diatomic) molecular gas, such as H ₀ or D ₀ A capillary wave guide 22 is positioned within the interaction cell 20 such that the diatomic molecular gas flowing through the interaction cell 20 via gas inlet 26 and gas outlet 28 is contained within capillary wave guide 22. A jacket 24 made of liquid nitrogen surrounds the primary length of capillary wave guide 22 and provides cryogenic cooling of the diatomic molecular gas to maintain the ground state population Capillary waveguide 22 is tapered at one end to prevent detachment or spraying of the waveguide material when Infr red radiation from the infrared CO radiation source is applied. The capillary wave guide 22 may be made of Pyrex or quartz or either MgO or Al ₀ O-, exist in order to reduce losses as a result of Restrahl reflectivity of these materials at the desired IR frequencies. A residual LiF filter 32 reflects the frequency-shifted radiation, which is focused by lens 34 onto a 14 micrometer to 17 micrometer filter 36. An HgCdTe or other infrared type detector 38 becomes more desirable for determining the presence

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Spektrallinien verwendet.Spectral lines used.

Im Betrieb arbeitet die Vorrichtung der Fig. 1 als ein Ramanoszillator, bei welchem der kapillare Wellenleiter 22 die fokale Wechselwirkungs- oder Interaktionslänge L durch die Länge der Kapillare 22 vergrößert. Die stimulierte Ramanstreuung wird durch Rotationsübergänge des zweiatomigen molekularen Gases initiiert. Frequenzverschobene Strahlung,erzeugt durch Ramans trahlung, oszilliert innerhalb des optischen Hohlraums des Ramanlasers, definiert durch dichroische Spiegel 18 und 30, und ein Teil dieser Energie wird vom Oszillatorhohlraum über partiell reflektierende dichroische Spiegel 30 emittiert. Die Fokalwechselwirkungslänge wird daher um so viele Male vergrößert wie die frequenzverschobene Strahlung die Länge des kapillaren Wellenleiters (Wellenführung) traversiert. Diese hohe Vergrößerung der Fokalwechselwirkungslänge (L) erhöht den exponentiellen Verstärkungsfaktor (e^ ) um eine Größe, die ausreicht, um Verluste zu überwinden und um ein frequenzverschobenes Ausgangssignal zu erzeugen.In operation, the device of Fig. 1 operates as a Raman oscillator, in which the capillary waveguide 22 has the focal interaction length L by the length the capillary 22 is enlarged. The stimulated Raman scattering is caused by rotational transitions of the diatomic molecular gas initiated. Frequency shifted radiation, generated by Ramans radiation, oscillates within the optical cavity of the Raman lasers, defined by dichroic mirrors 18 and 30, and some of this energy is emitted from the oscillator cavity via partially reflective dichroic mirrors 30. the Focal interaction length is therefore increased by as many times as the frequency-shifted radiation increases the length of the capillary Waveguide (wave guide) traversed. This large increase in the focal interaction length (L) increases the exponential Gain factor (e ^) by a magnitude that is sufficient to avoid losses to overcome and to generate a frequency shifted output signal.

Für den Betrieb in einer solchen Vorrichtung geeignete zweiatomige Molekulargase sind sowohl D- als auch H₂- Stimulierte Ramanstreuung aus Rotationsübergängen von H₉ ergeben eine Abdeckung über den Bereich 13/5 bis 18 Mikrometer unter Verwendung des 354 cm S (0)-Übergangs und von 20 bis 30 Mikrometer unter Verwendung des 587 cm S (1)-Übergangs. Rotationsübergänge von D₀ ergeben eine Deckung von 11 Mikrometer bis 14 Mikrometer unter Verwendung des 179 cm S (0)-Übergangs, 12,6 Mikrometer bis 16,9 Mikrometer unter Verwendung des 298 cm ^s _Oo^¹^~ Übergangs und 14,7 Mikrometer bis 21 Mikrometer unter Verwendung des 415 cm S (2)-Übergangs. Mit einem abstimmbaren Hochdruck C0„-Laser unter Verwendung von entweder D₂ oder H₂ kann jede Wellenlänge im Bereich von 11 Mikrometer bis 30 Mikrometer durch Ramanlaserwirkung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden.Diatomic molecular gases suitable for operation in such a device are both D and H ₂ - Stimulated Raman scattering from rotational transitions of H ₉ gives coverage over the range 13/5 to 18 micrometers using the 354 cm S (0) transition and from 20 to 30 microns using the 587 cm S (1) transition. Rotational transitions from D ₀ give coverage from 11 microns to 14 microns using the 179 cm S (0) transition, 12.6 microns to 16.9 microns using the 298 cm ^s _O o ^ ¹ ^ ~ transition, and 14, 7 microns to 21 microns using the 415 cm S (2) transition. With a tunable high pressure CO ₂ laser using either D 2 or H ₂ , any wavelength in the range from 11 micrometers to 30 micrometers can be generated in the device according to the invention by Raman laser action.

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Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Fig. 1, bei der eine Fresnel-Rhombus-A/4-platte zwischen dem Spatialfilter 12 und der Fokussieroptik 16 eingefügt ist. Die Fresnel-Rhombus-fy4-Platte 44 dient zur zirkulären Polarisierung der Infrarotstrahlung 10 aus der Infrarot-CCU-Strahlungsquelle. Wenn die zirkulär polarisierte Strahlung an die Wechselwirkungszelle 20 angelegt wird, so vergrößert sie die Ramanverstärkung und reduziert die Anti-Stokes-Erzeugung in den zweiatomigen Molekulargas.FIG. 2 shows a modification of the preferred exemplary embodiment of FIG. 1, in which a Fresnel rhombus ¼ plate is inserted between the spatial filter 12 and the focusing optics 16. The Fresnel rhombus fy4 plate 44 is used for circular Polarization of the infrared radiation 10 from the infrared CCU radiation source. When the circularly polarized radiation is applied to the interaction cell 20, it magnifies increases the Raman gain and reduces the anti-Stokes generation in the diatomic molecular gas.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel,bei welchem CO₂~IR-Strahlung 46 durch Fresnel-Rhombus-λ/4-Platte 52 zirkulär polarisiert wird und an eine Einzeldurchgang-Wechselwirkungszelle 72 angelegt wird. Die Einzeldurchgang-Wechselwirkungszelle weist eine merhere Meter lange Kapillare 64 auf, und zwar angeordnet innerhalb der Wechselwirkungszelle 72, die das gewünschte zweiatomige Molekulargas C~ oder H„ enthält. Die Kapillare wird durch einen flüssigen Stickstoff enthaltenden Kühlmantel oder Trog G8 gekühlt, um die Grundzustandspopulation im zweiatomigen Molekulargas aufrechtzuerhalten. Ein flaches Fenster wird an Stelle eines Brewster-Winkelfensters wegen der Zirkularpolarisation der IR-Strahlung verwendet. Die Verwendung zirkulär polarisierten Lichtes im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist besonders notwendig, um die Konkurrenz von der Anti- Stokes-Erzeugung zu reduzieren. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird die Wechselwirkungslänge erzeugt durch Verlängerung der Länge der Kapillare 64 und nicht durch Mehrfachdurchgänge im Ramanoszillator, wie dies bei den Vorrichtungen der Fig. 1 und 2 erreicht wird.3 shows an alternative embodiment in which CO ₂ IR radiation 46 is circularly polarized by Fresnel rhombus λ / 4 plate 52 and applied to a single-pass interaction cell 72. The single pass interaction cell has a several meter long capillary 64, located within the interaction cell 72, which contains the desired diatomic molecular gas C 1 or H 2. The capillary is cooled by a cooling jacket or trough G8 containing liquid nitrogen to maintain the ground state population in the diatomic molecular gas. A flat window is used in place of a Brewster angle window because of the circular polarization of the IR radiation. The use of circularly polarized light in the embodiment of FIG. 3 is particularly necessary in order to reduce the competition from the anti-Stokes generation. In the embodiment of FIG. 3, the interaction length is generated by lengthening the length of the capillary 64 and not by multiple passes in the Raman oscillator, as is achieved in the devices of FIGS. 1 and 2.

Die Erfindung sieht somit ein Mittel vor, um den exponentiellen Verstärkungsfaktor (e^ ) in hinreichender Weise zu erhöhen, um Verluste im Molekulargas zu überwinden und stimulierte ramangestreute, frequenzverschobene Strahlung aus Rotationsübergängen zu erzeugen. Die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele haben den Vorteil großer Einfachheit und eines einstufigen Betriebs zur Erzeugung eines weiten Frequenzbereichs im Infrarot-Spektralbereich. The invention thus provides a means to increase the exponential gain factor (e ^) in a sufficient manner, to overcome losses in the molecular gas and stimulated Raman-scattered, to generate frequency-shifted radiation from rotational transitions. The embodiments of the invention have the advantage of great simplicity and single-stage operation to generate a wide frequency range in the infrared spectral range.

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"μ""μ"

Zusammenfassend sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Verschiebung der Frequenz infraroter Strahlung eines CO₂-Lasers durch stimulierte Ramanstreuung in entweder H„ oder D₂ vor. Die Vorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist einen H^-Ramanlaser auf mit dichroischen Spiegeln, die für 16 Mikrometer Strahlung reflektierend und für 10 Mikrometer Strahlung durchlässig sind und die an entgegengesetzten Enden einer Wechselwirkungszelle angeordnet sind. Die Wechselwirkungszelle enthält ein zweiatomiges Molekulargas, beispielsweise entweder H oder D_, und ein kapillarer Wellenleiter ist innerhalb derIn summary, the invention provides a device for shifting the frequency of infrared radiation of a CO ₂ laser by stimulated Raman scattering in either H ₁ or D 2. The device according to the preferred embodiment has a H ^ Raman laser with dichroic mirrors which are reflective for 16 micrometers of radiation and transmissive for 10 micrometers of radiation and which are arranged at opposite ends of an interaction cell. The interaction cell contains a diatomic molecular gas, for example either H or D_, and a capillary waveguide is inside the

Zelle angeordnet. Ein aus flüssigem Stickstoff bestehender Mantel ist um den Kapillarwellenleiter zum Zwecke der Kühlung angeordnet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Eingabe-CO--Strahlung zirkulär polarisiert, und zwar unter einer Fresnel-Rhombus-A/4-platte,und die Strahlung wird an die Wechselwirkungszelle von wesentlich größerer Länge für einen Einzeldurchgangsbetrieb angelegt.Cell arranged. A jacket made of liquid nitrogen is arranged around the capillary waveguide for the purpose of cooling. According to a further embodiment, the input is CO radiation circularly polarized, under a Fresnel rhombus ¼ plate, and the radiation is sent to the interaction cell of much greater length designed for a single pass operation.

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-η*-η *

L ν. β r S e i I eL ν. β r S ei I e

Claims

PatentansprücheClaims

1. Ramanlaser zur Frequenzverschiebung infraroter Strahlung von einer infraroten Strahlungsquelle, gekennzeichnet durch eine ein zweiatomiges Molekulargas enthaltende Wechselwirkungszelle (2O)₇ einen innerhalb der Wechselwirkungszelle angeordneten Kapillarwellenleiter (22), dichroische Mittel (18 und 30) angeordnet an jedem Ende der Wechselwirkungszelle zur primären Reflexion frequenzverschobener Strahlung und primären Übertragung der Infrarotstrahlung von der Infrarotquelle, wobei der Kapillarwellenleiter (22) die Fokalwechselwirkungslänge zwischen der Infrarotstrahlung von der Infrarotstrahlungsquelle und dem zweiatomigen Molekulargas vergrößert, um Verluste zu überwinden und stimulierte ramangestreute, frequenzverschobene Strahlung aus Rotationsübergängen in dem zweiatomigen Molekulargas zu erzeugen. 1. Raman laser for frequency shifting infrared radiation from an infrared radiation source, characterized by an interaction cell (2O) containing a diatomic molecular gas ₇ a capillary waveguide (22) arranged within the interaction cell, dichroic means (18 and 30) arranged at each end of the interaction cell for primary reflection frequency shifted radiation and primary transmission of the infrared radiation from the infrared source, wherein the capillary waveguide (22) increases the focal interaction length between the infrared radiation from the infrared radiation source and the diatomic molecular gas to overcome losses and to generate stimulated ram-scattered frequency-shifted radiation from rotational transitions in the diatomic molecular gas.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein räumliches Filter mit der Infrarotstrahlungsquelle ausgerichtet ist, und daß Mittel zur Fokussierung der Infrarotstrahlung von der Infrarotquelle vorgesehen sind, und wobei diese Fokussiermittel eine kurze Brennweite besitzen, um die Strahlungsintensität innerhalb des kapillaren Wellenleiters zu maximieren, ohne bei den dichroischen Mitteln eine Fensterschädigung hervorzurufen. 2. Laser according to claim 1, characterized in that a spatial filter is aligned with the infrared radiation source and that means are provided for focusing the infrared radiation from the infrared source, and said focusing means have a short focal length in order to maximize the radiation intensity within the capillary waveguide, without causing window damage with the dichroic agents.

3. Laser nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare eine MgO-Kapillare aufweist, und zwar mit Restrahl-Reflektivität zur Verminderung von Verlusten.3. Laser according to claim 1 and / or 2, characterized in that the capillary has an MgO capillary, namely with residual beam reflectivity to reduce losses.

4. Laser nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare eine Al„O.,-Kapillare aufweist, und zwar mit einer Restrahl-Reflektivität zur Verminderung von Verlusten.4. Laser according to claim 1 and / or 2, characterized in that the capillary has an Al "O., - Capillary, namely with a residual beam reflectivity to reduce losses.

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5. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare kryogen gekühlt ist, um die Grundzustandpopulation des zweiatomigen Molekulargases aufrechtzuerhalten.5. Laser according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 1, characterized in that that the capillary is cryogenically cooled to maintain the ground state population of the diatomic molecular gas.

6. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlungsquelle ein CO^-Laser mit veränderbarer Frequenz ist.6. Laser according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 1, characterized in that that the infrared radiation source is a CO ^ laser with changeable Frequency is.

7- Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare eine MgO-Kapillare aufweist mit einer Restrahl-Reflektivität zur Verminderung von Verlusten.7- laser according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 2, characterized in that that the capillary has an MgO capillary with a residual beam reflectivity to reduce losses.

8. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare eine Al.,0 -Kapillare mit einer Restrahl-Reflektivität zur Verminderung der Verluste aufweist.8. Laser according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 2, characterized in that that the capillary is an Al., 0 capillary with a residual beam reflectivity to reduce losses.

9. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare kryogen gekühlt ist, um die Grundzustandpopulation des zweiatomigen Molekulargases aufrechtzuerhalten.9. Laser according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 2, characterized in that that the capillary is cryogenically cooled to maintain the ground state population of the diatomic molecular gas.

10. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlungsquelle ein CO_?-Laser mit veränderbarer Frequenz ist.10. Laser according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 2, characterized in that the infrared radiation source is a CO _? -Laser with variable frequency is.

11. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweiatomige Molekül H- aufweist.11. Laser according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 1 or 2 or 3 or 4, characterized in that the diatomic molecule has H-.

12. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweiatomige Molekül D~ aufweist.12. Laser according to one or more of the preceding claims, in particular according to claim 1 or 2 or 3 or 4 or 5, characterized in that the diatomic molecule D ~ has.

809850/091 3809850/091 3

ORlG-MAL !NSPECTEDORIG-MAL! NSPECTED

- +θ· -3> 2824U87 - + θ · - 3> 2824U87

13. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Zirkularpolarisieren der Infrarotstrahlung zur Erhöhung der Ramanverstärkung und Reduzierung der Anti-Stokes-Erzeugung innerhalb des kapillaren Wellenleiters.13. Laser according to claim 1, characterized by means for Circularly polarizing the infrared radiation to increase the Raman gain and reduce the anti-Stokes generation within of the capillary waveguide.

14. Vorrichtung zur Erzeugung stimulierter Ramanstreuung aus Rotationsübergängen in zweiatomigem Molekulargas zur Frequenzverschiebung infraroter Strahlung,erzeugt durch eine Infrarot-Laserquelle, gekennzeichnet durch eine das zweiatomige Molekulargas enthaltende Wechselwirkungszelle, innerhalb der Wechselwirkungszelle angeordnete Kapillarwellenführungsmittel zur Erhöhung der fokalen Wechselwirkungslänge, Mittel zur Zirkularpolarisierung der Infrarotstrahlung zur Erhöhung der RamanverStärkung und Verminderung der Anti-Stokes-Erzeugung innerhalb der kapillaren Wellenführung, wodurch die erwähnte fokale Wechselwirkungslänge innerhalb der kapillaren Wellenführung hinreichend vergrößert wird, um die Verluste zu überwinden, und um stimulierte ramangestreute, frequenzverschobene Strahlung aus Rotationsübergängen in dem Molekulargas zu erzeugen, und zwar in einem einzigen Durchgang der Infrarotstrahlung durch die Kapillarwellenführung.14. Device for generating stimulated Raman scattering from rotational transitions in diatomic molecular gas for Frequency shift of infrared radiation, generated by a Infrared laser source characterized by an interaction cell containing the diatomic molecular gas inside capillary wave guide means arranged in the interaction cell to increase the focal interaction length, means for circular polarization of the infrared radiation to increase it the Raman gain and the decrease in anti-Stokes generation within the capillary waveguide, whereby the mentioned focal interaction length within the capillary Waveguide is enlarged sufficiently to overcome the losses and to stimulate ram-scattered, frequency-shifted Generate radiation from rotational transitions in the molecular gas, in a single pass of the Infrared radiation through the capillary wave guide.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Mittel zur Fokussierung der Infrarotstrahlung an einem Ende der kapillaren Wellenführung mit einer Intensität, die ausreicht, um frequenzverschobene Infrarotstrahlung zu erzeugen.15. The device according to claim 14, characterized by Means for focusing the infrared radiation at one end of the capillary waveguide with an intensity sufficient to generate frequency shifted infrared radiation.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Mittel zur kryogenen Abkühlung der kapillaren Wellenführungsmittel zur Aufrechterhaltung der Grundzustandspopulatioji in dem zweiatomigen Molekulargas.16. The device according to claim 14, characterized by means for cryogenic cooling of the capillary shaft guiding means to maintain the ground state populations in the diatomic molecular gas.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel zur kryogenen Abkühlung der kapillaren'Wellenführungsmittel zur Aufrechterhaltung der Grundzustandpopulation in dem diatomischen Molekulargas.17. The device according to claim 15, characterized by means for cryogenic cooling of the capillary wave guide means to maintain the ground state population in the diatomic molecular gas.

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18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenführungsmittel eine MgO-Kapillare aufweisen,
die eine Restrahl-Reflektivität zur Verminderung der Verluste besitzt.18. The device according to claim 14, characterized in that the shaft guide means have an MgO capillary,
which has a residual beam reflectivity to reduce losses.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillaren Wellenführungsmittel eine Al-O^-Kapillare aufweisen, die eine Restrahl-Reflektivität zur Verminderung der Verluste besitzt.19. The device according to claim 14, characterized in that the capillary wave guide means an Al-O ^ capillary have, which has a residual beam reflectivity to reduce the losses.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Raumfiltermittel zur Eliminierung von heißen Flecken in der räumlichen Intensität der Infrarotstrahlung.20. Apparatus according to claim 14, characterized by spatial filter means to eliminate hot spots in the spatial intensity of infrared radiation.

21. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zweiatomige Molekulargas H₂ ist.21. The device according to claim 14, characterized in that the diatomic molecular gas is H ₂ .

22. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dai3 das zweiatomige Molekulargas D ist.22. The device according to claim 14, characterized in that D is the diatomic molecular gas.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotlaserquelle einen abstimmbaren CO-j-Laser aufweist.23. Apparatus according to claim 21 or 28 or 29, characterized in that the infrared laser source has a tunable Has CO-j laser.

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