DE3525689C1

DE3525689C1 - Verfahren und Einrichtung zum Betrieb eines mit einer Protonenuebertragungsreaktion arbeitenden Farbstoff-Lasers

Info

Publication number: DE3525689C1
Application number: DE3525689A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dipl.-Chem. 3400 Göttingen Ernsting
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1985-07-18
Filing date: 1985-07-18
Publication date: 1986-10-30
Also published as: JPS6222493A; US4807237A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es beispielsweise aus der Literaturstelle J. Chem. Phys., Vol.88, 1984, S.4596-4599 bekannt ist. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Laser, bei denen eine Protonenübertragungsreaktion zum Erzeugen einer für die Laseremission erforderlichen Besetzungsinversion ausgenützt wird, sind z. B. aus den Veröffentlichungen »Proc. Natl. Acad. Sei, USA«, Bd. 80, S. 1767-1770, März 1983, Chemistry und »J. Phys. Chem. 1984,88, S. 4596—4599, bekannt. Es handelt sich hier um Farbstoff-Laser im weiteren Sinne. Die Protonenübertragungsreaktion kann zwischen einem Lösungsmittel und einem gelösten Farbstoff (intermolekularer Protonenübergang) oder im Farbstoff selbst (innermolekularer Protonenübergang) stattfinden. Der Begriff »Farbstoff« wird hier, wie in der Laserphysik üblich, unabhängig von den Absorptionseigenschaften der betreffenden Substanz im sichtbaren Spektralbereich verwendet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, ein Verfahren zum Betrieb eines mit einer Protonenübertragungsreaktion arbeitenden Farbstoff-Lasers anzugeben, mit dem kurze Farbstofflaserimpulse erzeugt werden können, deren Dauer wesentlich kürzer als die des anregenden Pumpstrahlungsimpulses und im wesentlichen unabhängig von der Pumpstrahlungsimpulsdauer ist.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sowie Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Systeme, in denen eine Protonenübertragungsreaktion stattfinden kann, nicht nur als Laserfarbstoffe, sondern auch als »Schaltfarbstoffe« verwendet werden können. Unter einem »Schaltfarbstoff« soll hier ein chemisches System der oben angegebenen Art bezeichnet werden, welches eine Laseremission bereits nach kurzer Zeit zu unterdrücken, d. h. »abzuschalten« vermag. Der Schaltfarbstoff kann dabei, wie noch näher erläutert werden wird, gleichzeitig als Laserfarbstoff oder zusätzlich zu einem solchen verwendet werden. Im zweiten Falle besteht die Funktion des Schaltfarbstoffes darin, die Verstärkung des aktiven Mediums während des optischen Pumpens des eigentlichen Laserfarbstoffes zeitlich zu begrenzen.

Durch das vorliegende Verfahren kann in überraschend einfacher Weise ein einzelner kurzer Farbstoff-Laserimpuls erzeugt werden, ohne daß an die Gesamtdauer des Pumpstrahlungsimpulses besondere Anforderungen gestellt werden müssen. Unter einem »kurzen Farbstofflaserimpuls« soll hier ein Laserstrahlungsimpuls verstanden werden, der mittels eines optisch gepumpten, einen Farbstoff in Lösung oder als Dampf enthaltenden Farbstofflasers erzeugt wird und eine Dauer von weniger als 200 ps hat.

Das vorliegende Verfahren zeichnet sich gegenüber den bekannten Verfahren zum Erzeugen kurzer Farbstofflaserimpulse durch überraschende Einfachheit aus. Es werden weder aufwendige technische Einrichtungen, wie Kerr-Zellen, Pockels-Zellen, akustisch-optische Ablenkeinrichtungen, rotierende Prismen oder Spiegel und dergl. benötigt. Es sind keine aufwendigen Pumplaser wie beim sogenannten synchronen Pumpen erforderlich. Auch der Laserresonator braucht nicht besonders ausgestaltet zu sein, wie es bei der Erzeugung von kurzen Laserstrahlungsimpulses der Fall ist, bei denen in einem ersten Resonator geringer Güte eine Relaxationsschwingung erzeugt und die Inversion dann durch eine Laserschwingung in einem zweiten Resonator höherer Güte und längerer Resonator-Lebensdauer unter der Laserschwelle des ersten Resonators gehalten wird.

Im folgenden werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen.

Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Energiezustände eines typischen Laserschaltfarbstoffes, auf die bei der Erläuterung des Prinzips des vorliegenden Verfahrens Bezug genommen wird;

F i g. 2a und F i g. 2b Strukturformeln verschiedener Laserfarbstoffsysteme, die bei dem vorliegenden Verfahren Verwendung finden können;

F i g. 3 Strukturformeln von Farbstoffen, die in Kombination mit einem Lösungsmittel als Laserfarbstoffsysteme verwendet werden können;

F i g. 4, 5, 6 schematische Darstellungen von Einrichtungen zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Verstärkung im aktiven Medium des Lasers eine gewisse Zeitspanne nach Einsetzen des Pumpimpulses durch einen Farbstoff, der als Schaltfarbstoff bezeichnet werden soll, herabgesetzt wird. Wie bereits erwähnt, kann der Schaltfarbstoff gleichzeitig auch als Laserfarbstoff verwendet werden oder alternativ auch ausschließlich als Schaltfarbstoff, wobei dann die Laseremission durch einen eigenen Laserfarbstoff erfolgt. In beiden Fällen kann die Erzeu-

gung eines gegenüber dem Pumpimpuls kurzen Farbstofflaser-Impulses mit einer zeitlichen Begrenzung der Verstärkung im aktiven Medium erklärt werden.

Als Laser-Farbschaltstoffe können im Rahmen der Erfindung solche organische Verbindungen verwendet werden, die ein elektronisch konjugiertes Pi-Elektronensystem enthalten, welches ein integriertes Heteroatom mit einem einsamen n-Elektronenpaar aufweist und welches zudem mit einer Hydroxylgruppe substituiert ist. Dabei ist zu unterscheiden, ob die Hydroxyl- ίο gruppe oder -funktion in einer günstigen sterischen Anordnung hinsichtlich des Heteroatoms angeordnet ist oder nicht. Beispiele für beide Teilklassen sind in F i g. 2 und 3 dargestellt. Den Verbindungen beider Klassen ist gemeinsam, daß sich bei ihrer optischen Anregung in is den ersten angeregten Elektronenzustand die Bindungsordnungen und Ladungsdichten drastisch ändern. In der Folge findet eine Protonenübertragungsreaktion im elektronisch angeregten Zustand statt. Bei günstiger Orientierung der Hydroxylgruppe gegenüber dem Heteroatom (erste Klasse) ist dies ein innermolekularer Übergang des Hydroxyl-Protons zum Heteroatom. Im anderen Fall (zweite Klasse) besteht das Laserschaltfarbstoffsystem aus einem prototropen Lösungsmittel und einem in diesem gelösten Farbstoff. Hier findet im Zuge der Protonen-Übertragungsreaktion eine Abgabe des Hydroxyl-Protons des gelösten Farbstoffes an ein Lösungsmittelmolekül statt und außerdem wird vom Heteroatom des Farbstoffes ein anderes Proton von einem Lösungsmittelmolekül übernommen. Es sind bereits zahlreiche Protonen-Übertragungsreaktionen dieser Art untersucht worden; eine ausgezeichnete Übersicht geben die Veröffentlichungen von W. Klopfer, Adv. Photochem. 10, S. 311—358 (1977) und Huppert et al, Adv. Chem. Phys. 47, Pt 2, S. 643-679 (1981).

Fast alle Untersuchungen haben gezeigt, daß die eigentliche Protonenübertragung im angeregten Zustand sehr schnell, im allgemeinen mit Raten über 10¹¹S-¹ verläuft, falls die Reaktionspartner bereits im Grundzustand eine günstige Orientierung zueinander haben. Für Verbindungen mit innermolekularer Protonenübertragung ist diese Bedingung jedenfalls in aprotischen Lösungsmitteln und im Dampfzustand erfüllt, während sie für die anderen Verbindungen in prototropen Lösungsmitteln, wie Methanol, Äthanol o. ä. erfüllt ist. Im folgenden wird die Erfindung am Beispiel von Verbindungen erläutert werden, bei denen im angeregten Zustand ein innermolekularer Übergang eines oder mehrerer Protonen stattfindet. Aufgrund dieser Erläuterungen dürfte es jedoch dem Fachmann ohne weiteres klar sein, wie die gegebenen Lehren auf Farbschaltstoffsysteme anzuwenden sind, bei denen im angeregten Zustand Protonenübertragungsreaktionen mit einem Lösungsmittel stattfinden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Laser-Schaltfarbstoffe läßt sich wohl am einfachsten durch eine Beschreibung der auf die optische Anregung folgenden Energiedissipations-Prozesse erkären. Dies soll ohne Einschränkung am typischen Beispiel des 2-(2-Hydroxylphenyl)-Benzoxazol geschehen, dessen Energiezustände und Strukturformen in den verschiedenen Zuständen in F i g. 1 dargestellt sind.

Zu Beginn liegt das Molekül in seiner stabilen, normalen Grundzustandsform N vor. Durch optische Anregung mit Strahlung einer Wellenlänge von etwa 330 nm wird das Molekül in einen angeregten Zustand N* übergeführt, wie durch den langen, nach oben weisenden Pfeil 10 dargestellt ist. Eine Lichtemission von diesem Zustand aus ist unwahrscheinlich. Es wird vielmehr innerhalb weniger Pikosekunden das Proton der OH-Gruppe im Molekül unter Bildung eines angeregten tautomeren Moleküls im Zustand T* verschoben. Dabei wird wegen der niedrigeren energetischen Lage von T* Energie in Form von Wärme frei. Die Energie des entsprechenden Grundzustandes Γ der tautomeren Form liegt um etwa 63 kj oder mehr über der des Grundzustandes N der normalen Form. Infolgedessen ist die Wellenlänge der durch einen nach unten weisenden Pfeil 12 dargestellten Fluoreszenzstrahlung aus dem tautomeren Zustand T* wesentlich größer, z. B. ungefähr 500 nm, als die Wellenlänge der Strahlung, die für eine Fluoreszenz aus dem primär angeregten Zustand N* der Normalform zu erwarten wäre. Ferner gewinnt die strahlungslose Umwandlung der in T* gespeicherten elektronischen Energie in Wärme hier wesentlich an Bedeutung. Die Wahrscheinlichkeit des mit der Freisetzung von Wärme verbundenen strahlungslosen Übergangs von r*nach Γ nimmt außerdem mit der Temperatur stark zu. Die Lebensdauer des angeregten tautomeren Moleküls T* beträgt bei Raumtemperatur etwa 200 ps und beispielsweise bei einer um 50⁰C höheren Temperatur nur noch etwa 80 ps. Die Quantenausbeute für die weit Stokes-verschobene Tautomer-Fluoreszenz gemäß dem Pfeil 12 ist bei Raumtemperatur kleiner als 2%.

Das tautomere Molekül erreicht also durch Abgabe seiner Energie in Form von Fluoreszenz- bzw. Laserstrahlung 12 oder von Wärme seinen Grundzustand T. In einigen Fällen ist dieser Zustand instabil und das Proton fällt dann mit sehr kurzer Zeitkonstante wieder in seine ursprüngliche Ausgangslage entsprechend dem Grundzustand N der Normalform zurück. Verbindungen mit dieser Eigenschaft haben als UV-Stabilisatoren eine große kommerzielle Bedeutung, sie sind für die Zwecke der Erfindung jedoch nicht geeignet. Bei sehr vielen Verbindungen, die einer Protonenübertragung im angeregten Zustand fähig sind, ist der Grundzustand T der tautomeren Form jedoch vom Grundzustand N der normalen Form durch eine Energiebarriere oder -schwelle 14 getrennt, welche den Übergang von Γ nach N behindert. Der Zustand Γ ist dann metastabil, wobei die Lebensdauer bei Raumtemperatur mehr als 1 μβ betragen kann. Der metastabile Zustand T hat nun eine langwellige intensive Absorptionsbande, die der durch einen Pfeil 16 dargestellten Anregung von T nach T* entspricht. Sie ist als transiente Absorption des angeregten Laser-Schaltfarbstoffes zu beobachten. Bei dem anhand von F i g. 1 diskutierten Beispiel des 2-(2-Hydroxylphenyl)-Benzoxazols beträgt die charakteristische Anstiegszeit der transienten Absorption, also die »Auffülldauer« des Grundzustandes Tder tautomeren Form ca. 200 ps. Das spektrale Absorptionsmaximum liegt bei ca. 400 nm. Generell führt jedoch die Absorption von Licht mit einer Wellenlänge, die der transienten Absorption entspricht, nicht zu einem Übergang von 7*nach JV mit entsprechendem Protonenübergang, vielmehr wird wegen der geringen Fluoreszenz-Quantenausbeute der angeregten tautomeren Form T* im wesentlichen das bestrahlte Volumen aufgeheizt, was, wie erwähnt, zu einer Verkürzung der Lebensdauer des angeregten ZustandesT*führt.

Im folgenden soll nun erläutert werden, wie Systeme der oben diskutierten Art als Laser-Schaltfarbstoffe zur Erzeugung kurzer Laserimpulse verwendet werden können. Auch hier sei wieder auf F i g. 1 verwiesen, und es sei angenommen, daß sich der Farbstoff als laserakti-

ves Medium im optischen Resonator eines Farbstofflasers befindet. Die Resonatorlebensdauer sei so klein gewählt, daß Relaxations-Schwingungsimpulse der gewünschten kurzen Dauer angeregt werden können.

Durch optisches Pumpen mit einer Strahlung, die zweckmäßig (aber nicht notwendig) der längstwelligen Absorptionsbande entsprechend dem Übergang 10 von N nach N* entspricht, wird der tautomere angeregte Zustand T* mit einer Rate, die wegen der kurzen Zeitspanne des Überganges von N* nach T* praktisch ausschließlich von dem Verlauf der Pumpstrahlungsintensität abhängt, besetzt. Der zugehörige elektronische Grundzustand ^der tautomeren Form ist wegen seiner hohen Energie und seines metastabilen Charakters anfänglich noch völlig unbesetzt, und die Inversion T*/T ist entsprechend hoch. Deshalb ist auch die Verstärkung (trotz der geringen T*-Fluoreszenz-Quantenausbeute) sehr groß. Bei genügend kleiner Resonatorlebensdauer liefert das invertierte Medium daher einen kurzen ReIaxations-Laserschwingungsimpuls entsprechend dem Übergang 12 und dabei wird der Grundzustand T der tautomeren Form bevölkert.

Damit das System die weitere Emission von Laserstrahlung unterdrücken und als Schaltfarbstoff wirken kann, muß erfahrungsgemäß der zeitliche Verlauf der Intensität der Pumpstrahlung 10 bestimmten Anforderungen genügen: Die Pumpstrahlungsintensität soll zum Zeitpunkt der Emission des ersten und für den betreffenden Pumpstrahlungsimpuls einzigen Laserstrahlungsimpulses einen so hohen Wert erreichen, daß die Laseremission 12 unter Erzeugung einer erheblichen Besetzung des Grundzustandes Tder tautomeren Form stattfinden kann und für den restlichen Teil des Pumpstrahlimpulses soll die relative Zunahme der Pumpintensität während eines Zeitintervalls, dessen Dauer der charakteristischen Auffülldauer des tautomeren Grundzustandes entspricht, unterhalb von 10% liegen, so daß einerseits die Besetzung des angeregten Zustandes T der tautomeren Form nicht so hoch ansteigen kann, daß die Inversion für eine weitere Laserstrahlungsemission aus dem angeregten tautomeren Zustand T* ausreicht und andererseits die für die transiente Absorption erforderliche Besetzung des Grundzustandes Tder tautomeren Form gewährleistet bleibt.

Im speziellen kann diese Bedingung dadurch erfüllt werden, daß die Pumpstrahlung ihr Intensitätsmaximum im Zeitpunkt der Erzeugung des Laserstrahlungsimpulses durchläuft.

In der Praxis kann man als Pumpstrahlungsquelle entsprechende Farbstofflaser, gepulste Excimer- oder Stickstofflaser und dergl., deren Strahlungsimpulse eine genügend kurze Anstiegsdauer haben, verwendet.

Bei Erfüllung der oben angegebenen Bedingungen reicht die Pumpstrahlung während des restlichen Teiles des Pumpstrahlungsimpulses aus den folgenden Gründen nicht mehr aus, die zur Laseremission nötige Inversion aufzubauen: Erstens bewirkt die Emission des ersten kurzen Farbstofflaserimpulses eine Besetzung des metastabilen Grundzustandes Γ der tautomeren Form, welcher während des verbleibenden Restes des Pumpimpulses praktisch nicht abklingt. Um nun denselben Grad von Inversion zu erreichen, wie sie bei der Laseremission des ersten Strahlungsimpulses vorlag, ist daher eine Besetzung des oberen Laserniveaus T* erforderlich, die größer ist, als die für die Emission des ersten Strahlungsimpulses ausreichende Besetzung. Dabei hängt die zusätzlich aufzuwendende Besetzung von T* davon ab, wie sehr die bereits erfolgte Besetzung von T die Laseremission von T* beeinträchtigt. Experimentelle Untersuchungen der Verbindungen Nr. I, II, VI und VIII (F i g. 2a) haben z. B. gezeigt, daß bei gleichbleibender Intensität des Pumplichtes weitere Laserimpulse nicht erzeugt werden. Um nämlich die erhöhte Besetzung des angeregten oberen Laserniveaus zu erhalten, ist eine zusätzliche und (im Vergleich zur verstrichenen Pumpdauer) verlängerte Pumpdauer erforderlich. Die Speicherzeit des Zustandes T* ist aber durch seine tatsächlich relativ kurze Lebensdauer von typisch weniger als 200 ps begrenzt, so daß bei gleichbleibender oder zumindest nicht zu stark ansteigender Intensität der Pumpstrahlung eine wenigstens annähernd stationäre Differenz der Besetzung von T*und Γ erreicht werden wird, die sicher nicht der für eine Laseremission erforderliche Inversion entspricht: Weitere Laserimpulse können daher nicht erzeugt werden.

Zweitens wird nach dem ersten kurzen Laserimpuls Wärme durch die strahlungslose (durch einen gewellten Pfeil 18 angedeutete) Deaktivierung von T*, welches ja stetig über N* nachgefüllt wird, frei. Die resultierende Temperaturerhöhung des Lasermediums hat, wie bereits erwähnt wurde, eine Verkürzung der Lebensdauer des angeregten tautomeren Zustandes 7"* zur Folge und mithin eine Verringerung der erreichbaren Inversion der beteiligten Laserniveaus.

Drittens kann schließlich bei höheren Pumpintensitäten, wie sie z. B. beim longitudinalen Pumpen gegeben sind, unter günstigen Umständen auch ein Ausbleichen der Absorption der Lösung erreicht werden. Dies hat dann natürlich zur Folge, daß das Pumpen von N über N* nach T* aufhört und keine Inversion mehr erzeugt werden kann.

Bei dem oben beschriebenen Beispiel arbeitete das Laser-Schaltfarbstoffsystem sowohl als Laserstrahlung emittierender Laserfarbstoff als auch als Schaltfarbstoff zur Verkürzung der Laserimpulsdauer. Im folgenden soll nun die Funktion der Laserschaltfarbstoffe als reine Schaltfarbstoffe beschrieben werden. Hier arbeiten die Systeme also nur als Schalter und nicht als Laserfarbstoff.

Als konkretes Beispiel sei angenommen, daß man einzelne kurze Farbstofflaserimpulse mit einer Wellenlänge von ungefähr 390 nm erzeugen möchte. Als Laserfarbstoff wählt man hierfür z. B. 2-(4-Biphenyl)-6-Phenylbenzoxazol (PBBO) in dem unpolaren, aprotischen Lösungsmittel Cyclohexan. Der verwendete Laserresonator muß selbstverständlich eine genügend kurze, der Dauer des zu erzeugenden Impulses entsprechende Resonatorlebensdauer haben. Weiter sei davon ausgegangen, daß der verwendete Pumplaser eine Emissionswellenlänge von ca. 340 nm hat, wie z. B. ein Paraterphenyl-Farbstofflaser, und daß die Anstiegszeit der Pumpstrahlungsimpulse bis zu einem ersten Intensitätsmaximum kleiner als 200 ps ist. Unter diesen Voraussetzungen wird ein Laser-Schaltfarbstoff benötigt, der in dem verwendeten Lösungsmittel wirksam ist, in seiner normalen Form Strahlung mit einer Wellenlänge von 340 nm absorbiert und der schließlich bei einer Wellenlänge von 390 nm nur die transiente Absorption der tautomeren Form aufweist. Ein solcher Farbstoff ist das auch zuvor als Beispiel angeführte 2-(2-Hydroxyphenyl)-Benzoxazol, bei dem die charakteristische Anstiegszeit der tautomeren transienten Absorption 200 ps beträgt. Es wird nun eine Lösung dieses Schaltfarbstoffes in dem auch für das Lasermedium verwendeten Lösungsmittel Cyclohexan hergestellt, wobei zweckmäßig die optische Dichte der Schaltfarbstofflösung bei der Pumpwellen-

ίο

länge etwa gleich derjenigen der Laserfarbstofflösung sein sollte. Diese Schaltfarbstofflösung wird nun der im Farbstofflaser als Lasermedium dienenden Laserfarbstofflösung in einer solchen Menge hinzugefügt, daß nur eine einzige Relaxationsschwingung des gepumpten Lasermediums auftreten kann. Dieser Begrenzung der Laseremission liegt das allgemeine Prinzip zugrunde, die Verstärkung des aktiven Lasermediums durch die transiente Absorption des Schaltfarbstoffes im Verlauf des Pumpimpulses herabzusetzen. Die transiente Absorption (Pfeil 16 in Fig. 1) muß hierfür selbstverständlich im Bereich der zu schaltenden Laserstrahlungswellenlänge liegen, was bei allen folgenden Beispielen vorausgesetzt ist, ohne daß in jedem Einzelfall darauf hingewiesen wird. Dieses Verfahren zur Erzeugung und, wie weiter unten noch ausgeführt werden wird, auch zur Verstärkung kurzer Laserimpulse überrascht durch seine konzeptionelle und praktische Einfachheit. Mit zunehmender Konzentration des Schaltfarbstoffes können dabei die folgenden Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgenutzt werden:

Erstens ist die Unterdrückung aller auf die erste Relaxationsschwingung folgenden Relaxationsschwingungen des gepumpten Lasermediums unabhängig von Intensitätsschwankungen von Puls zu Puls des verwendeten Pumplasers, da eine z. B. höhere Pumpintensität auch eine entsprechend höhere transiente Absorption und damit eine niedrigere Verstärkung zur Folge hat.

Zweitens ist es bei Verwendung einer hinreichend hohen Konzentration des Sehaltfarbstoffes möglich, auch diejenige Laseremission sicher zu unterdrücken, die nach dem schnellen Erreichen des ersten Maximums der Pumplichtintensität sonst durch einen weiteren zeitlichen Anstieg der Intensität des Pumplichtes verursacht würde. Von den bisherigen Anforderungen an den Zeitverlauf der Intensität des Pumplichts bleibt demnach nur übrig, daß die Pumpstrahlung eine genügend schnelle Anstiegszeit haben muß.

Schließlich haben Berechnungen ergeben, daß die photochemisch erzeugte Form Γ des Schaltfarbstoffes auf zwei Weisen wirken kann. Die erste Wirkungsweise besteht in der erwähnten transienten Absorption von Laserlicht. Mit zeitlich zunehmender Konzentration der erzeugten Form Γ kann diese aber auch auf strahlungslosem Wege die im oberen Niveau des eigentlichen Laserfarbstoffes gespeicherte Energie übernehmen. Dieser sogenannte Förstersche Energietransfer stellt effektiv eine Verkürzung der Lebensdauer des oberen Laserniveaus dar, so daß dieses Niveau im Verlaufe der Zeit weniger effektiv gepumpt werden kann und die Verstärkung deshalb abnimmt.

Verstärkung kurzer Strahlungsimpulse mittels eines Laser-Schaltfarbstoffes

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Die Verstärkung von kurzen Laserimpulsen ist eine Aufgabe, die in der Lasertechnik sehr häufig auftritt. Mit der Methode des synchronen Pumpens können z. B. ultrakurze Laserimpulse im Pikosekundenbereich erzeugt werden. Für die Anwendung in der Photochemie oder in der nichtlinearen Optik müssen diese ultrakurzen Laserimpulse allerdings weiterverstärkt werden. Als Pumplichtimpulse für die Verstärkerstufen werden dabei sowohl kurze kohärente Lichtblitze verwendet, wie sie z. B. mit einem modengekoppelten und frequenzvervielfachten Nd:YAG-Laser mit einigem Aufwand erhalten werden können, oder aber man verwendet UV-Gaslaser, die aber Laserimpulse mit einer Dauer von mehreren Nanosekunden liefern.

Unabhängig von der Art, wie das aktive Medium der Verstärkerstufen gepumpt wird, gibt es eine Reihe von praktischen Problemen, deren Ursache die lange Speicherzeit des üblicherweise verwendeten aktiven Mediums ist. Dabei handelt es sich fast immer um Lösungen mit guten Laserfarbstoffen, d. h. Farbstoffen, die im allgemeinen eine hohe Fluoreszenz-Quantenausbeute besitzen. Die tatsächliche Lebensdauer ihres elektronisch angeregten Zustande wird deshalb vor allem von ihrer Strahlungslebensdauer bestimmt; eine typische Lebensdauer und mithin Speicherzeit der Verstärkerstufen beträgt 5 ns. Gleich nach Beginn des optischen Pumpens wird der Verstärker aktiv und bleibt aktiv bis einige Nanosekunden nach Abbruch des Pumpens. Während dieser Zeit arbeitet der Verstärker besonders wirkungsvoll für kleine eingestrahlte Lichtsignale. Diese Lichtsignale können z. B. Reflexionen des eigenen, entlang der optischen Achse emittierten Fluoreszenzlichtes sein. Bei der angenommenen Aktivzeit von wenigstens 5 ns können alle optischen Elemente im Strahlengang durch Reflexion stören, die einen Abstand von weniger als 75 cm vom Verstärker haben. Zur optischen Isolation der Verstärkerstufe werden deshalb sog. sättigbare Absorberfarbstoffe in getrennten Küvetten eingesetzt. Solche sättigbaren Absorber sind allerdings nicht bekannt für den besonders interessanten Spektralbereich des nahen UV (300 bis 400 nm). Zur Zeit beträgt die kürzeste Wellenlänge, für die ein sättigbarer Absorber zur Verfügung steht, 452 nm. Darüber hinaus erfordert die praktische Verwendung eines 'sättigbaren Absorbers optische Elemente wie Linsen und eine Küvette, die zusätzliche Reflexionsverluste mit sich bringen. Schließlich führt diese Verwendung auch zu einer Verlängerung des optischen Strahlengangs, was bei einigen Anwendungen von erheblichem Nachteil sein kann.

In Anwendung der Erfindung auf die Verstärkung von einzelnen kurzen oder ultrakurzen Laserimpulsen werden nun die oben definierten Laser-Farbschaltstoffe dazu verwendet, die natürliche Lebensdauer der aktiven angeregten Farbstoffmoleküle im Verstärker zu verringern und/oder die Verstärkung zeitlich zu begrenzen. Im folgenden wird dieses Prinzip dargestellt zuerst für den Fall, daß der Laser-Schaltfarbstoff im Verstärker auch als Laserfarbstoff benutzt wird und dann für den Fall, daß der Laser-Schaltfarbstoff im Verstärker oder in von diesem getrennter Anordnung nur als Schaltfarbstoff arbeitet.

Wenn der Verstärker mit einem Laser-Schaltfarbstoff als aktivem Laserfarbstoff betrieben werden soll, kommen zwei Möglichkeiten in Betracht. Es sei als erstes angenommen, daß die Pumplichtquelle Laserimpulse liefert, deren Dauer kleiner ist als die natürliche Lebensdauer des oberen Laserniveaus Γ* (Fig. 1). Diese Lebensdauer bestimmt dann die Speicherzeit des Verstärkers. Im Vergleich mit anderen Laserfarbstoffen ist diese Lebensdauer sehr kurz, typisch weniger als 200 ps.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, daß die Strahlung der Pumplichtquelle nach genügend raschem Anstieg der Intensität noch relativ lange andauert, z. B. einige Nanosekunden. Dann wird anfänglich die vollständige Inversion der Besetzung der aktiven tautomeren Laserniveaus T*/T erreicht. Wegen der geringen natürlichen Lebensdauer des oberen Laserniveaus Γ* wird diese Inversion jedoch wie im obigen Fall schnell und strahlungslos abgebaut. Später kann die Inversion dann nicht mehr erreicht werden, wie anhand von F i g. 1 erläutert worden ist.

Schließlich wird die Inversion wegen der Stimulation durch den zu verstärkenden kurzen Laserimpuls abgebaut und die Verstärkung damit ohnehin abgeschaltet.

Falls im Verstärker ein vom aktiven Laserfarbstoff verschiedener Laser-Schaltfarbstoff verwendet wird, so kann durch genügend hohe Konzentration des Schaltfarbstoffes die Verstärkung nach einer gewissen Zeitspanne durch die transiente Absorption von Γ praktisch auf null herabgesetzt werden, wie es oben bei der Erläuterung der reinen Schaltfarbstoffunktion dargelegt wurde. Der Verstärker ist dann jeweils in der Praxis nur in einem Zeitfenster funktionsfähig, dessen Breite der Lebensdauer des angeregten tautomeren Laser-Schaltfarbstoffs T* entspricht.

Einrichtungen zum Erzeugen oder

Verstärken kurzer Laserimpulse

mittels eines Laser-Schaltfarbstoffes

Weil das Konzept der Wirkungsweise von Laser-Schaltfarbstoffen zur Erzeugung von kurzen Laserimpulsen so einfach ist, ergibt sich zwanglos eine große Anzahl von konkreten optischen Einrichtungen, die nach dem Prinzip der Erfindung arbeiten. Insbesondere können viele bekannte Verfahren und Einrichtungen zum Erzeugen von kurzen und ultrakurzen Laserstrahlungsimpulsen durch die Verwendung von Laser-Schaltfarbstoff verbessert werden. Hierzu sei nur beispielsweise das Verfahren der Wanderwellenanregung (Appl. Phys. B32 101-104 (1983)) erwähnt. Während im bekannten Falle der Pumplaser einen kurzdauernden kohärenten Strahlungsimpuls liefern muß, ist bei Verwendung eines Schaltfarbstoffes als aktives Lasermedium offenbar nur noch die steile ansteigende Vorderflanke der pumpenden Wellenfront von Bedeutung. Damit wird der umfangreiche Aufwand überflüssig, der bisher zur Erzeugung intensiver ultrakurzer Pumpimpulse für die Wanderwellenanregung nötig war. Der Wanderwellen-Laser kann nunmehr auch zur Erzeugung kurzer Laserimpulse und nicht nur zu deren Umwandlung von einem Wellenlängenbereich in einen anderen verwendet werden.

Eine weitere einfache Einrichtung ist in F i g. 4 dargestellt. Der eigentliche Farbstofflaser, der die gewünschten kurzen Strahlungsimpulse mit einer Wellenlänge von etwa 390 nm emittiert, enthält eine Küvette 20, die z. B. PBBO in Cyclohexan als Laserfarbstoff und PBX-OH (Fig.2, Nr.VI) als Schaltfarbstoff enthält. Die Konzentration dieses Laserfarbstoffs betrug 4 χ 10-⁴ Mol/Liter, die des Schaltfarbstoffes 1 χ 10-³ Mol/Liter. Die Küvette ist in einem optischen Resonator angeordnet, der einerseits durch einen Spiegel 22 und andererseits durch die diesem abgewandte Wand der Küvette 20 begrenzt ist.

Die Pumpstrahlung wird durch einen Farbstofflaser 24 erzeugt und über eine Zylinderlinse 26 in die Küvette 20 fokussiert. Der Farbstofflaser 24 kann z. B. PTP als Laserfarbstoff enthalten, der Strahlung einer Wellenlänge von etwa 340 nm emittiert. Das Intensitätsprofil des vom Farbstofflaser 24 erzeugten Pumpstrahlungsimpulses ist durch das Diagramm 28 dargestellt. Der Farbstofflaser 24 wird seinerseits durch einen nicht dargestellten UV-Gaslaser, z. B. einen XeCl*-Laser gepumpt. Die den Farbstofflaser 24 pumpende Pumpstrahlung hat eine Wellenlänge von 308 nm und den durch das Diagramm 30 dargestellten Intensitätsverlauf.

Der mit dem Schaltfarbstoff arbeitende Farbstofflaser emittiert einen kurzen Strahlungsimpuls mit einer Wellenlänge von etwa 390 nm, das Intensitätsprofil dieses Impulses ist im Diagramm 32 dargestellt.

Eine weitere spezielle Einrichtung, die prinzipiell sehr kurze Laserimpulse liefert, ist in F i g. 5 dargestellt. Das wesentliche Element besteht aus einer Doppelküvette 50, deren äußere Fenster 52, 54 parallel sind und den Laserresonator bilden. Die Küvette ist durch eine Zwischenwand in eine Küvettenkammer L, die den eigentlichen Laserfarbstoff enthält, und eine Küvettenkammer

ίο 5, die einen passenden Laser-Schaltfarbstoff enthält, unterteilt. Die äußeren Resonatorfenster 52, 54 sind mit dielektrischen Mehrfachschichten so verspiegelt, daß das Fenster 52 bei der Laserwellenlänge des Laserfarbstoffs gut reflektiert, bei der Laserwellenlänge des Schaltfarbstoffes jedoch teildurchlässig ist, während das Fenster 54 bei der Laserwellenlänge des Laser-Schaltfarbstoffes gut reflektiert, bei der des Laserfarbstoffes jedoch teildurchlässig ist. Ein schnell ansteigender Pumpstrahlungsimpuls 56 wird durch eine Zylinderlinse 58 von oben in beide Kammern 5, L der Küvette 50 fokussiert. Durch geeignete Wahl der Reflektivitäten der Verspiegelungen der Fenster 52 und 54 kann man erreichen, daß der invertierte Laserfarbstoff in L zuerst unter Laseremission anschwingt und sehr kurz danach dann der invertierte Schaltfarbstoff in S. Im Schaltfarbstoff entsteht dann aber sehr schnell eine transiente Absorption, die die Güte des Resonators für den eigentlichen Laser mit dem aktiven Medium in L drastisch verringert und die weitere Laseremission verhindert.

Auch für die Verstärkung kurzer Laserimpulse mit Hilfe von Laser-Schaltfarbstoffen kann ein Fachmann aufgrund der obigen Lehren ohne weiteres verschiedene Einrichtungen angeben. Ein Beispiel ist in F i g. 6 dargestellt, hier erfolgt die transiente, zeitlich geschaltete Absorption des Laser-Schaltfarbstoffes getrennt vom aktiven Medium.

Bei der Einrichtung gemäß F i g. 6 wird der zu verstärkende kurze Laserimpuls durch eine Linse in eine erste Küvette 62 fokussiert, welche einen Schaltfarbstoff enthält, dessen transiente Absorption bei der Wellenlänge des Laserimpulses 60 eine kurze Anstiegszeit von z. B. 200 ps hat. Nach Durchlaufen der Küvette 62 wird der Laserstrahlungsimpuls durch eine weitere Linse in eine Verstärkerküvette 64 fokussiert, die einen üblichen, zur Verstärkung des Laserimpulses geeigneten Laserfarbstoff enthält.

In die Küvetten 62 und 64 wird über Zylinderlinsen 66,68 und Spiegel 70 bzw. 72 ein Pumpstrahlungsimpuls fokussiert, wie aus F i g. 6 ersichtlich ist. Der schnell ansteigende Pumpstrahlungsimpuls bewirkt, daß der Schaltfarbstoff nach kurzer Zeit den Laserimpuls 60 transient zu absorbieren beginnt, so daß spätere stimulierte Laserimpulse 60 nur noch stark abgeschwächt oder gar nicht zur Verstärkung gelangen.

Beispiele für Laser-Schaltfarbstoffe

Geeignete Laser-Schaltfarbstoffe enthalten eine Hydroxylgruppe an einem konjugierten Pi-Elektronensystern, welches prinzipiell basische Heteroatome enthält. Für die letzteren kommen vor allem in Betracht Carbonylsauerstoff- oder Aza-Stickstoff-Atome. Man kann ferner unterscheiden zwischen Systemen, bei denen bereits im Grundzustand eine Wasserstoffbrücke zwisehen den Reaktionszentren ausgebildet ist und bei denen der Protonenübergang im angeregten Zustand intramolekular verläuft und solchen Systemen, bei denen prototrope Lösungsmittelmoleküle an der Reaktion

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teilhaben müssen. höchstens 200 ps betragen.

Gegebenenfalls können auch wirkungsgleiche Ver- Der Pumpstrahlungsimpuls soll im allgemeinen in we-

bindungen verwendet werden, die statt Hydroxylgrup- niger als 400 ps, vorzugsweise weniger als 300 ps, auf pen Amino-oder Thiolgruppen(—S-H) enthalten. den für die Emission eines kurzen Laserstrahlungsim-

Verbindungen mit intramolekularer Wasserstoffbrük- 5 pulses erforderlichen Wert ansteigen, ke sind im allgemeinen photochemisch relativ stabil. Zur Erzeugung von kurzen Laserstrahlungsimpulsen

Verbindungen, die eine Oxazol- oder Oxadiazol-Grup- wird also in einem Laseroszillator oder Laserverstärker pierung enthalten, spielen als Laserfarbstoffe bereits ei- ein sogenannter Farbschaltstoff verwendet, der den ne besondere Rolle. Durch Substitution mit Hydroxyl- Verstärkungsgrad für die Laserstrahlung nach kurzer gruppen in geeigneten Positionen erhält man Laser- io Zeit durch transiente Absorption stark herabsetzt. Als Farbschaltstoffe, deren längstwellige Absorptionsbande Schaltfarbstoffe dienen Systeme, bei denen im angeregum bis zu ca. 1000 cm-¹ zu längeren Wellenlängen ge- ten Zustand ein Protonenübergang stattfindet. Der den genüber der Ausgangsverbindung verschoben ist. Eine Schaltfarbstoff anregende Strahlungsimpuls muß eine Anregung in dieser Absorptionsbande führt zu einer genügend steile Vorderflanke haben, so daß der angetautomeren Fluoreszenz mit einer Stokes-Verschiebung 15 regte Zustand der tautomeren Form schnell besetzt von etwa 10 000 cm-¹. Diese Fluoreszenz kann für den wird. Die anschließende Besetzung des Grundzustandes tautomeren Laserprozeß genutzt werden. Hier ist be- der tautomeren Form durch Strahlungsemission und sonders bemerkenswert, daß die große Stokes-Ver- strahlungslose Übergänge bewirkt den Aufbau einer Schiebung der tautomeren Emission in Verbindung mit transienten Absorption und verhindert den Aufbau eider photochemischen Stabilität und mit den generell 20 ner für eine erneute Strahlungsemission ausreichenden kurzen natürlichen Lebensdauern von rot emittierenden Inversion.

Molekülen dazu verwendet werden kann, im Rahmen

der Erfindung besonders kurze Laserimpulse im nahen Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

infraroten Spektralbereich zu erzeugen. Über die Lumineszenzeigenschaften von Verbindungen dieses Typs, nicht jedoch über die Möglichkeit, sie als Schaltfarbstoffe zu verwenden, ist in der Literatur bereits kurz berichtet worden (Chem. Comun. 1971,1551).

Nach der Anregung tritt dann die tautomere Absorption (Pfeil 16 in F i g. 1) auf, die bei kürzeren Wellenlängen liegt als die tautomere Fluoreszenz (Pfeil 12 in Fig. 1) und bei der Erfindung zur Laserschaltung verwendet wird.

In den F i g. 2 und 3 sind einige Beispiele von Verbindungen angegeben, die im Rahmen der Erfindung als Laser-Farbschaltstoff verwendet werden können, und zwar sowohl als aktiver Laserfarbstoff sowie auch als reiner Schaltfarbstoff. In der ersterwähnten Funktion ist es mit allen angeführten Verbindungen möglich, auf einfache Art kurze Farbstofflaserimpulse mit Wellenlängen größer als 490 nm bis hinein in das nahe Infrarot zu erzeugen. Die zweite Funktion dieser Verbindungen macht es andererseits möglich, Laserimpulse, die mit anderen aktiven Farbstoffen erzeugt wurden, zu schalten, und zwar bei Wellenlängen von 360 nm bis mindestens zu 500 nm. Die in F i g. 2 angegebenen Farbstoffe reichen also bereits aus, um im gesamten Spektralbereich vom nahen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot auf einfache Weise kurze Laserimpulse zu erzeugen und zu verstärken.

Verbindungen, die im angeregten Elektronenzustand mit einem prototropen Lösungsmittel Protonenübertragungsreaktionen eingehen und als Laser-Schaltfarbstoffe verwendet werden können, sind in F i g. 3 gezeigt.

Zur Erhöhung der Löslichkeit der Verbindungen gemaß F i g. 2 in unpolaren Lösungsmitteln kann an geeigneten Positionen der jeweiligen Verbindung mit Methyl-, Tert-Butyl- oder ähnlichen Gruppen substituiert werden. Dadurch werden die Eigenschaften der Verbindung, soweit sie im Rahmen der Erfindung genutzt werden, nicht wesentlich verändert. Auch andere Modifikationen der angegebenen oder ähnlicher Farbstoffe, die der Änderung der spektralen und dynamischen Eigenschaften dieser Farbstoffe dienen, sind ebenfalls ohne weiteres möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Die charakteristische Zeitkonstante des strahlungslosen Überganges von T* nach T soll im allgemeinen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Farbstoff-Lasers, bei welchem ein einer Protonenübertragungsreaktion fähiges chemisches System durch einen Pumpstrahlungsimpuls aus einem Grundzustand (N) einer normalen Form in einen angeregten Zustand (N*) der normalen Form gebracht wird, welcher sich dann durch Protonenübertragung mit sehr kurzer erster Zeitkonstante spontan in einen laserfähigen angeregten Zustand (T*) einer tautomeren Form umwandelt, der seinerseits entweder durch Fluoreszenz- bzw. Laser-Strahlungsemission oder mit vorgegebener zweiter Zeitkonstante strahlungslos in einen Grundzustand (T) der tautomeren Form überzugehen vermag, welcher energetisch über dem Grundzustand (N) der normalen Form liegt und mit einer vorgegebenen dritten Zeitkonstante in diese übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Pumpstrahlungsimpulses innerhalb einer Anstiegszeitspanne, die kürzer als das Doppelte des dem angeregten Zustand (T*) der tautomeren Form zugeordnete zweite Zeitkonstante ist, auf einen für die Emission eines kurzen Laserstrahlungsimpulses ausreichenden Wert erhöht wird und dann während des Restes des Pumpstrahlungsimpulses unter einer relativen Steigerungsrate von 10% pro zweiter Zeitkonstante bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch-gekennzeichnet, daß der genannte Wert, auf den die Intensität des Pumpstrahlungsimpulses innerhalb der Anstiegszeitspanne ansteigt, ein erster Maximalwert der Pumpstrahlungsintensität ist, der während des Restes des Pumpstrahlungsimpulses, wenn überhaupt, um weniger als 50% überschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte chemische System sowohl als Laserfarbstoff als auch als Schaltfarbstoff zur zeitlichen Begrenzung der Laseremission verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte chemische System zusätzlich zu einem die Laserstrahlung emittierenden Laserfarbstoff verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als chemisches System eine der Verbindungen

2-(2-Hydroxyphenyl)-Oxazol; 2-(2-Hydroxyphenyl)-5-Phenyl-Oxazol (PPO OH);

2-(2-Hydroxynaphth-l-yl)-5-Phenyl-Oxazol
(oc- NPO -OH);

2-(3-Hydroxybiphen-4-yl)-5-(4-Biphenyl)-Oxazol(BBO-OH);

2,5-Bis-(5-Phenyloxazol-2-yl)-Hydrochinon
(POPOP-(OH)₂);

2-(2-Hydroxyphenyl)-Benzoxazol(PBX—OH); 2-(3-Hydroxybiphen-4-yl)-5-Phenyl-Benzoxazol(PBBO-OH);

2,5-Bis-(Benzoxazol-2-yl)-Phenol für X=H, -Hydrochinon für X = OH;
6-(Benzoxazol-2-yI)-7-Hydroxy-Cumarin;
2-Phenyl-5-(3-Hydroxybiphen-4-yl)-1.3,4-Oxadiazol (PBD-OH);
2,5-Bis-(3-Hydroxybiphen-4-yl)-1.3,4-Oxadiazol (BBD-(OH)₂);

2-(4-tert. ButylphenyI)-5-(3-Hydroxy-biphen-4-yl)-1.3,4-Oxadiazol(Butyl-PBD-OH); 3-Hydroxyflavon;
(2,2'-Bipyridyl)-3,3'-Diol

verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als chemisches System 7-HydroxyfIavon oder 7-Hydroxychinolin in einem protonischen Lösungsmittel, insbesondere Methanol, verwendet werden.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem optischen Resonator, einer im optischen Resonator angeordneten Küvette, einem in der Küvette enthaltenen chemischen System, das einer Protonenübertragungsreaktion fähig ist und als aktives Lasermedium arbeitet, und einer Pumpstrahlungsquelle, die einen Pumpstrahlungsimpuls zum Erzeugen einer Besetzungsinversion im Lasermedium liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator eine kleine, für die Emission eines Laserstrahlungsimpulses mit einer Dauer von weniger als 200 Pikosekunden geeignete Lebensdauer hat und daß die Pumpstrahlungsquelle so ausgebildet ist, daß der von ihr gelieferte Pumpstrahlungsimpuls eine Anstiegszeit hat, die kürzer als das Doppelte der dem angeregten Zustand (T*) der tautomeren Form zugeordnete zweite Zeitkonstante ist und dessen Amplitude nach der Emission eines kurzen Strahlungsimpulses unter einer relativen Steigerungsrate von 10% pro zweiter Zeitkonstante bleibt.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem optischen Resonator, einer im optischen Resonator angeordneten Küvette, einem in der Küvette enthaltenen aktiven Lasermedium und einer Pumpstrahlungsquelle, die einen Pumpstrahlungsimpuls zum Erzeugen einer Besetzungsinversion im Lasermedium liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator eine kleine, für die Emission eines Laserstrahlungsimpulses mit einer Dauer von weniger als 200 Pikosekunden geeignete Lebensdauer hat und daß die Küvette zusätzlich zum aktiven Lasermedium ein einer Protonenübertragungsreaktion fähiges chemisches System enthält, das durch den Pumpstrahlungsimpuls aus einem Grundzustand (N) einer normalen Form in einen angeregten Zustand (N*) der normalen Form gebracht wird, welcher sich dann durch Protonenübertragungsreaktion mit sehr kurzer erster Zeitkonstante spontan in einen angeregten Zustand (T*) einer tautomeren Form umwandelt, der in einen Grundzustand (T) der tautomeren Form überzugehen vermag, welcher eine transiente Absorption für die vom aktiven Lasermedium emittierte Laserstrahlung hat.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (50) zwei Kammern enthält, in deren einer das aktive Lasermedium und in deren anderer das der Protonenübertragungsreaktion fähige chemische System enthalten sind.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Verstärkung und Verkürzung eines Laserstrahlungsimpulses mit einer im Strahlengang des zu verstärkenden und zu verkürzenden Lascrstrahlungsimpulses angeordneten Küvette (64), die ein zur Verstärkung des Laserstrahlungsimpulses geeignetes aktives Lasermedium enthält, und

mit einer Pumpstrahlungsquelle, die einen Pumpstrahlungsimpuls zum Erzeugen einer Besetzungsinversion im aktiven Lasermedium liefert, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Laserimpulses (60) außerdem noch ein einer Protonenübertragungsreaktion fähiges chemisches System angeordnet ist, daß eine Anordnung (66, 70) vorgesehen ist, welche dieses chemische System mit einem Teil des Pumpstrahlungsimpulses beaufschlagt, und daß das chemische System so gewählt ist, daß es durch den Pumpstrahlungsimpuls aus dem Grundzustand (N) der normalen Form in den angeregten Zustand (N ) der normalen Form gebracht wird, welcher sich dann durch Protonenübertragung mit sehr kurzer erster Zeitkonstante spontan in einen angeregten Zustand (T*) einer tautomeren Form umwandelt, der seinerseits in einen Grundzustand (T) der tautomeren Form übergeht, welcher eine transiente Absorption für die zu verstärkende und zu verkürzende Laserstrahlung aufweist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische System so gewählt ist, daß die charakteristische zweite Zeitkonstante der tautomeren Form höchstens 200 Pikosekunden beträgt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpstrahlungsimpuls in weniger als 400 ps auf den genannten Wert ansteigt.

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