CHEMISCHE LASER
Deuteriumfluoridlaser erzeugt eine mittlere IR-Leistung
Roland Roux
Wasserstoff- und Deuteriumhalogenidlaser (HCl, DF, HBr), die auf einer exothermen chemischen Reaktion basieren, die entweder durch Entladung oder durch schnelles Mischen der Reaktandengase ausgelöst wird, emittieren im Wellenlängenbereich von 3 bis 5 µm. Verschiedene Wellenlängen in diesem Spektralbereich eignen sich gut für die Langstreckenstrahlausbreitung durch die Atmosphäre, da sie mit atmosphärischen Fenstern zusammenfallen.
Vor einigen Jahren entwickelte CILAS (Marcoussis, Frankreich) einen HF-DF-Laser, der eine durchschnittliche Leistung von 600 W bei HF-Wellenlängen und von 250 W für DF erzeugen kann.1 Der Langzeitbetrieb eines solchen Lasers erfordert jedoch eine kontinuierliche Regeneration der zu mischenden Gase. Ein alternativer Ansatz für Experimente, die nur eine geringe mittlere Leistung erfordern, ist das optische Pumpen der Wasserstoff- und Deuteriumhalogenidmoleküle. Die verwendeten Gase und die gewählte Bimssteinquelle erlauben die Abdeckung verschiedener Spektralbereiche zwischen 3 und 5 µm. Dieser Ansatz vermeidet die Nachteile der Gasdissoziation und Regeneration.
In jüngerer Zeit haben CILAS-Forscher – unterstützt von DRET (Direction des Recherches, Etudes, et Techniques, Paris, Frankreich) – mit einem neuartigen Deuteriumfluoridlaser mit niedriger mittlerer Leistung experimentiert.2,3 In diesem Gerät stimuliert ein kurzer Laserpuls Wasserstoff- oder Deuteriumhalogenidmoleküle, die in einer Gaszelle enthalten sind, wodurch eine kaskadierte Populationsinversion erzeugt wird. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, eine Laserquelle zu finden, die in der Lage ist, die diskreten, schmalen Linien der verschiedenen Übergänge zu pumulieren.
Forsterit-Laser
In dem Druckbereich, der typischerweise zur Lasierung von Wasserstoff- oder Deuteriumhalogenidmolekülen verwendet wird, sind die Absorptionslinien sehr schmal (weniger als 1 GHz). Daher muss eine effiziente Bimssteinquelle ähnliche enge spektrale Eigenschaften aufweisen und genau auf eine Absorptionslinie abgestimmt sein. Ein Forsterit-Laser mit einer Reihe von Prismen und zwei Fabry-Perot-Geräten kann diese Anforderungen erfüllen (siehe Abbildung auf S. 29).
Der chromdotierte Forsterit (Cr4+:Mg2SiO4)-Laser basiert auf einem 23 mm langen Kristall mit einem Querschnitt von 4 bis 6 mm2 und wird im Brewster-Winkel geschnitten. Ein gütegeschalteter Nd: YAG-Laser pumpt den Forsterit-Kristall bei 1,064 nm in Längsrichtung. Der Nd:YAG Laser liefert Pulsenergien u bis 130 mJ mit einer Pulsdauer von 10 ns und einer Pulswiederholfrequenz von 10 Hz.
Die erforderliche Ausgangswellenlänge wird erhalten, indem der Strahl durch drei dispersive Prismen geleitet und der totalreflektierende Spiegel gedreht wird. Um die spektrale Bandbreite der Laseremission zu reduzieren, werden zwei Fabry-Perot-Geräte in den Hohlraum eingebracht. Der Forsterit-Laser ist stufenlos von 1,16 bis 1,33 µm abstimmbar, und der Abstimmbereich Peak ist bei 1,25 µm zentriert. Ohne die Fabry-Perot-Geräte liefert der Forsterit-Laser 13-mJ maximale Energie pro Puls bei 1,25 µm mit der 130-mJ Bimssteinenergie (siehe Abbildung Einschub, S. 29); der optische Umwandlungswirkungsgrad beträgt somit 10%. Bei den Fabry-Perot-Geräten beträgt die Pulsenergie bei 1,268 µm (HF-Leitung) 6 mJ und bei 1,193 µm (DF-Leitung) 3 mJ. Die Pulslänge liegt zwischen 50 und 70 ns (FWHM) bei einer Linienbreite von 0,06 Å.
Der schmallinige Ausgang des Forsterit-Lasers wird durch einen gekrümmten dichroitischen Hohlraumspiegel in die Gaszelle eingeführt, der bei der Bimssteinwellenlänge hochdurchlässig und bei den HF- und DF-Laserwellenlängen hochreflektierend ist. Es werden Edelstahlzellen verwendet, die mit Calciumfluorid-Brewster-Fenstern ausgestattet sind; Die Zelllängen betragen 15 cm für HF und 50 cm für DF.
Mit diesem Setu zum Pumpen der HF-Zelle erhielten die Forscher 250 µJ Superfluoreszenzenergie (gemessen ohne Spiegel) am Übergang um 2,8 µm. Der HF-Zelldruck betrug 30 Torr und die Forsterit-Bimsstein-Laserenergie 6 mJ bei 1,268 µm bei einer Pulslänge von 50 ns. Beim Pumpen der DF-Zelle wurde eine kaskadierende Laseremission beobachtet und Laserlinien zwischen 3,64 und 3,85 µm gleichzeitig mit etwa 10 µJ Energie emittiert. In diesem Fall betrug der DF-Zelldruck 3 bis 6 Torr; die Bimsstein-Laserenergie betrug 3 mJ bei 1,193 µm.