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5.6. DER RAMAN SHIFTER 167
Sowohl 3 1 02 0,0
2,0-Übergang als auch 3 1 01 0 1-Übergang sind Σ + u − Σ + g -Übergänge (§ A.3) mit den jeweiligen
P- und R-Zweigen, für die ja ∆J = -1 und +1 sind. Die höchste Übergangsrate hat
der P-Zweig der den Unterzustand des 3 1 01 0 1 mit der höchsten Population einbezieht. Bei normaler
Betriebstemperatur des Lasers ist das P(22)= J”=22 → J’=21. Die Dominanz dieses
Übergangs kommt daher,daß die thermische Umverteilung der Rotationslevel untereinander
viel schneller erfolgt als die Entvölkerung durch Laseremission. Während Q- und R-Zweig
Emission eine Besetzungsinversion voraussetzen, kann ein P-Zweig Lasing sogar in Gang gebracht
werden, wenn die Besetzungsdichte im unteren Zustand etwas höher ist als im oberen
(!). In dieser Hinsicht zeigt der CO2 Laser Parallelen zum N2-Laser (§ 3.7).
Wird einer der Endspiegel durch ein Gitter ersetzt, ist der CO2 Laser Linien-abstimmbar. Die
Stärke der Linien ist allerdings sehr unterschiedlich. Typischerweise stehen sowohl im 31 02 0,0
2,0-
Übergang als auch im 31 010 1-Übergang je knapp 50 Linien zur Verfügung. Mehr Linien erhält
man durch gezielte Anreicherung der Isotope 18O und/oder 13C. Die Vibrationsfrequenzen des
12 18 C O2 Moleküls bzw. des 13C16O2 unterscheiden sich von der der am häufigsten natürlich
vorkommenden Isotopenkombination 12C16O2 und erlauben die Erzeugung weiterer Linien.
5.6 DER RAMAN SHIFTER
Der Raman Shifter nutzt den Raman Effekt (§3.9) aus, um, ausgehend von einem starken
gepulsten Festfrequenzlaser, mehrere diskrete Linien zu erzeugen. In einem Gas (seltener auch
einer Flüssigkeit oder einem Festkörper) wird ein Teil der Photonenenergie des eingehenden
Lichts auf Molekülschwingungen oder auch -rotation übertragen, das Licht also inelastisch
gestreut. Das austretende Licht hat eine geringere Energie als das einlaufende. Im Gegensatz
zu konventioneller Ramanstreuung ist bei hohen Intensitäten das austretende Licht kohärent,
da es sich um stimulierte Emission handelt, analog zu dem beim CARS-Verfahren (§3.9.3)
beschriebenen Vorgang. Aufgrund von Impuls- und Energieerhaltung erfolgt die Streuung
unter einem bestimmten Winkel und es tritt ein Lichtkegel aus. Die höchste Intensität des
Ramanlichts besitzt die 1. Stokes Linie, aber auch Stokes Linien höherer Ordnung sowie
Antistokes-Licht (also austretendes Licht höherer Energie) können erzeugt werden.
Im Zusammenhang mit der Urananreicherung wird Licht mit einer Wellenlänge von ca.
λ = 16 µm (genauer 627 cm −1 ) benötigt (§5.7). Mitte der 1970er Jahre schlugen mehrere Autoren
unabhängig voneinander die Verwendung einer Kombination aus CO2-Laser als Pumpquelle
und Wasserstoff-Ramanshifter vor [Byer76], analog zu Raman-geshiftetem Licht eines Rubinlasers
(1966, Minck, Ford Motor Company). Die Rotationsenergie des Wasserstoffmoleküls
beträgt S(0)=354.33 cm −1 , und somit kann die geforderte Energie durch Rotations-Stokes
Shift einer geeigneten Linie des CO2-Lasers erzeugt werden. Typischerweise arbeiten Raman-
Zellen im Bereich optimaler Konversionseffizienz im ’Single-pass’ (also Einfach-Durchgang)