DE1157317B - Optischer Kristallverstaerker und dafuer bestimmte Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Verstärker für den infraroten Spektralbereich. Die erfindungsgemäß verwendeten Stoffe umfassen einen Kalzium-Wolframat-Grundkristall, der zusätzlich Neodym-Ionen mit 3+-Wertigkeit enthält. S

In letzter Zeit hat sich die Aufmerksamkeit in beträchtlichem Maße auf eine neue Klasse von optischen Festkörperverstärkern gerichtet, die kohärente elektromagnetische Wellenenergie im Frequenzbereich des Lichtes erzeugen oder verstärken können. Geräte dieser Art, die beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 929 922 von Schawlow und T own es beschrieben sind, können im Spektralbereich vom tiefsten Infrarot bis zum Ultraviolett arbeiten.

Ein solcher optischer Verstärker benutzt einen selektiv fluoreszenten Kristall, der durch eine Vielzahl von bestimmten Energiestufen gekennzeichnet ist, wobei der Abstand dieser Stufen Frequenzen innerhalb der gewünschten Arbeitsbereiche entspricht. Im einzelnen entspricht der Abstand zwischen zwei Energiestufen E₁ und E₂ einer Wellenenergie mit einer Frequenz v₁₂, die durch die Bohrsche Gleichung

Optischer Kristallverstärker
und dafür bestimmte Materialien

Anmelder:
Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. September 1961 (Nr. 139 266)

Leo Francis Johnson, North Plainfield, N. J.,

und Kurt Nassau, Springfield, N. J. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

E₂ — E₁

gegeben ist, worin /2 die Plancksche Konstante darstellt.

Beim optischen Verstärker werden paramagnetische Ionen durch Strahlungsenergie eines geeigneten Frequenzbereichs angeregt, wodurch die Elektronen von einem tieferen Energiezustand in einen metastabilen höheren Zustand gelangen. Die angeregten Elektronen verbleiben im oberen Energiezustand für eine kurze Zeit und fallen dann zurück oder entspannen sich in den niedrigeren Energiezustand. Dieser Übergang nach unten ist normalerweise von einer Ausstrahlung von Lichtenergie mit einer Frequenz begleitet, die dem Abstand zwischen den betrachteten Energiezuständen entspricht. Im Betrieb des optischen Verstärkers wird eine ausreichend hohe Anregungsenergie an das selektive fluoreszierende Medium gelegt, um wenigstens intermittierend eine sich nicht im Gleichgewicht befindende Besetzungsverteilung zwischen den beiden Energiezuständen zu erzeugen. Genauer gesagt, wird die Besetzung der oberen Energiestufe mit Bezug auf die Besetzung der unteren Stufe erhöht. Wenn die Besetzung der oberen Stufe die der unteren Stufe übersteigt, sagt man, daß eine invertierte Besetzung oder »negative« Temperatur erreicht worden ist. Die Funktionen des optischen Verstärkers hängen von der Tatsache ab, daß ein schwaches Signal der richtigen

Frequenz den Übergang der angeregten Elektronen aus dem metastabilen Zustand nach unten auslöst und daß die selektiv fluoreszente Emission kohärent und in Phase mit dem Signal ist.

Die aussichtsreicheren Formen eines optischen Verstärkers verwenden ein selektives fluoreszentes Medium, das durch einen ersten, zweiten und dritten Energiezustand der Elektronen gekennzeichnet ist, welche in dieser Reihenfolge jeweils immer höher liegen. Bei diesen Materialien für optische Verstärker ist der oberste Energiezustand verhältnismäßig breit so daß er in einigen Fällen am besten als Band beschrieben wird. Ein stetiger Betrieb bei solchen Anordnungen mit drei Energiezuständen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß Elektronen aus dem ersten in den dritten Energiezustand durch Anregung angehoben werden, aus dem sie spontan in den zweiten Zustand zurückfallen und dadurch die gewünschte invertierte Besetzung zwischen dem zweiten und ersten Energiezustand hervorrufen. Vorteilhafterweise ist bei optischen Verstärkern dieser Art die Verweilzeit zwischen dem dritten und zweiten Energiezustand kürzer als die zwischen dem zweiten und dem ersten Zustand.

Brauchbare selektiv fluoreszente Materialien bestehen aus einem Grundkristall, welcher paramagnetische Ionen enthält, die die Zentren der selektiven

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Fluoreszenz bilden. Der Grundkristall muß aus einem Material bestehen, das die paramagnetischen Ionen so aufnehmen kann, daß sie bei Anregung mit gutem Gesamtquantenwirkungsgrad fluoreszieren können, wobei ein möglichst großer Teil der emittierten Energie in einer einzelnen schmalen Spektrallinie konzentriert ist. Ein solches Material ist Rubin, das in großem Umfang als Medium für optische Verstärker verwendet wird. Rubin hat üblicherweise Emissionslinien bei

Teilbereich besitzt, der nur teilweise reflektiert, um die Aussendung kohärenter Strahlung 7 mit einer Wellen länge von 1,06 μιη zu ermöglichen. Wenn gewünscht, kann der Stab 1 während des Betriebes in einem Bad 5 aus einem verflüssigtem Gas, wie beispielsweise Stickstoff, gehalten werden, um eine niedrige Temperatur mit den später beschriebenen, wünschenswerten Ergebnissen aufrechtzuerhalten.

Die Lampe 2 erzeugt vorteilhafterweise eine inten-6943 und 6921 Ä. Zusätzliche scharfe Begleitlinien io _sive Strahlung in einem breiten Frequenzband, das bei 7009 und 7041 Ä treten bei einem Rubin mit hoher sich von 4000 Ä (0,4 μιη) bis zu größeren Wellenlängen Konzentration von Chrom-Ionen auf. erstreckt. Quecksilberdampf- oder Xenon-Entladungs-

Optischer Kristallverstärker mit Rubin der üblichen lampen sind brauchbar, um den erfindungsgemäßen Ausführung weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie Kristall, der eine Vielzahl von schmalen Absorptionszur Herstellung der gewünschten invertierten Besetzung 15 linien in dem bestimmten Spektralbereich aufweist, hohe Anregungsenergien erfordern. Die an den Rubin mit Anregungsenergie zu versorgen. Es können natürzu liefernde Energiemenge und die Bedingungen für lieh auch andere Lampen verwendet werden, vorausihre Absorption vom Kristall haben daher den Betrieb gesetzt, daß sie ausreichende Energie bei Wellenlängen des Rubinverstärkers auf die Erzeugung eines impuls- emittieren, die einer oder mehreren Absorptionslinien förmigen Strahles von kohärentem Licht beschränkt. 20 des Kristalls entsprechen. Die Elektronen in dem Es liegt jedoch auf der Hand, daß es für viele An- aktiven Medium werden durch die Anregungsenergie Wendungen im höchsten Grade wünschenswert ist, zum Übergang in höhere Energiezustände angeregt stetig kohärente Lichtstrahlen zu erzeugen. und fallen durch nicht strahlende Vorgänge in einen

Es ist weiterhin zu beachten, daß die Wahl des mittleren Energiezustand zurück, der der ⁴F₃I₂-StUfC Kristalls für einen optischen Verstärker die Frequenz 25 freier Neodym-Ionen entspricht. Dieser Energiezuder ausnutzbaren Emissionslinien bestimmt. Daher ist stand entspricht dem metastabilen Zustand des oben

als Beispiel erwähnten Systems mit drei Energiezuständen. Auf diese Weise wird eine »negative« Temperatur zwischen dem V₃I₂- und dem ⁴/_n/₂-Zustand 30 erzeugt. Der ⁴/_n/₂-Zustand liegt etwa 2000 cm"¹ über dem Grundzustand und weist eine vernachlässigbare Besetzung bei Raumtemperatur auf. Es kann dann eine selektive Fluoreszenz bei 1,06 μιη im infraroten Bereich erhalten werden.

Ein optischer Verstärker des in der Zeichnung gezeigten Typs wurde unter Verwendung eines Kalzium-Wolframat-Kristalls betrieben, der 0,14 Atomprozent Neodym an Stelle von Kalzium enthielt. Der Kristall erzeugte intensive Strahlung bei 1,06 μιη im infraroten

es wünschenswert, eine Vielzahl von Materialien für optische Verstärker bereitzustellen, um die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Lichtstrahlen im großen Spektralbereich des Lichtes zu ermöglichen.

Ein Ziel der Erfindung ist die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Strahlung im infraroten Teil des Lichtspektrums.

Weiterhin ist es das Ziel der Erfindung, einen

optischen Verstärker zu schaffen, der im infraroten 35 Bereich arbeitet und eine verhältnismäßig niedrigere Anregungsenergie erfordert.

Erfindungsgemäß besteht der selektiv fluoreszente Kristall als Quelle kohärenter Lichtenergie in einem

optischen Verstärker im wesentlichen aus Kalzium- 40 Bereich. Bei Raumtemperatur ist die Emissionslinie

Wolframat, in dem ein Teil der Kalzium-Ionen durch sehr schmal, ihre Breite beträgt etwa zwölf Wellen-

Neodym-Ionen im 3+-wertigen Valenzzustand ersetzt zahlen. Bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs wird

worden ist, wobei der so ersetzte Teil der Kalzium- diese Breite weiterhin herabgesetzt auf etwa sieben

Ionen im Bereich von etwa 0,01 bis 5 % liegt. Das Wellenzahlen. Die selektive Fluoreszenz kann in einem

dreiwertige Neodym bildet die Zentren der selektiven 45 größeren Bereich der Konzentration von Neodym

Fluoreszenz. Die Hauptemissionslinie wird bei Raum- erzielt werden. Obwohl im Prinzip keine untere Grenze

temperatur im infraroten Spektralbereich bei 1,0646 μιη für die Konzentration von Nd⁺³ besteht, die im

erzeugt. Die infrarote Fluoreszenzlinie verschiebt sich Kristall 1 vorhanden sein kann, wird eine praktische

leicht bei tieferen Temperaturen. Beispielsweise tritt Grenze von etwa 0,01 % durch die Notwendigkeit ge-

die selektive Fluoreszenz bei 77⁰K bei 1,063 μιη auf. 50 setzt, eine genügende Anzahl von nicht paarigen Elek-

Ein Merkmal der Erfindung ist ein optischer Ver- tronen zur Verfügung zu haben, um eine brauchbare

stärker mit einem aktiven Medium, das aus drei- Ausgangsenergie zu erzeugen.

wertigen Neodym-Ionen in einem Kalzium-Wolf- Im übrigen wird angenommen, daß die bevorzugte

ramat-Grundkristall besteht. Konzentration von Nd⁺³-Ionen im CaWO₄-Grund-

Ein optischer Verstärker entsprechend der Erfindung 55 kristall bei etwa 1 % liegt· Eine solche Konzentration ist in der Zeichnung gezeigt. Es ist ein stabförmiger erscheint wünschenswert im Hinblick auf maximale InKristall 1 aus Kalzium-Wolframat dargestellt, der — tensität bei möglichst kleiner Linienbreite. Es wird wie beschrieben — dreiwertige Neodym-Ionen mit jedoch angenommen, daß sich die brauchbare Konzeneiner geeigneten kleinen Konzentration enthält. Die tration bis zu etwa 3 % Nd⁺³ erstreckt. Oberhalb von Anregungsenergie wird durch eine wendeiförmige 60 3% ^muß zunehmend eine Linienverbreiterung auf Lampe 2 geliefert, die den Stab 1 umgibt und an eine Grund der Wechselwirkung zwischen den Neodymnicht gezeigte Energiequelle angeschlossen ist. Die Ionen selbst in Rechnung gestellt werden. Wenn auch Enden 3 und 4 des Stabs 1 sind in Form von konfo- eine selektive Fluoreszenz bei Konzentrationen in kalen sphärischen Oberflächen geschliffen und poliert. Höhe von 5 % erzielt werden kann, ist bei den meisten Sie sind mit reflektierenden Auflagen 5 und 6 be- 65 Anwendungen der Maximalwert auf etwa 3 % begrenzt, schichtet, so daß ein optischer Hohlraumresonator ge- Außerdem sind Kristalle mit mehr als 3 % Neodymbildet wird. Vorteilhafterweise reflektiert die Schicht 6 Ionen etwas schwieriger herzustellen als solche mit vollständig, während die Schicht 5 wenigstens einen kleineren Konzentrationen. Aus Messungen aus der

oben beschriebenen Anordnung wurde geschätzt, daß bei Raumtemperatur die zum Betrieb des erfindungsgemäßen Lichtverstärkers erforderliche Energie bei etwa 0,5 % von der liegt, die zum Betrieb eines Rubinverstärkers ähnlicher Ausbildung unter den gleichen Bedingungen erforderlich ist. Kristalle mit Samariumzentren sind bei Raumtemperatur nicht zu betreiben.

Das erfindungsgemäße Material wird üblicherweise mit Hilfe eines Verfahrens hergestellt, das allgemein als Czochralski-Verfahren bezeichnet wird. Dazu wird hingewiesen auf einen Aufsatz von Czochralski in Z. Physik, Chemie, Bd. 92, S. 219 bis 221 (1918). Eine neuere Beschreibung des Verfahrens findet sich in einem Artikel von K. Nassau und L. G. Van Uitert im Journal of Applied Physics, Bd. 31, S. 1508 (1960). Unter den weiteren Verfahren, die verwendet werden können, sind die Flammen-Fusion, hydrothermischer Schmelzfluß und spontane Kernreaktionsverfahren.

Eine bestimmte Probe des Stoffes wurde erzeugt, indem 200 g CaWO₄ in einem Iridiumtiegel eingegeben und geschmolzen wurden. Es wurden dann 0,6 g Nd₂O₃ und 1,2 g WO₃ der Schmelze hinzugefügt und eine homogene Mischung erzeugt. Ein Impfkristall mit der gewünschten Orientierung wurde in die Oberfläche der Schmelze eingetaucht und unter gleichzeitiger Drehung aus der Schmelze gezogen. Gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Drehzahl etwa 30 U/min betrug und die Ziehgeschwindigkeit etwa 1,27 cm/h. Der sich ergebende Kalzium-Wolframat-Kristall enthielt etwa 0,14% Neodym-Ionen an Stelle von Kalzium.

Man beachte, daß ein beträchtlicher Überschuß von Neodym-Ionen der Schmelze hinzugefügt worden ist. Im allgemeinen wurde gefunden, daß die Konzentration von Neodym-Ionen im Kristall etwa ein Viertel von der der Schmelze beträgt. Neodym kann auch in verschiedenen anderen Formen, wie beispielsweise Nd₂ (WO₄)₃ oder NaNdW₂O₈ hinzugefügt werden.

Wenn die Erfindung auch mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, so dient dieses nur als Beispiel und soll den Umfang der Erfindung nicht beschränken. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Material mit jeder Neodymkonzentration in den beschriebenen Bereichen verwendet werden. Weiterhin kann das Material auch in anderen optischen Hohlraumresonatoren als dem konfokalen Typ verwendet werden. Ein Resonator mit parallelen Platten, wie auch andere, können eingesetzt werden. Außerdem sind auch andere Abänderungen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung möglich.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Selektiv fluoreszenter Kristall als Quelle kohärenter Lichtenergie in einem optischen Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall im wesentlichen aus Kalzium-Wolframat besteht, in dem ein Teil der Kalzium-Ionen durch Neodym-Ionen im 3 +-wertigen Valenzzustand ersetzt worden ist, und daß der so ersetzte Teil der Kalzium-Ionen im Bereich von etwa 0,01 bis 5 % liegt.

2. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ersetzte Teil von Kalzium-Ionen im Bereich von 0,01 bis 3 % liegt.

3. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der ersetzten Kalzium-Ionen im Bereich von 0,01 bis 1 % liegt.

4. Selektiv fluoreszenter Kristall nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 0,14% der Kalzium-Ionen durch Neodym-Ionen im 3+-Valenzzustand ersetzt worden sind.

5. Optischer Verstärker mit einem selektiv fluoreszenten Kristall nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv fluoreszente Kristall ein stabähnlicher Kristall mit konfokalen sphärischen Endflächen ist, so daß ein optischer Hohlraumresonator in dem Medium »negativer« Temperatur gebildet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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