DE1163970B - Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 05 b

Deutsche Kl.: 2If-90

Nummer: 1 163 970

Aktenzeichen: W 32193 VIIIc /21 f

Anmeldetag: 3. Mai 1962

Auslegetag: 27. Februar 1964

Die Erfindung betrifft einen optischen Verstärker für den infraroten Spektralbereich. Die erfindungsgemäß verwendeten Stoffe umfassen einen Kalziumwolframat-Grundkristall, der mit dreiwertigen Praseodymionen aktiviert ist.

In letzter Zeit hat sich die Aufmerksamkeit in beträchtlichem Maße auf selektiv fluoreszente Festkörper gerichtet, die kohärente elektromagnetische Wellenenergie im Frequenzbereich des Lichtes erzeugen oder verstärken können. Geräte dieser Art, die beispielsweise in derUSA.-Patentschrift2929922 von Schawlow und T own es beschrieben sind, können im Spektralbereich vom tiefsten Infrarot bis zum Ultraviolett arbeiten, was einer Bandbreite von etwa 10¹⁵ Hz entspricht. Durch eine solche Bandbreite wird eine große Zahl von neuen Nachrichtenkanälen zur Verfügung gestellt und die Zahl der verfügbaren Kanäle vervielfacht, die bisher durch die Eigenschaften der vorwiegend benutzten niederfrequenteren Teile des Spektrums begrenzt waren.

Ein solcher optischer Verstärker benutzt ein selektiv fluoreszentes Material, das 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 einem Quant mit einer Frequenz v₁₂, die durch die Bohrsche Gleichung

_ E₀- E₁

v_v2 - j

gegeben ist, worin h die Plancksche Konstante bedeutet.

Bei der selektiven Fluoreszenz wird Wellenenergie in einem geeigneten Frequenzbereich an paramagnetischen Ionen aufgespeichert, wobei die Elektronen von einer tieferen Energiestufe in eine metastabile höhere Energiestufe angehoben werden. 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 im allgemeinen von einer Abstrahlung von Strahlungsenergie mit einer Frequenz begleitet, die dem Abstand zwischen den betrachteten Energiestufen entspricht. Beim Betrieb des optischen Verstärkers wird eine ausreichend hohe Anregungsenergie dem selektiv fluoreszenten Medium zugeführt, um wenigstens kurzzeitig eine sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befindende Besetzungsverteilung zwischen mindestens zwei Energiestufen zu erzeugen. Im einzelnen wird die Besetzung der oberen Energiestufe auf Kosten Selektiv fluoreszenter Kristall für einen
optischen Verstärker

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

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

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Kurt Nassau, Springfield, N. J.,

Sergio Pereira da Silva Porto,

North Plainfield, N. J.,

Amnon Yariv, Chatham, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 20. November 1961

(Nr. 153 604)

der Besetzung der unteren Stufe über den Gleichgewichtszustand hinaus erhöht. Wenn die Besetzung der oberen Stufe die der unteren Stufe übersteigt, sagt man, daß eine invertierte Besetzung oder eine »negative« Temperatur erreicht worden ist, weil bereits eine gleiche Besetzung einer 00 großen Temperatur entspricht. Die Arbeitsweise des optischen Verstärkers ist nun so, daß ein schwaches Signal in der Resonanzfrequenz das Zurückfallen der übermäßig angeregten Elektronen aus dem metastabilen Zustand nach unten auslöst und daß die auf diese Weise stimulierte oder induzierte selektive Fluoreszenz kohärent und in Phase mit dem Signal ist.

Die aussichtsreicheren Formen eines optischen Verstärkers verwenden ein selektiv fluoreszentes Medium, das durch ein Dreistufensystem der Energiezustände der Elektronen ausgezeichnet ist, wobei die dritte Stufe die energiereichste ist. Bei Materiahen 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 Energiestufen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß Elektronen durch Anregung von der ersten auf die dritte Energiestufe angehoben werden, aus der sie durch nicht strahlende Übergänge spon-

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tan auf die zweite Stufe zurückfallen und dadurch die gewünschte invertierte Besetzung zwischen der zweiten und ersten Energiestufe hervorrufen. Vorteilhafterweise ist bei optischen Verstärkern dieser Art die Verweilzeit in der dritten Energiestufe kürzer als die in der zweiten, so daß die Besetzung der zweiten Stufe im Betrieb stetig aufrechterhalten wird. Da außerdem die Größe der Überbesetzung der höheren Energiestufe von der relativen Besetzung der ersten

keine bekannte Theorie in der Lage, vorauszusagen, welche Kombinationen von Ionen und Grundkristallen mit Erfolg einsetzbar sind.

Ein Ziel der Erfindung ist die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Strahlung im infraroten Teil des Lichtspektrums. Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, einen optischen Verstärker zu schaffen, der im infraroten Bereich arbeitet und eine verhältnismäßig nied-

ihre Absorption vom Kristall haben daher den Betrieb des Rubinverstärkers auf die Erzeugung eines unstetigen impulsförmigen Strahles von kohärentem Licht beschränkt. Es liegt jedoch auf der Hand, daß 5 es für viele Anwendungen im höchsten Grade wünschenswert ist, stetig emittierte kohärente Lichtstrahlen durch selektive Fluoreszenz zu erzeugen.

Es ist weiterhin zu beachten, daß die Wahl des selktiv fluoreszenten Mediums für einen optischen

und zweiten Energiestufe abhängt, weist das Ener- io Verstärker die Frequenz der ausnutzbaren Emissionsgiestufensystem vorzugsweise verwendeter Medien linien bestimmt. Daher ist es wünschenswert, eine außerdem einen Mechanismus auf, der stetig die Be- Vielzahl von Materialien für optische Verstärker setzung des Endzustandes für den optischen Über- bereitzustellen, um die Erzeugung und Verstärkung gang verringert. Auf diese Weise wird die invertierte kohärenter Lichtstrahlen im ganzen Spektralbereich Besetzung auf einem verhältnismäßig hohen Wert 15 des Lichtes zu ermöglichen. Es ist jedoch trotz der gehalten und das Arbeiten mit dem optischen Ver- Auffindung mehrerer verwendbarer Materialien noch stärker erleichtert.

Unter den Erfolg versprechenden selektiv fluoreszenten Festkörpern treten diejenigen hervor, die aus einem Grundkristall bestehen, welcher mit para- 20 magnetischen Ionen aktiviert ist. Von diesen Ionen geht die selektive Fluoreszenz aus. Der Grundkristall muß aus einem Material bestehen, das die paramagnetischen Ionen so aufnehmen kann, daß sie bei

Anregung mit gutem Quantenwirkungsgrad fluoreszie- 25 rigere Anregungsenergie erfordert, ren können, wobei ein möglichst großer Teil der Bei einem selektiv fluoreszenten KaMumwolf rarnat-

emittierten Energie in einer einzelnen, schmalen kristall für einen optischen Verstärker auf einem drei-Spektrallinie konzentriert ist. Im einzelnen muß der wertigen Aktivatorion einer seltenen Erde wird erfin-Grundkristall die Ionen so aufnehmen, daß die Kopp- dungsgemäß in dem Kristallgitter ein Teil der KaI-lung zwischen ihnen und dem Kristallgitter bei der 30 ziumionen durch dreiwertige Praseodymionen als selektiven Fluoreszenzfrequenz des optischen Ver- Aktivatoren ersetzt, wobei der Anteil an Aktivator im stärkers möglichst klein wird, während zugleich der Bereich von etwa 0,01 bis etwa 10 Atomprozent der Übergang aus dem Absorptionsband der Anregungs- Kationen liegt. Die selektive Fluoreszenz des dreistrahlung in den metastabilen Energiezustand möglich wertigen Praseodyms wird bei niedrigen Tempeist. Außerdem sollte der Grundkristall gute optische 35 raturen im infraroten Bereich bei 1,047 μΐη angeregt. Eigenschaften aufweisen. Er muß also verhältnis- Die Verwendung eines solchen Mediums für selek-

mäßig frei von Streustellen und daher transparent tive Fluoreszenz in einem optischen Verstärker ist für Licht bei der Betriebsfrequenz des optischen Ver- ein weiteres Merkmal der Erfindung, stärkers sein. Außerdem sollte der Grundkristall Ein optischer Verstärker entsprechend der Erfin-

einen kleinen Absorptionskoeffizienten für die An- 40 dung ist in der Zeichnung gezeigt. Ein stabförmiger regungsfrequenz aufweisen, um die Aufheizung des Kristall 1 aus Kalziumwolframat enthält, wie beschrieselektiv fluoreszenten Festkörpers möglichst klein zu ben, dreiwertige Praseodymionen in einer geeigneten halten und eine wirksame Ausnutzung der An- kleinen Konzentration. Die Anregungsenergie wird regungsenergje sicherzustellen. Chemische und phy- durch eine wendeiförmige Entladungslampe 2 geliesikalische Stabilität sind außerdem wünschenswert. 45 fert, die den Stab 1 umgibt und an eine nicht gezeigte Weiterhin wird verlangt, daß der Grundkristall aus Energiequelle angeschlossen ist. Die Enden 3 und 4 einem leicht zu bearbeitenden Material besteht, bei des Stabes 1 sind in Form von konfokalen sphärischen dem eine genaue Formgebung möglich ist, und das Oberflächen geschliffen und poliert. Die Enden 3 und 4 gut zu polieren ist. sind mit reflektierenden Auflagen 5 und 6 beschichtet,

Eine Kombination von paramagnetischen Ionen 50 so daß ein optischer Resonator gebildet wird. Vorteil-

mit einem Grundkristall, die die obenerwähnten Bedingungen erfüllt, ist der Rubin. Er wird weiterhin
in großem Umfang als Medium für optische Verstärker verwendet und ist eines der wenigen Materialien,

hafterweise ist die Schicht 6 hochreflektierend, während die Schicht 5 wenigstens einen Teil besitzt, der
nur teilweise reflektiert, um die Aussendung kohärenter Strahlung 7 mit einer Wellenlänge von etwa

das mit Erfolg eingesetzt worden ist. Rubin hat 55 1,047 μΐη zu ermöglichen. Während des Betriebes üblicherweise Emissionslinien bei 6943 und 6921 Ä. wird der Stab 1 vorteilhafterweise zur Aufrechterhal-

tung einer Temperatur unterhalb von etwa 80° K in
einem Bad aus einem verflüssigten Gas, wie beispielsweise Stickstoff, gehalten. Die Lampe 2 ist Vorteil-

Zusätzlich treten beim Rubin bei einer hohen Konzentration von Chromionen bei 7009 und 7041 A
scharfe Begleitlinien auf. Ein weiteres, mit Erfolg

bei der Temperatur flüssigen Wasserstoffs betriebe- 60 hafterweise eine solche, die eine intensive Strahlung

nes Material besteht aus einem Kalzium-Fluorid- in einem breiten Frequenzband erzeugt, das sich von

Grundkristall, der Samariumionen enthält. Samarium- etwa 0,4 μΐη bis zu größeren Wellenlängen erstreckt,

ionen emittieren bei 7082 A. Quecksilberdampf- oder Xenonlampen sind brauch-

Optische Verstärker mit Rubin der üblichen Aus- bar, um das erfindungsgemäße Material, das durch

führung weisen den Nachteil auf, daß sie zur Her- 65 eine Vielzahl von schmalen Absorptionsbändern in

stellung der gewünschten invertierten Besetzung hohe dem bestimmten Spektalbereich gekennzeichnet ist.

Anregungsenergien erfordern. Die an den Rubin zu mit Anregungsenergie zu versorgen. Es können natür-

liefernde Anregungsenergie und die Bedingungen für lieh auch andere Lampentypen verwendet werden,

vorausgesetzt, daß sie ausreichende Energie bei Wellenlängen emittieren, die einer oder mehreren Absorptionslinien des Materials entsprechen. Die Elektronen in dem selektiv fluoreszenten Medium werden durch die Anregungsenergie zum Übergang in höhere Energiestufen angeregt und fallen durch nicht strahlende Übergänge in eine mittlere Energiestufe zurück, die zu dem ¹G₄-MuIUpIeIt des Praseodymions gehört. Diese Energiestufe entspricht dem metastabilen Zustand des oben als Beispiel erwähnten Systems mit drei Energiestufen. Auf diese Weise wird eine Überbesetzung des ³H₄-Multipletts gegenüber der Energiestufe des ¹G₄-MuIUpIeWs erzeugt. Dieser Endzustand liegt etwa 400 cm""¹ über dem Grumdzustand und weist eine vernachlässigbare Besetzung bei Temperaturen unterhalb von etwa 80° K auf. Diese Anordnung erzeugt eine selektive Fluoreszenz bei 1,0468 μΐη im infraroten Bereich.

Ein optischer Verstärker des in der Zeichnung gezeigten Typs wurde unter Verwendung eines selektiv fluoreszenten Mediums von Kalziumwolframat betrieben, das 0,5 Atomprozent Praseodym als Aktivator an Stelle von Kalzium enthielt. Das Gerät erzeugte intensive Strahlung bei 1,0468 μΐη im infraroten Bereich. Die EmissionsMnie ist sehr schmal. Die selektive Fluoreszenz kann in einem größeren Bereich der Aktivatorkonzentration von Praseodym erzielt werden. Obwohl im Prinzip keine untere Grenze für die Konzentration von Pr³⁺ besteht, die im Kristall 1 vorhanden sein kann, wird eine praktische Grenze von etwa 0,01 % durch die Notwendigkeit gesetzt, eine genügende Anzahl von nichtpaarigen Elektronen zur Verfugung zu haben, um eine brauchbare Ausgangsenergie zu erzeugen.

Im übrigen wird angenommen, daß die bevorzugte Aktivatorkonzentration von Pr³⁺-Ionen im CaWO₄-Grundkristall bei etwa 1 Aitomprozent liegt. Eine solche Konzentration scheint wünschenswert im Hinblick auf eine maximale Intensität bei möglichst kleiner Linienbreite. Man nimmt jedoch an, daß sich die brauchbare Konzentration bis zu etwa 3% Pr³⁺ erstreckt. Oberhalb von 3% muß zunehmend eine Linienverbreiterung auf Grund der Wechselwirkung zwischen den Praseodymionen selbst in Rechnung gestellt werden. Wenn auch eine selektive Fluoreszenz bei Konzentrationen in Höhe von 10% erzielt werden kann, ist bei den meisten Anwendungen der Maximalwert auf etwa 3 % begrenzt. Außerdem sind Kristalle mit mehr als 3% Praseodymionen etwas schwieriger herzustellen als solche mit kleineren Aktivatorkonzentrationen.

Messungen an der oben beschriebenen Anordnung haben gezeigt, daß die zum Betrieb des erfindungsgemäßen optischen Verstärkers erforderliche Anregungsenergie schätzungsweise etwa 2% von der beträgt, die zum Betrieb eines Rubinverstärkers ähnlicher Ausbildung unter den gleichen Bedingungen erforderlich ist.

Das erfindungsgemäße Material wird üblicherweise mit HiKe eines Verfahrens hergestellt, das allgemein als Czochralsky-Verfahren bezeichnet wird. Dazu wird hingewiesen auf einen Aufsatz von J. 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 Flammenfusion, hydrothermischer Schmelzfluß und spontane Kernreaktionsverfahren.

Eine bestimmte Probe des Stoffes wurde erzeugt, indem 200 g CaWO₄ in einen Rhodiurnitiegel eingegeben und geschmolzen wurden. Es wurden dann 0,3 g Pr₂O₃ und 0,63 g WO₈ zu 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 pro Stunde. Der sich ergebende KaI-ziumwolframatkristall enthielt etwa 0,1 % Praseodymionen an Stelle von Kalzium.

Man beachte, daß ein beträchtlicher Überschuß von Praseodymionen zur Schmelze hinzugefügt worden ist. Im allgemeinen wurde gefunden, daß die Konzentration von Praseodym im Kristall etwa ein Drittel von der der Schmelze beträgt. Praseodym kann auch in verschiedenen anderen Formen, wie beispielsweise Pr₂(WO₄)₃ oder NaPrW₂O₈, hinzugefügt werden.

Wenn die Erfindung auch mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführangsbeispiel beschrieben worden ist, so dient dieses nur als Beispiel und soll den Umfang der Erfindung nicht beschränken. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Material mit jeder Praseodymkonzentration in dem beschriebenen Bereich 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 Schutzbereiches der Erfindung möglich.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Selektiv fkioreszenter Kalziumwolframatkristall für einen optischen Verstärker mit einem dreiwertigen Aktivatorion einer seltenen Erde, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kristallgitter ein Teil der KaMiumionen durch dreiwertige Praseodymionen aas Aktivatoren ersetzt worden ist und daß der Anteil an Aktivator im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 10 Atompro'Zent der Kationen liegt.

2. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Aktivatorionen im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 3 Atomprozent der Gesamtzahl der Kalziumionen liegt.

3. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Aktivatorionen 0,05 Atomprozent der Gesamtzahl der Kalziumionen beträgt.

4. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Aktivatorionen 0,5 Atomprozent der Gesamtzahl der Kalziumionen beträgt.

5. Optischer Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes Medium als optischer Resonator aus einem kristallinen Stab besteht, dessen Endflächen mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind und vorzugsweise sphärisch und konfokal ausgebildet sind, gekennzeichnet durch die Verwendung eines selektiv fiuoreszenten Kristalls nach den Ansprüchen 1 bis 4.

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In Betracht gezogene Druckschriften: bis^VC^^^ ^ ^ "^' ^{ΝθνβαΛβΓ 1961> S-}

USA.-Patentschrift Nr. 2 929 922;

Physical Review, Bd. 123, Nr. 1, vom 1. 8.1961, In Betracht gezogene ältere Patente:

S. 771; 5 Deutsches Patent Nr. 1136 777.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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