DE1614998A1

DE1614998A1 - Feststoff-Laser

Info

Publication number: DE1614998A1
Application number: DE19671614998
Authority: DE
Inventors: Geusic Joseph Edward; Johnson Leo Francis; Von Uitert Legrand Gerad
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-04-01
Filing date: 1967-03-25
Publication date: 1971-01-14
Also published as: FR1514831A; US3500232A; GB1175573A

Description

Feststoff-Laser

Die Erfindung befaßt sich mit lumines zierenden Stoffen und insbesondere mit lumines zierenden Zusammensetzungen, die Thulium-Ionen in Kombination mit Ytterbium-Ionen, allein oder in Kombination mit Chrom Ionen enthalten. Solche Zusammensetzungen sind in der Anwendung für Laserzwecke..von besonderem Interesse.

In neuerer Zeit ist beträchtliches Interesse für eine "Laser" genannte Klasse von Geräten entstanden, die in der Lage sind, kohärente elektromagnetische Wellen im optischen Frequenzbereich zu verstärken oder zu erzeugen. Geräte dieser Art, die beispielsweise im U. S. -Patent 2 929 beschrieben werden, betrachtet man im gesamten Spektralbereich vom fernen Infrarot bis zum Ultraviolett, einem Frequenzbereich von etwa

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10 Hertz, als arbeitsfähig.

Im Prinzip sind diese Geräte dem Mikrowellen-Maser direkt analog. Bei einem Modell, das die für die Aussendung kontinuierlicher Wellen » (CW-Betrieb) - erforderliche Form dreier Energieniveaus besitzt, erfüllt eine Pumpfrequenz das Erfordernis einer negativen Temperatur, wenn sie wenigstens die Planck-Frequenz hat, die einem Abstand zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand zusammen mit anschließender He-

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laxation zu einem metastabilen Zustand entspricht, welcher ausreicht, um eine wenigstens gleichgroße Verteilung der Besetzung zwischen diesem metastabilen und einem niedrigeren Energiezustand zu ergeben. Die Anwendung von Wellenenergie derjenigen Frequenz, die dem Energieabstand zwischen einem solchen metastabilen und einem tieferen Zustand entspricht gemäß dem Planck'schen Gesetz, wie analog bei Mikrowellen, ergibt die Stimulation von Energie der gleichen Frequenz, die mit dem anregenden Signal in Phase ist. Vorausgesetzt, daß die Relaxations-Geschwindigkeit vom metastabilen Zustand zum niedrigeren Zustand genügend niedrig ist und daß Mittel zum Arbeiten in einem bevorzugten Schwingungsmode vorgesehen sind, erfolgt die Energieabgabe in einer einzigen Schwingungsmode und kohärent.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde entdeckt, daß die Emissions-Intensität fluoreszierender thuliumhaltiger Zusammensetzungen durch die weitere Einverleibung von Ytterbium-Ionen, allein oder in Kombination mit Chrom-Ionen, bemerkenswert verbessert wird, indem die entstehenden Zusammensetzungen eine ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften zeigen, die ihre vorteilhafte Anwendung in einem optisch aufgepumpten Laser anzeigen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß sich ein hoher Fluoreszenz-Wirkungsgrad in Zusammensetzungen der allgemeinen Formel

<^Ma^Ybb^Tmc> ^Me5°12

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ergibt, in der M Yttrium, Gadolinium, Lutetium oder Mischungen derselben sein kann, (ferner) Me dreiwertiges Gallium oder Aluminium für sich allein oder in Kombination mit Chrom in einer Menge von 0, 16 - 1, Atomprozent des Galliums oder Aluminiums und (in der) die Summe von a + b + c * 3 ist, wobei a von 0 bis 2, 949, b von 0, 05 bis 2, 999 und c von 0, 0008 bis 1, 0 reicht.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden, ins Einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.

Die Abbildung ist eine Querschnitts-Ansicht einer Aufpump-Vorrichtung mit Laser-Gerät, das die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung nutzbar macht.

Die Betrachtung der Abbildung zeigt eine Apparatur mit einem elliptischen Hohlraum 11, der den Yb-Tm-YAG Laser 12 und die Pumpe 13, jeweils in einem Brennpunkt des elliptisch geformten Hohlraums 11 enthält. Die Enden des Lasers 2 sind planparallel geschliffen und poliert und versilbert, so daß sie reflektierende Schichten liefern; die ersteren, um eine totale und die letzteren, um eine partielle Reflexion vorzusehen, um den Austritt kohärenter Strahlung zu gestatten. Kohärente Strahlung, als Pfeil 16 gezeigt, tritt aus dem teilreflektierenden Ende 15 aus. Während des Betriebs wird der Laser auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehalten.

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Es ist angegeben worden, daß die hier verwendeten Werkstoffe in der Lage sind, Energie enger Linienbreite im Lichtspektrum bei definierter Frequenz auszusenden. Genauer gesagt, verwenden die hier beschriebenen Zusammensetzungen Thulium als aktives Ion, da von Thulium als charakteristisch bekannt ist, daß es zwei Emissionslinien bei etwa 2 Mikron hat. Dreiwertiges Thulium zeigt jedoch ein Absorptionsspektrum, das aus mehreren relativ schwachen Banden besteht. Daher ist es schwierig, Thulium schnell mit der Strahlung eines schwarzen Körpers aufzupumpen, da derartige Quellen ein breites Spektrum besitzen und das Material nur in einem engen Bereich absorbieren kann. Diese Schwierigkeit wird durch die Verwendung von dreiwertigem Ytterbium überwunden, das verhältnismäßig starke Absorptionsbanden im 1 Mikron-Bereich nahe dem Emissions-Maximum eines schwarzen Körpers von 3200 K als Strahler zeigt und die so absorbierte Energie an das Thulium-Ion überträgt, wodurch der Wirkungsgrad einer Ausnutzung der Pumpenstrahlung erhöht wird. Für die Zwecke vorliegender Erfindung ist eine Wolframlampe, die bei etwa 3000 K arbeitet, eine bevorzugte Energiequelle. Da der Mechanismus der Energieübertragung zwischen den Ytterbium-Ionen und den Thulium-Ionen praktisch unabhängig von der Umgebung ist, soweit diese im Bereich von 0, 9 - 3 Mikron durchlässig ist, wird jede Umgebung, in der Thulium- und Ytterbium-Ionen fluoreszieren, die Energie-Übertragung aufweisen, die zur Verstärkung der Laserwirkung notwendig ist.

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Beispielhaftes Ümgebungsmaterial für die Zwecke vorliegender Erfindung kann durch die folgenden allgemeinen Formeln dargestellt werden: ABO , in der A Kalzium, Strontium,' Barium oder Blei ist und B Molybdän oder Wolfram; MC_0 , in der M Yttrium, Gadolinium, Lutetium oder Mischungen derselben, und C Titan, Zinn, Silicium, Germanium oder Zirkon sein kann; MDO₀, worin M wie oben definiert ist und D Aluminium, Gallium, Scandium, Lutetium, Lanthan, Yttrium, Bor oder Gadolinium; (schließlich) das hier berücksichtigte Granat-System etcet.

Es wurde festgestellt, daß die verbesserte Thulium-Fluoreszenz in jeder der angegebenen Wirts-Umgebungen eintritt, wenn die Zusammensetzung wenigstens ein dreiwertiges Thulium-Ion auf 10 000 und wenigstens 60 dreiwertige Ytterbium-Ionen auf 10 000 Kationen enthält. Auf Atomprozent-Basis entspricht dies fluoreszierenden Zusammensetzungen, in denen wenigstens 0, 01% der vorhandenen Kationen Thulium-Ionen sind und 0, 6% der vorhandenen Kationen Ytterbium-Ionen sind. Zusätzlich kann Chrom in einer Menge zugegen sein, die im Bereich von 0, 1 - 1 % der in der Zusammensetzung vorhandenen Kationen liegt.

Wie oben erwähnt, haben bevorzugte Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung die allgemeine Formel (M Yb, Tmc)Me_0 _, worin M nach Wahl Yttrium, Lutetium, Gadolinium oder deren Mischungen ist, Me Gallium und Aluminium, allein oder in Mischung mit Chrom in einer Menge von 0,16 - 1, 6 Atomprozent des Aluminiums oder Galliums;

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a reicht von 0-2, 949, b von 0, 05 - 2, 999 und c von 0, 0008 - 1, 0, bei einer Summe von a + b + c * 3. Da sich Laserwirkung bei Gehalten" ergeben kann, die niedriger sind, als die angegebenen Minima für Ytterbium und Thulium, werden die erwähnten Werte für die praktische Arbeit als überschläglich betrachtet. Die Anwendung von Ytterbium- oder Thulium-Mengen, die die angegebenen Maxima überschreiten, ist weniger vorteilhaft. Die für die Zwecke der Erfindung bevorzugten Bereiche liegen wie folgt· a im Bereich von 1, 3 - 2, 87, b im Bereich von 0,1 1, 5 und c im Bereich von 0, 01 - 0, 6. Eine allgemeine Ausnahme wurde für Zusammensetzungen in diesem System festgestellt, in denen Me Aluminium ist. Bezüglich des M-Gehaltes ist festzuhalten, daß seine Abwesenheit die Laserwirkung nicht ausschließt. Der Maximalgehalt wird durch praktische Erwägungen bestimmt.

Das beschriebene Granat-System wurde insofern als besonders vorteilhaft befunden, als es Aussendung kohärenter Wellen bei Raumtemperatur und geringen Schwellenwert gestattet. Obwohl die Aussendurig kohärenter Wellen bei Raumtemperatur vollzogen werden kann, ist dies nicht als Einschränkung zu betrachten und es kann vernünftigerweise vorausgesagt werden, daß die Aussendung kohärenter Wellen auch bei höheren Temperaturen erreicht werden kann. Die vorteilhaften Eigenschaften des beschriebenen Systems können auch für pulsierende Arbeitsweise eingesetzt werden. Versuche der hier genannten Erfinder ergaben eine Impuls-Schwelle von 142 Joule/cm bei Raumtemperatur für die Zusammen-

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Setzung Y ,,,Yb_{n κ}Τπι_{η n}„Al O Aus diesem Wert kann eine Schwelle kohärenter Energie von weniger als 400 Watt je 2, 54 mm Stab vorausgesagt werden.

Zusammensetzungen, an denen festgestellt wurde,, daß sie die erforderlichen Eigenschaften gemäß Erfindung haben, wurden nach üblicher Ziehtechnik gezüchtet unter spantaner Keimbildung.

Laser des allgemeinen, in der Abbildung wie der gegebenen Typs sind unter Verwendung der Zusammensetzungen gemäß Erfindung als aktivem Material in Betrieb gesetzt worden. Ein erläuterndes Beispiel einer solchen Laser-Arbeitsweise wird nachfolgend gegeben.

Beispiel

Ein Ytterbium und Thulium enthaltender Yttrium-Aluminiumgranat wurde nach der Flußmitteltechnik gezüchtet, indem in einem 4, 5 Liter fassenden bedeckten Platintiegel 3536 g PbO, 4322 g PbF., 197 g B_0_Q, 417 g Y_o0_, 147 g Yb-Og, 8,7 g Tm,0 und 690 gALO zusammen geschmolzen wurden. Die Temperatur des Systems wurde auf 1300 C gebracht und die Kühlung mit einer Geschwindigkeit von 0, 5 C/h eingeleitet, bis eine Temperatur von 950 C erreicht war. Anschließend wurde das Flußmittel abgezogen und die Kristalle auf Raumtemperatur gekühlt. Schließlich wurden Stäbe von 7, 94 mm aus den entstandenen Kristallen geschnitten, die die Zusammensetzung Y _Ä„Yb Tm Al 0 zeigten.

»j ¹X ι Uj t} Oj Uo OXa

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Der entstandene Kristall wurde in einem Gerät von dem in der Abbildung gezeigten Typ verwendet und erzeugte eine intensive kohärente Strahlung von einer Wellenlänge von etwa 1, 88 und 2, 01 Mikron bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs und von 2, 01 Mikron bei Raumtemperatur. Der erforderliche Schwellen-Impuls war 1, 97 Joule/cm bei 77 K und 14 Joule/cm bei 300 K, die geschätze Schwelle kohärenter Strahlung 50 und 360 Watt. Stark verminderte Schwellenwerte sind bei Erhöhung des Tm-Gehaltes zu erwarten.

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Claims

Geusic-Johnson-Van üitert 5-15-33 16H998 Patentansprüche

1. Lumines zierende Stoffzusammensetzung, gekennzeichnet durch die

allgemeine Formel (M Yb, Tm )Me._0,_o, in der M aus der Yttrium,

a b c 5 1Δ

Lutetium, Gadolinium und deren Mischungen gebildeten Gruppe ausgewählt wird, Me aus der Gallium und Aluminium enthaltenden Gruppe und a im Bereich von 0, 0 - 2, 949, b im Bereich von 0, 05 - 2, 999 und c im Bereich von 0, 0008 - 1, 0 liegt, wobei die Summe von a + b + c * 3 ist.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet-dadurch, daß

a im Bereich von 1, 3 - 2, 87, b im Bereich von 0, 1 - 1, 5 und c im Bereich von 0, 01 - 0, 6 liegt.

3. Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Me Aluminium ist.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Me Chrom in einer Menge von 0,16 - 1, 6 Atomprozent desselben enthalten kann.

5. Laser, gekennzeichnet durch einen Gehalt an aktiven Elementen, der genau der in Anspruch 2 definierten Stoff zusaramensetzung entspricht.

6. Gerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß Me Aluminium ist.

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7. Gerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß a im Bereich von 1, 3 - 2, 87, b im Bereich von 0,1 - 1, 5 und c im Bereich von O₃ 01 - 0, 6 liegt.

8. Gerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß das aktive Element Stabform hat und daß beide Enden in solcher Art beschichtet sind, daß elektromagnetische Energie in der Größenordnung von 2 Mikron Wellenlänge vom einen Ende total, vom anderen teilweise reflektiert wird.

9. Laser-Oszillator, der zur Aussendung kohärenter Wellen fähig ist, gekennzeichnet dadurch, daß sein aktives Medium genau der in Anspruch 1 definierten Stoff zusammensetzung entspricht.

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