DE2908039A1

DE2908039A1 - Glaszusammensetzung, die fuer die verwendung als aktive laserkomponente geeignet ist

Info

Publication number: DE2908039A1
Application number: DE19792908039
Authority: DE
Inventors: Charles Frederick Rapp
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: Schott Optical Glass Inc
Priority date: 1978-04-20
Filing date: 1979-03-01
Publication date: 1979-10-25
Also published as: FR2423459B1; DE2908039C3; GB2020268B; FR2423459A1; GB2020268A; US4142986A; JPS54139917A; DE2908039B2; JPS6221738B2

Description

- ^ - 29Ü8Ü39

Die Erfindung betrifft neue Glaszusammensetzungen mit bestimmten wertvollen Eigenschaften, genauer gesagt Glaszusammensetzungen, die als Glaslaserkomponenten geeignet sind.

Der Ausdruck "Laser" ist ein Kunstwort für "light amplification by stimulated emission of radiation", zu deutsch "Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission" oder "licht-angere.gter, Strahlung emittierender Resonator", Ein Laser ist eine Vorrichtung, die kohärentes Licht verstärken oder erzeugen kann. So können Laser 2, B, zur Erzeugung von monochromatischer optischer Strahlung in Forra einer ebenen Welle mit Strahlwinkeldivergenz, die durch Beugungseffekte theoretisch begrenzt ist, verwendet v/erden. Wenn ein Material induzierte Strahlungsemission unter bestimmten Bedingungen aufweist, sagt man, es "last", was bedeutet, daß es kohärente. Strahlung aussendet.

Der Laserkörper selbst kann verschiedene Gestalt haben. So kann er z. B, die Form eines kleinen Zylinders oder Stabes haben mit Endflächen, die plan sind und einen extrem hohen Grad an Parallelität aufweisen. Die Glaslaserkomponente kann auch die Form einer Scheibe oder Platte oder dergleichen haben. Ferner kann der Laserkörper entweder als Oszillator oder als Verstärker eingesetzt werden, Hierzu wird auf "Glass Lasers" von K. Patek, CRC Press, Cleveland, 1S70, insbesondere Kapitel 12 und 13 verwiesen, Jßdenfalls können, wie ersichtlich, Gestalt und Eigenschaften des Laserkörpers stark variieren und sind keine kritischen Merkmale der vorliegenden Erfindung. Im Betrieb kann der Laserkorper mit irgendeinem geeigneten Mittel, wie einer Impulslichtquelle, dio Licht

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ORiGlNAL INSPECTED

^COPY ^Q

:ür einige Millisekunden oder darunter aussendet, bestrahlt werden. 2s können aber auch andere Erregerquellen, wie z. B. ein anderer üaser verwendet werden. Bei gewissf-n Anwendungen wird eine kontiauierliche Erregung einer pulsierenden vorgezogen. Bezüglich weiterer Informationen wird -~uf "Introduction to Laser Physics" von BeIa A. Lengyel, John VJiley & Sons, New York, 1966, verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Glaslaser mit der gewünschten Eigenschaf tenkoinbination von hoher Leuchtabklingzeit {"C ) bei enger Emissionslinienbreite Üb) , verbunden mit einem hohen Querschnitt induzierter Emission (v) sowie niedrigem nicht-linearen Brechungsindex (n„) zu schaffen.

Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat kürzlich Phosphat-Lasergläser mit verbesserten Leuchtabklingzeiten von etwa 300 p.s bei engen Einissionslinienbreiten und verbesserten n»-Tierten gefunden {siehe US-PS 4,076,541). Danach hat er Fluorophosphat-Lasergläser mit längeren Leuchtabklingzeiten und sehr viel niedrigeren n^-Werten gefunden. Siehe das Beispiel 5 in der Tabelle 1 weiter hinten.

3⁺ Durch die vorliegende Erfindung sind nun Gläser mit Nd als die aktiv lasende Spezies geschaffen mit verbesserter Kombination von langen Leuchtabklingzeiten (über 4 50 /is bei einer Wellenlänge von etwa 1050 nm), hohem Querschnitt induzierter Emission (über 3,3 x 10 cm ) und niedrigen n^-Werten (unter 0,6 χ 10 cm~/Statvolt²} ,

9 098 4 3 J^:06'W^v- ^ ^: COPV '**-*?'■>

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung solcher Gläser,

Weitere Merkmale der Erfindung sowie Vorteile, zu denen sie führt, werden aus der nun folgenden Beschreibung deutlich v/erden.

Durch die Erfindung sind Fluorophosphat und Beryllium enthaltende

3⁺
Gläser mit Nd als eine aktive lasende Spezies, wie noch genauer

beschrieben wird, geschaffen.

Gemäß einer Ausführungsforin der Erfindung hat ein laserfähiges, ' Neodym als aktive lasende Spezies enthaltendes Glas folgende allgemeine Formel I

O⁺ 3⁺ 3⁺ 5⁺ o~ -ι"

A. Be₁ AIT Nd P^D (O" F¹ ) h k 1 m η χ y

in der A für Kationen steht, die mindestens eines der Kationen

1⁺ 1⁺ 1⁺ 1 ⁺ I⁺ ' 1⁺

Na /Li ,K , Rb und Cs sind; gewöhnlich ist es Na

2x + y ist immer 1 und h, k, 1, m und η zeigen jeweils die Zahl der betreffenden Kationen bezogen auf die Anionen, Sauerstoff plus Fluor, an. χ liegt im.Bereich von 2n bis 3,2n, h von C ,05 bis 0,25, k im Bereich von 0,1 bis 0,35, 1 im Bereich von 0 bis 0,15, m ist eine laserfähige Menge von Nd bis zu 0,015 (gewöhnlich mindestens 0,0001) und η bedeutet 0,02 bis 0,15. Vorzugsweise liegt h im Bereich von 0,08 bis 0,2, k im Bereich von 0,15 bis 0,3 und 1 im Bereich von 0 bis 0,1. Gläser der vorstehenden allgemeinen Formel I bestehen im wesentlichen aus den angegebenen Ionen in den angegebenen Mengen, aber kleine Mengen anderer Katio-

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COPV

nen, die die hierin diskutierten· Eigenschaften der .Gläser nicht ernstlich beeinträchtigen, können eingeschlossen sein. Ferner können sie eine übliche kleine Menge eines der üblichen Solarisations· inhibitoren enthalten, wenn erforderlich.

Die erfindungsgemäßen Gläser haben die bereits angegebenen Eigenschaften. In der US-PS 2,716,069 sind bestimmte Nd-freie Gläser offenbart, von denen bestimmte andererseits die gleichen Komponenten wie die erfindungsgemäßen Gläser haben, und so könnte man aus den offenbarten η -Werten und den Abbe'-Zahlen (in der US-PS nit Nu-Werten bezeichnet) erwarten, daß sie niedrige n„-Werte aufweisen. Die Gläser sind nicht als Wirte für laserfähige Ionen offenbart. Darüber hinaus sind die hohen Leuchtabklingzeiten und die hohen Querschnitte der induzierten Emission, die die Gläser der vorliegenden Erfindung aufweisen, weder aus der Offenbarung der US-PS voraussagbar noch nahegelegt.

Die erfindungsgemäßen Gläser werden aus geeigneten Glassatzmaterialien durch Schmelzen in einem geeigneten elektrischen oder gasbeheizten Ofen zweckmäßigerweise an der Luft geschmolzen. Es muß jedoch sorgfältig darauf geachtet werden, daß Gesundheitsschäden durch Kontakt mit den Glassatzmaterialien und Einatmen der Dämpfe, insbesondere im Hinblick auf die bekanntlich nicht ungefährlichen Berylliumverbindungen vermieden v/erden.

Ein Laserglas nachstehender Zusammensetzung

.../14

§09843/0629

COPY _lT;._

Beispiel' 1

11	,2
24	,5
15
48	,7
O	,57

Mol % NaPO₃
NaF

AlF₃ BeP₂ NdF-,

wurde aus Klümpchen von glasigem BeF- und partikuliertem Natriummetaphosphat, Natriumfluor id, Alum ir.iumf luorid und Neodyraf luorid hergestellt, wobei jede der vorgenannten Verbindungen vorher durch Erhitzen getrocknet worden war. Die Glassatzraaterialien waren weitgehendst rein. Das Schmelzen wurde bei 930° C in einem Platintiegel in einem elektrischen Muffelofen an Luft vorgenommen. Der Tiegel wurde aber mit einer Platinfolie bedeckt. Der Glassatz wurde über eine Zeitdauer von 45 Min. eingebracht und das Schmelzen in weiteren 45 Min. bewirkt. Viährend des Schmelzens wurde die Schmelze zweimal mit einem Platin-Rührstab gerührt. Dann wurden mehrere Glasmuster eines Durchmessers von 5,72 era und einer Dicke von 1,27 cm in Graphitformen gegossen. Das Glas_#war hell purpur, transparent und zeigte keine Entglasur.g, Die Muster wurden 1 Std, bei etwa 190° C geglüht.

In gleicher Weise wurde eine. Anzahl weiterer Gläser nach der Erfindung hergestellt. Die Eigenschaften aller dieser Gläser sind in Tabelle 1 aufgeführt; in die Tabelle sind auch die Eigenschaften des Fluorophosphatglases gemäß Beispiel 5 der US-PS 4,076,541 auf-

909843/0629 · "^/15

genommen.

Die Zusammensetzungen der in der Tabelle gebrachten Gläser 1-4 nach der Erfindung haben etwa folgendes Zusammensetzung:

Beispiel Formel_

Na Be Al" Nd P (O F)

0,15 0/21 0,06 0,002 0,048 0,14 0,71

I⁺ 2⁺ 3⁺ 5⁺ 2" 1~

Na' Be Nd^-3 P^D (0 F)

0,15 0,17 0,002 0,1 0,3 0,4

_r4-Na¹ Be Nd P

.+ «+ _+ _r4 . ¹ Be Nd P^J (0 F)

0,18 0,24 0,002 0,07 0,2 0,6

1⁺ O⁺ ^ I⁺ ς⁺ ·>' 1" Na' Be Al^-5 Nd"⁵ P^D (0 F)

0,11 0,25 0,05 0,002 0,05 0,14 0,72

Die Beispiele 1-4 dienen nur zur Veranschaulichung der Erfindung, welche nicht auf diese Beispiele beschränkt ist. Zur Zeit werden die Beispiele 1 und 4 als die angesehen, die die beste Art der Erfindung, wie mit 35 U.S.C, 112 geraeint, darstellen.

Die in der Tabelle 1 für n₂ angegebenen Werte geben, wenn sie mit

"13 2

10 multipliziert werden, n₂ in cn /Statvolt . Der nicht-lineare

Brechungsindex n₂ wird durch die nachstehende Formel gefunden, in der ν die Abbe-Zahl bedeutet, '

$09843/0629 "^t/u

₁₃ 68(n -l)(n ²+2}² '
η χ 10' —■ rr-rv. cnT/Statvolt:

Eine Kombination von hoher Abbe-Zahl mit einem niedrigen Brechungsindex n_n führt zu einem niedrigen nicht-linearen Brechungsindex n₀. Eine Glaslaserkomponente mit einem relativ hohen n„ neigt zum Selbstfokussieren, insbesondere wenn sie in Neodym-Glaslasern mit sehr hoher Spitzenleistung verwendet wird. Selbstfokussieren verursacht bleibende Beschädigung einer Neodym-Glaslaserkomponente und Glaslaserkomponenten mit einem so niedrigen nicht-linearen Brechungsindex wie möglich.

.../17

Ö09843/0629

Tabglle_r

Beispiel ■ Komponenten

NaPO₃ AlF₃ LiF NaF BeF₂ MgF₂ CaF₂ SrF₂ BaF₂ NdF₃ ' Dichte,

ⁿD -^VD

/3

g/cm

Effektiv Δλ (η») (Linienbreite) Peak λ

σ χ ΙΟ²⁰ (in cm ²) bei etwa 1050 nm

Mol-Teile

11,2	30,9	16	ιι,ι· ■	·." ,' ^, ν	0,56	■ 32 4
15	■ -	—	12,1	2,435	4
24,5	15	25,8	16,2	• ' 1,343	*· 9
48,7	53,5	57,7	60,1	93	29
				0,36	9 ·
		_	—	• . 22,0	9" *
			1046	1
0,57	0,62	0,54 /	\π · "	3 »47
2,524	2,475	2,38	' '3,7 '	I₅ 443
1,356	1,394	1,355		92,2
93	80	87	■ 0,52
0,37	' 0,54	0,41	. 30,4
I 21,8	22,0	20,5	1050
9 1046	1048	1047	500
• 700	557 ·	626 ,	2,6
3,7	4,2	4,4

CD OO CD OO CO

Claims

!•ATrwTA?iV'Äi.TS 9 Q Hon ^Q

L Q U ö U ν g

.-ing. H. HALTE · nirL.-rnYS. W. SCHMITZ · »IPL.-ING. E. GRAALFS ₁-IMG₁ W. WEIINERT · dipl.-puys. W. CARSTENS ■ dr.-ing. W. DÖRING

DAMUUHG ■ MÜNCHEN - DÜSSELDORF

• PATENTANWALT £ ■ NEUEH WAU 41 · 2000 βΑΜΒΙΓΗΟ 8β · SCltMITZ'GRAALFS

NEUER WALL 41 · 2000 IIAMBURG 3(l· TELEFON + TEr.KCOrlEIt lO-iO} 3β Or 53 TELEX 02 11 7ββ, f.tiJ&.T D

OWENS-ILLINOIS, INC. CABLENBgBOAiAAE¹NTHAMBURQ

P. 0. Box 1035

HAUCK · CARSTENS

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CABLE NEaEDAI¹ATENT MÜNCHEN

USA WEHNERT-DÖRING

IC-WILH₁-RIiVG 41-4000 DÜSSELD ORF 11

TELEFON (OSIl) 07 flO ZTZB . TELEX OS SSl 3SB SYNA D

CABLS NEGEDAPATBNT DÜSSELDORF

ZUSTELLUNGSANSCHRIFT/PLEASE REPLY TO: HAMBURG, 26. Februar 1979

Glaszusaretnonsetzung, die für die Verwendung als aktive Laserkomponente geeignet ist

Patentansprüche:

Y)

,A.J Glaszusammensetziing, die für die Verwendung als aktive Laserkojnponente geeignet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus den Komponenten in den Verhältnissen, wie durch die allgemeine Formel I wiedergegeben, besteht

,+ 3⁺ 3⁺ 5⁺ 2" 1"

• Ail ml ρ= (ο* J )

in der A mindestens ein Ion aus der Gruppe Na ,Li ,K ,Rb und Cs bedeutet;

Neodym in einer laserfähigsn Menge bis zu m — 0,015 vorliegt; . .

2;t plus y immer 1 ist;

ZUOKXASSKNK VBHTIiKTKlI BKtSt KtiROrXTSCnüN PATENTAMT Ij

ADMITTED JiEWtESEXTATJVES BIiVORSTIIB RUIiCHMSAM IMTBNT OFFtCK * * ' ' *"

9098A3/0623

' ORIQfNAL INSPECTED

h_f k, 1, m und η jeweils der der Zahl der Atome entsprechende Index, bezogen auf die Summe χ + y bedeuten;

h ist,0,08-0,2 für alle Α-bildenden Atome k ist 0,15-0,3

1 ist 0-0,1 , ·

η ist 0,02-0,15 und
χ ist 2 n-3,2 n;
und die Glaszusammensetzung

eine Leuchtabklingzeit von über 450 fts bei einer Wellenlänge von etwa 1050 nm,

einen Querschnitt induzierter Emission von über

—20 2

3,3 x 1O cm. und einen n^-Wert von weniger als

0,6 χ 1O"¹³ cm²/Statvolt² aufweist.

909843/0629 ·>·/3

Claszuse^ensetzung, die für,die Vorwendung als aktive Laserkomponente geeignet ist, nach-Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, da* sie. im wesentlichen aus den Komponenten in den Verhältnissen, wie durch die allgemeine Formel I wiedergegeben, besteht

. in der

Neodym in einer laserfähigen Menge bis zu m = 0,015

vorliegt?

2x plus y immer 1 ist;

h, k, 1, m und η jeweils der der Zahl der Atome

entsprechende Index, bezogen auf die Summe χ + y bedeuten; h ist 0,08-0,2 k ist 0,15-0,3 1 ist 0-0,1

η ist 0,02-0,15 und χ ist 2 n-3,2 n;' und die Glaszusammensetzung

eine Leuchtabklingzeit von über 450 fis bei öiner Wellenlänge von etwa 1050 nm,

einen Querschnitt induzierter Emission von über 3,3 χ 10 cm' und einen n^-Wert von wenigej: als 0,6 χ 1o"¹³ cra²/Statvolt² aufv?eist,

009843/0629 . .·./«

aktive Läser-

■?* Glaszusammensetssung, die fUr^ die Verwendung als al komponente geeignet, ist, nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, daß sie. im wesentlichen aus den Komponenten in den Verhältnissen, wie durch die allgemeine Formel I ¹ ' wiedergegeben, besteht

1 1

in der A mindestens ein Ion aus der Gruppe Na ,Li _fK

und Cs bedeutet;

• 2x plus y immer 1 ist;

h, k, 1, m und η jeweils der der Zahl der Atome entsprechende Index, bezogen auf die Summe X + y bedeuten;

h 1st 0,08-0,2 für alle Α-bildenden Atome k ist 0,15-0,3
1 istO-0,1
' ία ist 0,0001-0,015
η ist 0,02-0,15 und
χ ist 2 n-3,2 n;
und die Glaszusammensetzung

eine Leuchtabklingzeit von über 4 50 us bei einer Wellenlänge von etwa 1O50 nm, einen Querschnitt induzierter Emission von über

~20 2

3,3 χ 10 cm und einen n_o~Wert von weniger axs

0,6 x 10"¹³ cm²/Statvolt² aufweist.

909843/0629 *"^/5

. Glaszusammensetzung, die für die Verwendung als aktive Laserkomponente geeignet ist, nach· Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus den Komponenten in den Verhältnissen, wie durch die allgemeine Formel I

' wiedergegeben, besteht

3⁺'5* 2~ 1 P* (O²V

. in der

2x plus y immer 1 ist;

h, k, 1, m und η jeweils der der Zahl der Atome entsprechende Index, bezogen auf die Summe χ + y bedeuten; h ist 0,08-0,2 k ist 0,15-0,3 1 ist 0-0,1

m. ist 0,0001-0,015

η ist 0,02-0,15 und · ·

χ ist 2 n-3,2 n; und die Glaszusammensetzung eine Leuchtabklingzeit von über 450 jqs bei einer Wellenlänge von etwa 1050 nm, einen Querschnitt induzierter Emission von über 3,3 x 10 cm und.einen n₂~Wert von weniger als

0,6 x ?0~¹³ cm²/Statvolt² aufweist.

909843/0629

■ " ^β " 29Ö8039

5. Glaszusammensetzung, die fuddle Verwendung als aktive Laserkomponente geeignet.ist, nach, Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, da0 sie im wesentlichen aus den Kompo-

nenten in den Verhältnissen, wie durch die allgemeine Formel I wiedergegeben, besteht

' · 1⁺ 1⁺ 1⁺ 1⁺

in der A mindestens ein Ion aus der Gruppe Ma ,Li ,K ,Rb

und Cs bedeutet;

Neodym in einer.laserfähigen Menge bis zu m = 0,015

vorliegt;

2x plus y immer 1 ist;

h, k, 1, m und η jeweils der der Zahl der Jvtome entsprechende Index, bezogen auf die Summe χ + y bedeuten; h ist 0,05-0,25 für .alle Α-bildenden Atome k ist 0,1 -0,35 1 ist 0-0,15

η ist 0,02-0,15 und χ ist 2 n-3,2 n;

und die Glaszusammensetzung eine Leuchtabklingzeit von über 450 ps bei einer Wellenlänge von etwa 1050 ran, einen Querschnitt induzierter Emission von über

"*2O 2 3,3 χ 10 cm und einen n_o-Wert von wenigci-"

0,6 x 10 cm²/Statvolt² aufweist,

909843/0629 ,.

6.. Glaszusammensetzung, die für₍ die Verwendung als aktive Laserkomponente geeignet ist, nach. Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, daß siö im wesentlichen aus den Komponenten in den Verhältnissen, wie durch die allgemeine Formel I wiedergegeben, besteht

in der

. Neodym in einer laserfähigen Menge bis zu m = 0,015 vorliegt?
2x plus y immer 1 ist;

h, k, 1, m und η jeweils der der Zahl der /\tome entsprechende Index, bezogen auf die Summe

χ + y bedeuten;

h ist 0,05-0,25

k ist 0,1 -0,35

1 ist 0-0,15

η ist 0,02-0,15 und x ist 2 n-3,2 n;

und die Glaszusammensetzung

eine Leuchtabklingzeit von über 450 us bei sinor Wellenlänge von etv;a 1050 nm, einen Querschnitt induzierter Emission von über

~?0 2

3,3 χ 10 * cm und .einen n_o-Wert von weniger ala

0,6 χ 1O"¹³ cm²/Statvolt² aufweist,

$09843/0629 *"^/8

7. Glaszusarnmensetzung, die f Ur₍ die Verwendung als aktive Laserkomponente geeignet.ist, nadh Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, daß sie. im wesentlichen aus den Komponenten in den Verhältnissen, wie durch die allgemeine Formel I wiedergegeben, besteht

2*~ x ^Py

1⁺ 1⁺ 1⁺

der A mindestens ein Ion aus der Gruppe Na ,Li ,K ,Rb

und Cs bedeutet;

2x plus y immer 1 ist;

h, k, 1, m und η jeweils der der Zahl der Atome entsprechende Index, bezogen auf die Summe χ + y bedeuten; h ist 0,05-0,25für alle Λ-bildenden Atome k ist 0,1 -0,35 1 ist 0-0,15

m. ist 0,0001-0,015 η ist 0,02-0,15 und x ist 2 n-3,2 n;

und die Glaszusammensetzung eine Leuchtabklingzeit von über 4 50 us bei oincr Wellenlänge von etwa 1050 nm, einen Querschnitt induzierter Emission von über

•"2O ? 3,3 χ 10 cm* und ei.nen n₂~Wert von weniger als

0,6 κ 1-O*"¹³ cm²/Statvolt² aufweist.

909843/0629 ^f"^/9

B. Glaszusammensetzung, die.. £ür die Verwendung als aktive Laser- -Vkomponente geeignet ist, nach. Anspruch 1,

^VlV dadurch gekennzeichnet, daß sie. im wesentlichen aus den Komponenten in den Verhältnissen, wie durch die allgemeine Formel 1 - wiedergegeben, besteht

3⁺

. in der

2x plus y immer 1 ist;

h, k, 1, m und η jeweils der der Zahl der Atome

entsprechende Index, bezogen auf die Summe χ + y bedeuten; h ist 0,05-0,25für alle Α-bildenden Atome k ist 0,1 -0,35 1 ist 0-0,15

m. ist 0,0001-0,015,

η ist 0,02-0,15 und x ist 2 n-3,2 r,; und die Glaszusamniensetzung

eine Leuchtabklingzeit von über 4 50 με bei eincr VJellenlänge von etwa 1050 nm, einen Querschnitt induzierter Emission von über 3,3 x 10 cm und^ einen η₉-Wert von v/eniger als 0,6 x 10 cm"/Statvolt aufweist.

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