DE3781098T2

DE3781098T2 - Methode fuer den kontinuierlichen betrieb eines lasers.

Info

Publication number: DE3781098T2
Application number: DE8787904335T
Authority: DE
Inventors: B Chang; A Pollack
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1986-05-30
Filing date: 1987-05-01
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2007-05-02
Also published as: US4782494A; DE3781098D1; EP0268670B1; WO1987007448A3; JPS63503501A; WO1987007448A2; JPH0744305B2; EP0268670A1

Description

Auf die US-Anmeldung, Seriennummer 869,270, betitelt "UPCON- VERSION PUMPED LASERS", gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung durch die gleichen Erfinder eingereicht, wird Bezug genommen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft allgemein das Lasergebiet und insbesondere Festkörper-, Raumtemperaturlaser mit kontinuierlichen Wellen und Verfahren zum Betreiben von ihnen.
Es ist wohlbekannt, daß einige Ionen der seltenen Erden, sofern sie in ausreichender Konzentration als Verunreinigungen in einem geeigneten Wirtsgitter eingefügt werden, Infrarotstrahlen zu verschiedenen kürzeren Wellenlängen "up-convertieren" (upconvert). Die Up-Conversion, d. h. die Conversion von langwelliger in kurzwellige Strahlung durch bestimmte Festkörper ohne die Hilfe von Hilfsstrahlen, kann durch verschiedene Multiphotonenmechanismen erzielt werden. Indessen wird nur einer davon, nämlich der kooperative Anregungsmechanismus als effizient genug erachtet, um praktisch handhabbar zu sein. Der letztere Mechanismus findet gemäß einem Schema statt, in dem die Grundzustandselektronen von verschiedenen Atomen (Ionen) jeweils ein Infrarotphoton absorbieren. Die Energie wandert nachfolgend durch einen nichtstrahlenden Prozeß zu einem einzelnen Atom und regt ihn auf ein höheres Energieniveau mit nachfolgender Fluoreszenz an.
Ungefähr 15 Ionen der Übergangsgruppen, und zwar vorwiegend seltene Erden, welche in verschiedenen Festkörperwirtsmaterialien eingefügt sind, sind dafür bekannt, daß sie in einem kontinuierlichen Wellen(CW)-Mode lasen, aber ein Großteil dieser Linien benötigt für das Lasen tiefe Temperaturen. Der CW-Betrieb bei Raumtemperatur ist für viele wissenschaftliche, medizinische und industrielle Anwendungen von Bedeutung. Beispielsweise werden CW-Laser für spektroskopische Studien, für Wund- und Koagulationsprozesse, zum Schneiden und Drillen von Materialien, für die Kommunikation in Verbindung mit integrierter Optik und zum Ausrichten von elektrooptischer Hardware verwendet.
Er³&spplus;-Ionen haben in Festkörper-Raumtemperaturlasern gelast, aber nur in einem gepulsten Mode. Das Lasen von Er³&spplus;-Ionen zwischen den &sup4;I11/2- und &sup4;I13/2-Zuständen (vgl. Fig. 2 und 11) um 3 um herum in einem gepulsten Mode ist in der Vergangenheit in mehr als einem Dutzend verschiedenen Wirtsmaterialien erzeugt worden. In vielen Wirtsmaterialien laste das Er³&spplus; ohne eine deaktivierende Ionenhilfe.
Die meisten 3 um Erbium-Laser weisen im allgemeinen die folgenden Eigenschaften auf: (1) Sie arbeiten bei Raumtemperatur; (2) sie benötigen eine hohe Erbium-Ionenkonzentration für eine geringe Anregungsenergie; und (3) sie sind durch ein Endzustands/Anfangszustands-Lebensdauerverhältnis von größer als eins charakterisiert, in einigen Materialien überschreitet dieses Verhältnis zehn. Überraschenderweise arbeiten diese Laser sehr gut bei Raumtemperatur mit geringer Schwellpumpenergie. Die dritte Eigenschaft deutet darauf hin, daß diese Laser nicht in einem CW-Betrieb arbeiten würden.
Um das gepulste Lasen zu erklären, ist eine Hypothese von verschiedenen Leuten gemacht worden, die das Stark-Splitting der angeregten &sup4;I11/2- und &sup4;I13/2-Zustände berücksichtigt. Gemäß dieser Hypothese findet der &sup4;I11/2-&sup4;I13/2-Laserprozeß wie folgt statt. Zunächst sind die oberen Niveaus des Endzustandes kaum bevölkert. Daher wird eine Besetzungsinversion bei den Niveaus der &sup4;I11/2-Mannigfaltigkeit erzeugt, was zu einer Laseremission führt. Die kürzeren Wellenlängenlinien verschwinden schnell aus dem Laserspektrum, da die weiter unten liegenden Niveaus der Endmannigfaltigkeit schneller sättigen. Nur die Linien mit der größten Wellenlänge, welche bei den oberen Niveaus der Endmannigfaltigkeit enden, würden überleben und können in dem späteren Laserspektrum beobachtet werden. Dies ist die sog. "Rotverschiebung" der Spektrallinien von selbstsättigenden Lasern. Laserübergänge zwischen Zuständen, für die die Lebensdauer des Anfangszustandes kürzer ist als die Lebensdauer des Endzustandes, werden selbstsättigend genannt.
Das Soviet Journal of Quantum Electronics, Bd. 4, Nr. 12, Juni 1975, Seiten 1469-1470 berichtet von einer Erforschung des stimulierten Emissionsspektrums eines CaF&sub2;: Er³&spplus;-Kristalls. Die Untersuchung ist unternommen worden, um einen Laser zu erzeugen, der bei Raumtemperatur arbeitet und der in der Lage ist, einen optischen parametrischen CdSe Oszillator zu pumpen. Demgemäß ist gezeigt worden, daß es Unterschiede in der Struktur der stimulierten Emissionsspektren von CaF&sub2;:Er³&spplus;-Kristallen mit einer Er-Konzentration von 4% zwischen verschiedenen Kristallen gibt: Die stimulierte Emission von einigen Kristallen trat nur bei einer Wellenlänge (2762,0 ± 0,6 nm) auf, wohingegen andere Kristalle bei λ = 2729,2 ± 0,6 nm emittierten. Desweiteren ist gefunden worden, daß wenn die Pumpenergie erhöht wird, auch Emissionslinien mit einer längeren Wellenlänge beobachtet werden. Die Anzahl dieser Linien nahm mit Erhöhung der Pumpenergie zu und wenn diese Energie 3500 J erreichte, betrug die Gesamtanzahl der Linien 12. Das System wurde mittels zwei Blitzlampen konventionell gepumpt.
Das Soviet Journal of Quantum Electronics, Bd. 13, Nr. 9, September 1983, Seiten 1235-1237 berichtet von einer Analyse einer neuen Konfiguration eines Lasers, der den &sup4;I11/2- &sup4;I13/2-Übergang in den Er³&spplus;-Ionen in YAG mit einer hohen Aktivatorkonzentration (5·10²¹ cm&supmin;³) verwendet. Demgemäß wurde der Einfluß eines nichtstrahlenden Transfers von Elektronenanregungsenergie infolge von Ion-Ion-Wechselwirkungsprozessen untersucht. Zwei verschiedene Typen dieser Wechselwirkung sind beobachtet worden: Zunächst der sog. "Kreuz-Relaxations"-Prozeß (cross-relaxation process) des &sup4;S3/2-Zustandes, der durch die Zwischenniveaus &sup4;S3/2 und &sup4;I9/2 angeregt worden ist, und zweitens kooperative Prozesse, die zu der Anhäufung von Energie von zwei oder drei angeregten Ionen führten (die Energie wird dann als ein Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den angeregten Ionen transferiert). Unter verschiedenen Annahmen, die für das YAG-System gemacht worden sind, sind zwei Hauptergebnisse gefunden worden: Zunächst beschleunigen die kooperativen Prozesse die Deaktivierung des langlebigen &sup4;I13/2-Niveaus derart, daß bei einer bestimmten Pumprate es möglich wird, eine CW-Besetzungsinversion in den beteiligten Laserniveaus zu erzielen. Zweitens führt das Auftreten der nichtstrahlenden irreversiblen Kreuz-Relaxations- und kooperativen Prozesse zu dem Effekt, daß die gesamte Energie, die bei der Anregung der Er³&spplus;-Ionen verlorengegangen ist, als ein Ergebnis der &sup4;I9/2-&sup4;I11/2-&sup4;I13/2-Übergänge wiedergewonnen wird und in stimulierte Strahlung rekonvertiert werden kann.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß es im Stand der Technik bekannt ist, daß nichtstrahlende Elektronen-Anregungs-Transferprozesse in verschiedenen Lasermaterialien auftreten können, die kontinuierliche Laservorgänge in konventionellen Vierniveausystemen erlauben, selbst wenn die Lebensdauerbedingung nicht erfüllt ist (die Lebensdauer des unteren aktiven Niveaus ist erheblich länger als die Lebensdauer des oberen Niveaus).
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines verbesserten Festkörper-Raumtemperaturlasers, der kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich betrieben werden kann, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 gelöst.
Genauer gesagt betrifft ein Teil der Lehre der vorliegenden Erfindung das Erkennen von Eigenschaften des &sup4;I11/2-&sup4;I13/2- Laserübergangs des Er³&spplus;-Ions (vgl. die Fig. 2 und 11). Beispielsweise ist gefolgert worden, daß wenigstens in einem CaF&sub2;-Wirt die obige Hypothese zwei wichtige experimentelle Tatsachen nicht erklärt. Zunächst wird die vorhergesagte Rotverschiebung tatsächlich in dem Laserspektrum beobachtet, indessen dauert die lange (rote) Wellenlängenemission nur eine kurze Zeit. Durch einige Mechanismen werden die tief erliegenden Niveaus der Endmannigfaltigkeit (beispielsweise des &sup4;I13/2-Zustandes) erneut geleert, was zu einer Wiederherstellung der kurzen Wellenlängenemission führt, die das "späte" Laserspektrum dominiert. Zweitens ist infolge eines überraschend kleinen Betrages für die optische Energie, die benötigt wird, um die Anfangszustandsbesetzung zu invertieren, gefolgert worden, daß ein CaF&sub2;(Er³&spplus;)-Laser beispielsweise in einem semikontinuierlichen Wellenmode betrieben werden kann.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren zur Erzeugung eines quasi-kontinuierlichen Laserbetriebes zwischen Anfangs- und Endlaserzuständen, welches die Schritte umfaßt: Auswählen eines Lasermediums und einer Resonatorkonfiguration (Laserfrequenz), wobei das Lasermedium ein up-convertierendes Material enthält, das für den Austausch von Energie zwischen einer ausreichenden Anzahl von Elektronen in dem Endlaserzustand (Mannigfaltigkeit) sorgt, um eine Besetzungsinversion zwischen den Anfangs- und den Endlaserzuständen während des Laserbetriebes aufrechtzuerhalten; und Anwenden von Anregungsenergie in einem geeigneten Umfang auf das Lasermedium während wenigstens einer quasi-kontinuierlichen Zeitperiode. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist das up-convertierende Material ein Material, das einige der austauschenden Elektronen zu Energiezuständen bei oder oberhalb des metastabilen Anfangslaserzustandes up-convertiert. In einer besonderen Ausführungsform umfaßt das Lasermedium einen Calziumfluoridkristall, der 5 bis 10 Mol-% von Erbium-Ionen beherbergt und der Resonator ist für das Lasen zwischen den Zuständen &sup4;I11/2 und &sup4;I13/2 bei ungefähr 2,8 um eingestellt, vgl. Fig. 11. Es wird im Zusammenhang mit Fig. 11 darauf hingewiesen, daß obwohl nur bestimmte Zustände, beispielsweise &sup4;I11/2 und &sup4;I13/2, zwischen denen Lasen bei 2,8 um beispielsweise auftreten kann, dargestellt sind, der Fachmann wissen wird, daß genauer das Lasen zwischen einem Band von Energiezuständen um beispielsweise den &sup4;I11/2-Zustand (der Anfangsmannigfaltigkeit) herum auftritt, und daß die emittierte Laserenergie ein Band von Wellenlängen um 2,8 um herum umfaßt. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der CW-Betrieb durch das Recycling von Elektronen weg von der unteren Lasermannigfaltigkeit möglich gemacht, so daß die Besetzungsinversion aufrechterhalten wird. Dieses Recyceln bringt, für das Beispiel der Wechselwirkung zwischen zwei Ionen mit sich, daß eines der austauschenden Ionen unterhalb des Mannigfaltigkeitsniveaus fällt (beispielsweise von &sup4;I13/2 zu &sup4;I15/2) und das andere austauschende Ion zu oder oberhalb (beispielsweise zum &sup4;I9/2-Energiezustand) der Anfangslasermannigfaltigkeit gehoben wird, welche beispielsweise der &sup4;I13/2 Energiezustand ist. Die Up- Conversion betrifft mehr die Erhöhung der Energiezustände der Elektronen als einen Vergleich der Frequenzen der angelegten und emittierten Energien. Eine "semikontinuierliche" Zeitperiode ist eine verlängerte Periode, beispielsweise über 20 ms, die nicht durch Verluste der Besetzungsinversion infolge der Lebensdauer des Endzustandes begrenzt ist, sondern beispielsweise kann die Periode durch die Dauer der Anregungsenergie gebildet sein.
Es ist ein weitere Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein neuer Festkörper-Raumtemperaturlaser zum kontinuierlichen Betrieb und ein Verfahren zum Betreiben von ihm bereitgestellt wird.
Ein anderer Vorteil liegt in der Bereitstellung eines CW-Infrarot-Erbium-Lasers und eines Verfahrens zum Betreiben von ihm.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung eines quasi-kontinuierlichen Laserbetriebs bei ungefähr 2,8 um.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die neuen Merkmale, welche als für die vorliegende Erfindung charakteristisch erachtet werden, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen angeführt. Die Erfindung selbst, nämlich sowohl im Hinblick auf die Organisation und das Betriebsverfahren sowie im Hinblick auf zusätzliche Aufgaben und Vorteile von ihr werden am besten mit Hilfe der vorliegenden Beschreibung verstanden, wenn sie in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung gelesen wird, in der gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile bezeichnen. Es zeigt:
Fig. 1 die Absorptions- und Emissionsbänder von CaF&sub2; (10% Er³&spplus;). Die Emission wird durch up-convertierte 1,5 um-Strahlung angeregt. Die relativen Intensitäten der Emissionsbänder sind nicht in der richtigen Skalierung gezeichnet.
Fig. 2 das Energieniveaudiagramm des Er³&spplus;-Ions und das Up-Conversions-Anregungsschema.
Fig. 3 die relativen Intensitäten der haupt-up-convertierten Bänder über den relativen Intensitäten der 1,6 um- und 0,9 um-Anregungsstrahlung.
Fig. 4 die Abhängigkeit der relativen Intensitäten der up-convertierten Bänder von der Konzentration der Er³&spplus;-Ionen in CaF&sub2;.
Fig. 5 die Up-Conversions-Effizienz für die sichtbaren Bänder über der Intensität der 1,5 um-Anregungsstrahlung.
Fig. 6 die Lebensdauer von &sup4;I11/2 und &sup4;I13/2 bei Raumtemperatur über der Konzentration der Er³&spplus;-Ionen in CaF&sub2;.
Fig. 7 den spektralen Ausgang des &sup4;I11/2-&sup4;I13/2-Laserübergangs in CaF&sub2; (Er³&spplus;) in einem Vakuum bei Raumtemperatur.
Fig. 8 den spektralen Ausgang des &sup4;I11/2-&sup4;I13/2-Laserübergangs in CaF&sub2; (Er³&spplus;) in 100 mm Hg von CO&sub2; bei Raumtemperatur.
Fig. 9 die zeitaufgelöste CaF&sub2;(Er³&spplus;)-Laseremission bei 2,75 um (untere Spur) und 2,80 um (obere Spur).
Fig. 10 die Schwellwertpumpenergie (untere Kurve 152) und die Intensität der up-convertierten Strahlung (obere Kurve 150) als Funktionen der Er³&spplus;- Ionenkonzentration in CaF&sub2;.
Fig. 11 die Energieniveaus, die bei der Up-Conversion und dem Laserpumpschema für den &sup4;I11/2-&sup4;I13/2- Übergang in CaF&sub2; (Er³&spplus;) beteiligt sind.
Fig. 12 die Laseremission bei 2,8 um in CaF&sub2; (Er³&spplus;), das von einem 1 ms Xenon-Blitzlampenpuls bei Raumtemperatur angeregt worden ist.
Fig. 13 ein schematisches Diagramm eines CaF&sub2;-Up-Conversions-Laseraufbaus, der für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich ist.
Fig. 14 die Emission des CaF&sub2; (5% Er³&spplus;)-Lasers um 2,8 um (obere Spur), der von einer 1,54 um-Strahlung eines Erbium-Glaslasers (untere Spur) bei Raumtemperatur angeregt worden ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 ein schematisches Diagramm eines Aufbaus eines CaF&sub2; (Er³&spplus;)-Lasers, der für das Verständnis des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hilfreich ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Erbium, das als Verunreinigung in vielen Wirtsgittern enthalten ist, kann 1,5 um- und 980 nm-Strahlung mit oder ohne der Hilfe eines Sensibilisators up-convertieren. Einige reine Erbium-Verbindungen, wie beispielsweise ErF&sub3;, zeigen diese Eigenschaft auch. Die Strahlung wird zu den &sup4;I13/2und/oder &sup4;I11/2-Zuständen des Er³&spplus;-Ions absorbiert oder transferiert und wird dann in verschiedene sichtbare und Infrarotbänder convertiert. Erdalkali-Fluoridkristalle, welche mit einigen Mol-Prozent von Erbium dotiert sind, sind durch eine sehr effiziente Up-Conversion charakterisiert.
Die Absorption einer 1,5 u-Strahlung in CaF&sub2; (10% Er³&spplus;) führt zu einer Emission von sieben Bändern in dem roten bis zum violetten Bereich des Spektrums, mit Wellenlängen, die von 985 bis 382 nm rangieren, wie in Fig. 1 mit nebeneinandergestellten Emissions- und Absorptionsbändern gezeigt. Fig. 2 zeigt das Energieniveaudiagramm des Er³&spplus;- Ions und ein Anregungsschema für die wichtigsten up-convertierten Bänder. Zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Bändern sind auch drei Bänder in dem infraroten, nämlich um 2,7; 2,0 und 1,15 um herum, beobachtet worden. Diese Bänder rühren aus Übergängen zwischen den angeregten Er³&spplus;-Zuständen her, nämlich jeweils von &sup4;I11/2-&sup4;I13/2, &sup4;I9/2-&sup4;I11/2 und &sup4;F9/2-&sup4;I13/2.
Die relativen Bandintensitäten, mit Ausnahme der schwachen 2,0 und 1,15 um-Bänder, welche für die Detektor- und Monochromatorempfindlichkeit korrigiert worden sind und welche mit der Intensität des resonanten 1,65 um-Bandes normiert worden sind, sind der Tabelle I zu entnehmen. Es kann der Tabelle entnommen werden, daß die stärkste up-convertierte Emission von dem &sup4;I11/2-Zustand aus auftritt.
Ohne einen Yb³&spplus;-Sensibilisator ist die Up-Conversion von 980 nm in CaF&sub2; (Er³&spplus;) schwach. Nur zwei Emissionsbänder bei 671 und 551 nm sind detektierbar, indessen sind ihre Intensitäten um zwei Größenordnungen schwächer als die Intensitäten ihrer Gegenstücke, die durch die Up-Conversion der 1,5 um- Strahlung angeregt worden sind.
Die in Fig. 2 gezeigten Anregungsschemata sind aus den Ergebnissen der relativen Intensitätsmessungen der upconvertierten Bänder über der gedämpften Anregungsenergie abgeleitet worden, welche in Fig. 3 gezeigt ist. Es folgt aus den Steigungen der gezeichneten Kurven, daß die Intensitäten der 671 und 551 nm-Bänder eine kubische Abhängigkeit und die Intensitäten der 985 und 805 nm-Bänder eine quadratische Abhängigkeit von der Intensität der 1,5 um-Anregungsstrahlung haben. In anderen Worten sind die ersten und letzten zwei Bänder jeweils Ergebnisse von drei und zwei Photonen-Up-Conversions-Prozessen. TABELLE I λ, nm Anfangszustand Relative Intensität
Die Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der relativen Intensität der up-convertierten Bänder über der Konzentration der Er³&spplus;- Ionen in CaF&sub2; und Fig. 5 zeigt die Conversions-Effizienz der sichtbaren Bänder als eine Funktion der Eingangsleistungsdichte. Es folgt aus Fig. 4, daß die stärkste Up-Conversion dann auftritt, wenn die Konzentration der Er³&spplus;-Ionen um 10 Mol-% ist.
Um die geeignete Konzentration der Er³&spplus;-Ionen in CaF&sub2; auswählen zu können, sind verschiedene wichtige Parameter, die mit diesem Übergang zusammenhängen, als eine Funktion der Konzentration gemessen worden. Fig. 6 zeigt die gemessenen Lebensdauern der Anfangs-&sup4;I11/2- und -&sup4;I13/2-Zustände als Funktion der Konzentration bei Raumtemperatur.
Die Messungen sind durchgeführt worden, indem Proben mit der gefilterten kurzwelligen Strahlung von Xenon-Blitzlampenpulsen kurzer Dauer (20 us) angeregt worden sind. Zu diesem Zeitpunkt sollte beachtet werden, daß die Zerfallskurven von Fluoreszenzbändern, die mittels konventionellen Blitzlampenanregungstechniken erzeugt worden sind, von den Zerfallskurven der gleichen Emissionsbänder verschieden sind, die von up-convertierten IR-Pulsen kurzer Dauer angeregt worden sind. In dem ersten Fall repräsentieren die Zerfallskurvenzeitkonstanten die Lebensdauer der angeregten Zustände, von denen die Fluoreszenz ausgeht, in dem letzteren Fall sind die Zeitkonstanten mit der Lebensdauer eines mittleren Zustandes in Beziehung gesetzt, so wie mit dem &sup4;I13/2.
Es kann der Fig. 6 entnommen werden, daß die Lebensdauer des oberen Zustandes τ&sub2; kürzer ist als die Lebensdauer des unteren Zustandes τ&sub1;, und zwar bis zu Er³&spplus;-Ionenkonzentrationen von ungefähr 20 Mol-%. Laserübergänge zwischen Zuständen, für die die Ungleichung τ&sub2; < τ&sub1; gilt, sind bislang im allgemeinen als selbstsättigend betrachtet worden. Die Hauptschwierigkeit, die mit der Anregung der selbstsättigenden Laser verbunden ist, liegt in der Produktion einer ausreichenden Besetzungsinversion zwischen den beteiligten Niveaus. Die Verwendung einer 20 Mol-%-igen Konzentration von Er³&spplus; in CaF&sub2; war nicht möglich, da die exzessive Konzentration die optische Qualität des Laserstabes beeinflußt und daher auch seine Fähigkeit zu lasen.
Über den &sup4;I11/2-&sup4;I13/2-Übergang in CaF&sub2;, das mit Er³&spplus;- und Tm³&spplus;-Ionen dotiert war, ist vor einiger Zeit berichtet worden; vergl. "Thermal Switching of Laser Emission of Er³&spplus; at 2,69 u and Tm³&spplus; + at 1,86 u in Mixed Crystals of CaF&sub2;:ErF&sub3;:TmF&sub3;"; M. Robinsson, D. P. Devor, Appl. Phys, Lett., Bd. 10, Nr. 5, S. 167, 1967. Die Hinzufügung von Tm³&spplus;-Ionen war beabsichtigt, um die Lebensdauer des &sup4;I13/2- Zustandes durch nichtstrahlenden Energiestransfer von Er³&spplus;auf Tm³&spplus;-Ionen zu verkürzen. Über einen derartigen Transfer ist zuvor von Johnson et al. berichtet worden; vergl. "Energy Transfer From Er³&spplus; to Tm³&spplus; and Ho³ Ions in Crystals", Phys. Rev., Bd. 133, Nummer 2A, S. A494, 1964. Ein Laserbetrieb war bei Raumtemperatur mit einem berichteten Schwellwert von nur 10 Joule erzielt worden.
Seitdem ist diese Laseremission von Er³&spplus; zwischen dem &sup4;I11/2- und dem &sup4;I13/2-Zustand, welche um 3 um herum auftritt, in mehr als einem Dutzend verschiedener Wirtsmaterialien erzeugt worden; vergl. A. A. Kaminskii, Laser Crystals, Springer Series in Optical Sciences, Editor D. L. MacAdam, Bd. 14, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981. In vielen Wirten, einschließlich dem CaF&sub2;, last das Er³&spplus;-Ion ohne die Hilfe eines deaktivierenden Ions.
Die meisten 3 um-Erbium-Laser weisen gemeinsam die folgenden Eigenschaften auf: (1) Sie arbeiten bei Raumtemperatur, (2) sie benötigen eine hohe Erbium-Ionenkonzentration für niedrige Pumpenergien, und (3) sie sind durch ein Endzustands/Anfangszustands-Lebensdauerverhältnis von größer als eins gekennzeichnet; in einigen Wirtsmaterialien überschreitet dieses Verhältnis zehn. Überraschenderweise arbeiten diese Laser in einem gepulsten Mode bei Raumtemperatur mit niedriger Pumpenergie sehr gut.
Um das gepulste Lasen zu erklären ist eine Hypothese aufgestellt worden, die das Stark-Splitting der angeregten &sup4;I11/2- und &sup4;I13/2-Zustände berücksichtigt; A. A. Kaminskii, Laser Crystals, Springer Series in Optical Sciences, Editor D. L. MacAdam, Bd. 14, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1981. Sie werden jeweils in sechs und sieben Kramersche Doublet-Komponenten in Kristallfelder geringer Symmetrie aufgespalten. Gemäß dieser Hypothese findet der &sup4;I11/2-&sup4;I113/2- Laserprozeß wie folgt statt. Der kurze optische Pumppuls einer Xenon-Blitzlampe besetzt bevorzugterweise (mit oder ohne der Hilfe eines Sensibilisators) den oberen &sup4;I11/2-Zustand, wobei die Niveaus der End-&sup4;I13/2- Zustandsmannigfaltigkeit leer oder spärlich besetzt bleiben. Die Besetzungsinversion, die bei den Niveaus der &sup4;I11/2- Mannigfaltigkeit erzeugt worden ist, führt zu selbstsättigenden Laserübergängen zu verschiedenen Niveaus der Endzustandsmannigfaltigkeit. Die Laserlinien mit kürzerer Wellenlänge verschwinden schnell aus dem Spektrum, da die tieferliegenden Niveaus der Endmannigfaltigkeit schneller sättigen. Nur die Linien mit der größten Wellenlänge, welche aus Übergängen stammen, die bei den oberen Niveaus der Endmannigfaltigkeit enden, dauern länger und können in dem späten Laserspektrum beobachtet werden. Dies ist die sog. "Rotverschiebung" der Spektrallinien von selbstsättigenden Lasern.
Der &sup4;I11/2-&sup4;I13/2-Laserübergang von Er³&spplus; in CaF&sub2;, der im Spektralbereich von 2,7-2,8 um auftritt, koinzidiert mit den starken Absorptionsbereichen von CO&sub2;&submin; und H&sub2;O-Molekülen; daher beeinflußt die Anwesenheit dieser Moleküle in dem Laserresonator die Position und die Anzahl der beobachteten Bänder in dem Laserspektrum. Um diesen Effekt zu illustrieren, zeigt Fig. 7 ein Spektrum geringer Auflösung, das in Vakuum aufgenommen worden ist, und Fig. 8 das Spektrum, das erhalten wird, wenn der Laserresonator mit 100 mm Kg aus CO&sub2; gefüllt wird. Da ein gepulster Laser verwendet worden ist, ist das Spektrum punktweise aufgenommen worden, indem das Monochromatorrad um 5 nm pro Zeiteinheit weitergedreht worden ist, was das Auflösungsvermögen des Monochromators darstellte.
Bei mittleren bis hohen konstanten Laseranregungspegeln verblieb das Ausgangsspektrum, d. h., die Form der aufgenommenen Bänder von einem Aufnahmedurchgang zum nächsten nahezu konstant und reproduzierbar; wohingegen bei niedrigen Anregungspegeln ein erheblicher Betrag an "Linienhüpfen" (line hopping) beobachtet wurde, und zwar sowohl innerhalb als auch außerhalb der aufgenommenen Bänder, was von Puls zu Puls zu veränderten Spektralausgangs- und Bandformen führte. Diese Beobachtung deutet die Existenz einer feineren Struktur in diesen Bändern an.
Es folgt aus Fig. 7, daß in einem Vakuum Emissionen in zwei Bändern auftreten, die um 2,75 um und 2,80 um zentriert sind. Die Auflösungsbegrenzung erlaubte nicht die Aufnahme von feineren Details dieser Bänder, indessen sorgten sie für die Möglichkeit, die Existenz der oben postulierten Rotverschiebung zu verifizieren. Für diesen Zweck ist der Laserstrahl mit der Hilfe eines Strahlteilers in zwei Komponenten aufgespalten worden. Jede Komponente ist in einen Monochromator eingeführt worden, der mit einem InAs-Detektor ausgestattet war. Ein Monochromator ist auf 2,75 um gesetzt worden, während der andere auf 2,80 um gesetzt worden ist. Die vorhergesagte Rotverschiebung ist tatsächlich in dem Laserspektrum beobachtet worden, wie in Fig. 9 dargestellt, indessen dauerte die langwellige Emission nicht bis zum Ende fort. Durch einige Mechanismen sind die unteren Niveaus der Endmannigfaltigkeit erneut geleert worden, was zu einer Wiederherstellung der kurzwelligen Emission führte, die das späte Laserspektrum dominierte.
Es ist vermutet worden, daß dieser Mechanismus die Energiezustands-Up-Conversion war. Diese Hypothese ist durch eine weitere Beobachtung gestützt worden. Wenn die relative Intensität der up-convertierten Strahlung in Proben aus CaF&sub2; (Er³&spplus;) über der Konzentration aufgetragen wird und die Schwellwertenergie des Lasers, der aus den gleichen Proben hergestellt wurde, gleichfalls über der Konzentration, dann werden die zwei Kurven erhalten, die in Fig. 10 nebeneinandergestellt sind. Es kann der Figur entnommen werden, daß beide eine ähnliche, aber invertierte funktionale Abhängigkeit der Er³&spplus;-Ionenkonzentration darstellen. Aufgrund der sich verschlechternden optischen Laserstabqualität mit ansteigender Konzentration sollte der Vergleich nicht über 5-10 Mol-%-Konzentrationen hinaus erstreckt werden.
Verschiedene experimentelle Messungen und Beobachtungen haben die Up-Conversion als einen wichtigen Faktor in dem optischen Pumpprozeß erkannt. Zunächst zeigten Messungen des Laserbetriebs zwischen &sup4;I11/2- und &sup4;I13/2-Zuständen in CaF&sub2; (Er³&spplus;), vgl. die Fig. 2 und 11, daß, selbst wenn die Lebensdauer des oberen &sup4;I11/2-Zustandes nur die Hälfte (10 ms) von der des unteren &sup4;I13/2-Zustandes (20 ms) ist, ein "selfquenching" des Lasens nicht auftritt. Zweitens verschwanden, im Gegensatz zu dem normalen Self-Quenching-Laserverhalten, die langwelligen Linien aus dem Laserspektrum während eines Laserpulses vor dem Verschwinden der kurzwelligen Linien. Drittens kann die Fortdauer des Laserbetriebes, der durch eine Xenon-Blitzlampe kurzer Dauer (1 ms) angeregt worden ist, die Lebensdauer des &sup4;I11/2-Laserzustandes um einen Faktor von beinahe zwei überschreiten. Zusätzlich ist beobachtet worden, daß die Laserschwellwertpumpenergie und die mittels Up-Conversion angeregte Fluoreszenzintensität die entgegengesetzte Abhängigkeit von der Konzentration der Er³&spplus;- Ionen aufweisen.
Ein einfaches theoretisches Modell ist entwickelt worden, welches zeigte, daß ein Laser, welcher zwischen den &sup4;I11/2- und &sup4;I13/2-Zuständen betrieben wird, nur durch die Up-Conversion von Ionen in dem angeregten &sup4;I13/2-Zustand gepumpt werden kann, die durch die Absorption von 1,5 um-Strahlung erzeugt worden sind. Die experimentelle Bestätigung dieser Vorhersage ergab: Laserbetrieb bei 2,8 um in CaF&sub2; (Er³&spplus;) ist nur durch Up-Conversions-Pumpen erzeugt worden, und zwar unter Verwendung einer 1,54 um-Laserstrahlung, die von Erbium in einem Glaslaser emittiert worden ist. Fig. 14 zeigt einen 2,8 um-Laserbetrieb (obere Spur), der durch Pumpen mit 1,54 um Erbium-Laserstrahlung (untere Spur) bei einer Energieeingabe von 800 Joule erzeugt worden ist.
Die Theorie zeigte auch, daß (1) eine minimale 1,54 um-Pumpenergie benötigt wird; (2) daß Lasen mit einer Verzögerung auftreten wird, die invers proportional zu der Pumpenergie ist; und (3) daß das Lasen so lange fortdauern kann, wie die Lebensdauer des unteren &sup4;I13/2-Zustandes ist, d. h., 20 ms. Alle diese Vorhersagen sind experimentell verifiziert worden.
Es ist wichtig zu betonen, daß die Up-Conversion an dem Besetzungsinversionsprozeß teilnimmt, selbst wenn ein CaF&sub2; (Er³&spplus;)-Laser konventionell mittels einer Xenon-Blitzlampe durch Strahlungsabsorption in Energiezustände gepumpt wird, die oberhalb des Laserzustandes liegen. Das im folgenden beschriebene Zwei-Puls-Experiment demonstriert die Rolle der Up-Conversion als ein optischer Pumpmechanismus. Zwei Blitzlampen, die unabhängig mit einer gesteuerten Verzögerungszeit ausgelöst werden können, werden in den Laserresonator eingefügt. Die Energie in jeder Kapazitätsbank der Blitzlampen ist auf gleiche Werte unterhalb des Schwellwertes eingestellt worden, so daß, wenn sie einzeln ausgelöst werden, die Blitzlampen den Laserbetrieb nicht stimulieren können. Wenn die zwei Lampen simultan ausgelöst werden, dann tritt der Laserbetrieb auf. Zusätzlich trat der Laserbetrieb auf, wenn das Auslösen der zweiten Blitzlampe fortschreitend verzögert wird, und hörte auf, wenn die Verzögerung länger war als 25 ms. Da die Lebensdauer des &sup4;I11/2- Anfangszustandes ungefähr 10 ms beträgt, konnte die Pumpenergieaddition nicht bei diesem Zustand auftreten, wenn die Verzögerung des zweiten Blitzes 10 ms überschritt; das Addieren konnte nur in dem &sup4;I13/2-Endzustand aufgetreten sein. Daher erfolgte, wenn der zweite Puls um mehr als 10 ms und weniger als 20 bis 25 ms (der Lebensdauer des &sup4;I13/2-Zustandes) verzögert war, das Pumpen über die Up-Conversion.
Das verbliebene Problem war, die Quelle der up-convertierten 1,5 u-Strahlung zu identifizieren und zu bestimmen, ob die Strahlung extern (d. h., direkt von der Xenon-Blitzlampe) angelegt worden ist, oder ob sie intern durch Relaxation, d. h., durch verschiedene elektronische Übergänge von den höheren Energiezuständen zu dem &sup4;I13/2-Zustand erzeugt worden ist. Nach Überprüfung eines typischen Xenon- Blitzlampenemissionsspektrums ist deutlich geworden, daß sie nur eine sehr geringe Emission bei 1,5 um hat und die Xenon- Blitzlampe daher nicht für einen adäquaten Photonenfluß für die Up-Conversion sorgen kann. Um diese Folgerung zu verifizieren, bestimmten wir den Laserpumpenergieschwellwert unter Verwendung einer Xenon-Blitzlampe in Luft und verglichen ihn mit dem Wert, der erhalten wird, wenn der Laserresonator mit Wasser gefüllt ist; Wasser ist ein sehr effizienter 1,5 um- Strahlungsabsorber. Der gemessen Schwellwert in Wasser war ungefähr 25% niedriger als in Luft, wodurch die obige Mutmaßung bestätigt wurde, daß die Quelle der 1,5 um-Strahlung für die Up-Conversion intern war. Die Erniedrigung des Schwellenergiewertes in Wasser ist auf eine bessere optische Kopplung zurückgeführt worden, die aus einer besseren Brechungsindexanpassung zwischen der Lampe und dem Laserstab resultiert.
Der Laserbetrieb bei 2,8 um ist unter Verwendung von Laserstäben erzeugt worden, die aus reinem CaF&sub2; hergestellt waren, das mit Er³&spplus;-Ionen in verschiedenen Konzentrationen dotiert war, und daß weder sensibilisierende noch deaktivierende Ionen enthielt. Die Pumpenergieschwellwerte variierten von 50 bis 20 Joule für jeweils 1 und 10 Mol-% an Er³&spplus;- Ionenkonzentrationen. Aufgrund der besseren optischen Qualität der Laserstäbe ergaben sich die niedrigsten Schwellwerte für Stäbe, die 5 Mol-% enthielten, jeweils in Abhängigkeit der Reflektivität der Auskoppelspiegel variierten sie zwischen 5 und 10 Joule. Der niedrigste Schwellwert, der unter Verwendung eines hochreflektierenden Spiegel s und einem Vakuum im Laserresonator erzielt worden ist, war 2,8 Joule. Da die Xenon-Blitzlampenpulsdauer ungefähr 1 ms betrug, wurde dieser Wert in 2,8 KW Spitzenschwellwertleistung übertragen.
Der Laseraufbau 20 aus Fig. 13 verwendet einen CaF&sub2; (5% Er³&spplus;)-Stab 22.
Der ausgewählte CaF&sub2; (5% Er³&spplus;)-Laserstab 22 ist in Luft bei Raumtemperatur im Hinblick auf Energieausgangseffizienzen und andere Lasercharakteristiken getestet worden. Eine Xenon-Blitzlampe ist für die Anregung verwendet worden, und zwar in einem Resonator mit konkaven (1 m Radius) dielektrischen Spiegeln aus ZnSe, mit jeweils 90 und 99,5%-iger Reflektivität (in dem Testaufbau). Der Pumpenergieschwellwert lag bei ungefähr 15 Joule. Ausgangsenergien von mehr als 0,5 Joule pro Puls und Spitzenleistungen über 30 Watt sind bei Eingangsenergien von 150-200 Joule in die Blitzlampe erzielt worden, mit einem differentiellen Wirkungsgrad von mehr als 0,3%. Der "spikende" Laserpuls mit einer Dauer von 17 ms ist in Fig. 12 gezeigt. Die oben erwähnten Energie- und Leistungsausgangswerte sind nicht durch die Variation der Reflektivität der Auskoppelspiegel optimiert worden. Die ungewöhnlich lange Laserdauer, die durch Xenon-Blitzlampenpulse angeregt worden sind, die nur 1 ms dauerten, schlägt für die Anregungsenergie eine Möglichkeit vor, gemäß der sie durch Up-Conversion innerhalb des Laserstabes recycelt wird. Dieses Ergebnis ist in Übereinstimmung mit einer theoretischen Analyse, die die obere Begrenzung für die durch Up- Conversion angeregte Laserfortdauer gleich der Lebensdauer des Endzustandes setzt, d. h, auf 20 ms.
Der Laser 20 (vgl. Fig. 13) enthält einen CaF&sub2; (Er³&spplus;)-Stab 22 und konkave Endspiegel 24 und 26 aus ZnSe. Der Stab 22 ist von der Optovac, Inc. gewachsen worden und weist zwei geschliffene und dann polierte parallele ebene Enden ohne Anti-Reflexionsbeschichtung auf. Der Stab 22 ist innerhalb goldplatierter elliptischer Reflektoren 28 mit fünf 3MB- Blitzlampen 30 vom Photoapparat-Typ eingebaut, die eine Blitzdauer von 15 bis 20 ms aufweisen. Die Spiegel 24 und 26 sind 99,5%-ig für 2,8 um Energie reflektierend. Die zuvor erwähnten Elemente des Lasers 20 sind innerhalb einer Kammer 40 enthalten, die ein CaF&sub2;-Fenster 42 aufweist.
Eine Steuereinheit 50 löst sequentiell die Blitzlampen 30 mit einer Verzögerung von ungefähr 15 ms zwischen den Auslösungen aus. Der sich ergebende Semi-CW-Laserbetrieb erzeugte einen 2,8 um-Ausgang, der ungefähr 80 ms dauerte.
Der Laseraufbau von Fig. 15 ist dem eben beschriebenen von Fig. 13 ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Blitzlampen 30 durch CW-Pumplampen 30' ersetzt worden sind, wie beispielsweise Standard-Wolfram-Jod-Wärmelichtquellen, welche kontinuierlich mittels einer Steuereinheit 50' mit Leistung versorgt werden. Es wird darauf hingewiesen, daß der verlängerte Betrieb eine Flüssigkeitskühlung (nicht dargestellt) des Laserstabs nötig machen kann.
Somit ist ein neues Verfahren zum Bereitstellen eines kontinuierlichen Laserbetriebes offenbart worden, so wie insbesondere ein Verfahren, das für einen kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Betrieb eines Festkörper-Raumtemperatur-Lasers sorgt.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen eines quasi-kontinuierlichen Laserbetriebes zwischen Laseranfangs- und -endzuständen, welches die Schritte aufweist:

Auswahl eines Lasermediums (22) und einer Resonatorkonfiguration (24, 26), wobei das Lasermedium (22) ein Up- Conversions-Material enthält, welches für den Austausch von Energie zwischen einer ausreichenden Anzahl von Elektronen des Lasermediums in dem Laserendzustand sorgt;

Anwenden einer Anregungsenergie auf das Lasermedium (22), dadurch gekennzeichnet, daß

die Anregungsenergie den Laserendzustand selektiv anregt und quasi-kontinuierlich angewendet wird;

der Austausch der Energie zwischen Elektronen des Lasermediums in dem Endzustand als einziger ausreichend ist, um die Besetzungsinversion zwischen dem Laseranfangs- und -endzustand während des Laserbetriebs aufrecht zu erhalten.

2. Verfahren zum Erzeugen eines kontinuierlichen Laserbetriebs zwischen Laseranfangs- und -endzuständen, welches die Schritte aufweist:

die Anregungsenergie den Laserendzustand selektiv anregt und kontinuierlich angewendet wird;

der Austausch der Energie zwischen Elektronen des Lasermediums in dem Laserendzustand als einziger ausreicht, um die Besetzungsinversion zwischen dem Laseranfangs- und -endzustand während des Laserbetriebs aufrecht zu erhalten.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, worin das Up- Conversions-Material ein derartiges Material ist, daß einige der ausgetauschten Elektronen zu Energiezuständen bei oder oberhalb des metastabilen Laseranfangszustandes up-convertiert werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, worin das Up- Conversions-Material Erbiumionen enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Lasermaterial einen Calciumfluoridkristall als Wirtsmaterial enthält, welcher Erbiumionen aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin der Calciumfluoridkristall 5 bis 10 Molprozent von Erbiumionen enthält.