DD259645A5 - Aktiver stoff zur herstellung von laserstaeben - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein aktiver Stoff zur Herstellung von Laserstaeben, dessen Netz ein Einkristall der Gallate oder Aluminate der alkalischen Erden und des Lanthans oder des Yttriums mit einer tetragonalen Struktur des Gehlenits ist, und der aktive Dotierstoff ein Element aus der Gruppe der Lanthanide, insbesondere das Neodym, ist. Die Zusammensetzung dieses Stoffes bestimmt die allgemeine Formel ABC3O7, in der A - Barium, Strontium, Kalzium oder ihre Mischung, B - Lanthan, Yttrium oder ihre Mischung, C - Gallium, Aluminium oder ihre Mischung bedeutet. Je nach der Art der Komponente und den Bedingungen der Herstellung des erfindungsgemaessen Stoffes kann seine chemische Zusammensetzung geringe Abweichungen von der Stoechiometrie aufweisen und mit der Formel A1xB1yC3xyO70,5x, in der x und y positive und negative Werte im Intervall von 0 bis 0,12 haben koennen, bestimmt sein.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen aktiven Stoff zur Herstellung von Laserstäben, dessen Netz ein Einkristall der Gallate oder Aluminate der alkalischen Erden und des Lanthans oder des Yttriums mit einer tetragonalen Struktur des Gehlenitsist und ein aktiver Dotierstoff eines Elementes aus der Gruppe der Lanthanide, insbesondere des Neodym ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind aktive Stoffe, in denen ein Netz für aktiven Dotierstoff aus der Gruppe der Lanthanide differente Festkörper mit entsprechenden Struktural-, Spektral- und Thermaleigenschaften sind. Die meistbekannten Stoffe sind die Einkristalle des Yttrium-Aluminiumgranats (YaAI₅O₁₂, YAG), des Yttrium-Aluminiumperowskits (YAIO3, YAP), des Fluorits (CaF₂), des Kalziummolybdats (CaMoO₄) (WaJter Köchner, Solid State Laser Engineering, Springer Verlag, New York 1976) und anorganische Oxidgläser (W. B.Krawczenko, Ju. P. Rudnicki, Kwantowaja Elektronika, Vol. 6, Seite 661,1979). Am weitesten verbreitet ist das Yttrium-Aluminiumgranat mit einem Dotant des Neodyms (YAG:Nd) (Z. J. Kiss, R. J. Pressley, Appl. Optic, Vol. 5, Seite 1474-1486,1966), (A.A. Kaminski, Laziernyje kristaty, Izdatielstwo Nauka, Moskwa, 1975) wegen der günstigen Kombination der Eigenschaften.

Der Laserstab, der aus diesem Stoff ausgeführt ist, emittiert unpolarisierte elektromagnetische Strahlung mit geringer Spektralbreite. Die YAG-Kristalle haben eine reguläre Struktur und sind im Zusammenhang damit optisch richtungsunabhängig, und deshalb emittieren die aus diesem Stoff ausgeführten Laserstäbe das unpolarisierte Licht. Die Emission des polarisierten Lichtes kann man durch die Anwendung spezieller Konstruktionslösungen, zum Beispiel durch Einstellung der Stirnfläche des Laserstabes unter dem Brewsterwinkel oder durch die Anwendung zusätzlicher Einrichtungen (Polarisatoren) erzielen. Dieser Laserstoff charakterisiert einen höheren Verstärkungsfaktor, er ist besonders zur Arbeit unter den Bedingungen eines Generators geeignet und wird deshalb ausschließlich als Generator angewendet.

Die Realstruktur der Einkristalle zur Herstellung von Laserstäben müßte fast vollkommen sein, weil alle optischen Inhomogenitäten ein Umbiegen und eine Zerstreuung des Laserstrahles verursachen und deshalb eine Intensität und eine Kohärenz der emittierten Strahlung reduzieren.

Die Defekte der Struktur, die die Leistungsfähigkeit der Laseraktion ungünstig beeinflussen, sind Verzweigungen, Inhomogenitäten der chemischen Zusammensetzung, Verschiebungen, Einschlüsse, Blasen usw.

Wegen der niedrigen Löslichkeit des Neodyms in YAG und eines kleinen Wertes des Segregationsfaktors des Neodyms ist die Herstellung der YAG mit Neodym dotierten Einkristallen ohne optische Defekte mit gleichmäßig angeordnetem Dotierstoff, besonders bei höherem Niveau der Dotierung, ein sehr schwieriger und zeitcaubender Prozeß. Eine Substitution der Y³⁺-lonen über Nd³⁺-lonen ist unisomorph, weil keine isomorphe für eine YAG-Verbindung mit der Zusammensetzung Nd₃AI₅O₁₂ und der Struktur des Granats besteht. Die Oxide Nd₂O₃ und AI₂O₃ bilden nur eine Verbindung mit der Zusammensetzung NdAIO₃, die eine Struktur des Perowskits hat. Die Versuche der Einführung einer großen Menge des Neodyms in den Granatkristall führen zur Erscheinung der Defekte des kristallinen Netzes oder in extremen Fällen zur Erscheinung von Einschlüssen der fremden festen Phase. Die Herstellung der Einkristalle mit einer hohen optischen Qualität beginnt schon beim Neodyminhalt über 1 Atomprozent. Zwecks der Gewinnung des Einkristalls mit etwa gleichmäßig angeordneten Neodymdotierstoff sollen kleine Ziehgeschwindigkeiten (ungefähr 1 mm/h) angewendet werden, was eine Verlängerung des Herstellungsprozesses bedeutet.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aktiven Stoff zur Herstellung von Laserstäben zur Verfügung zu stellen.

Der Stoff gemäß der Erfindung ist ein aktiver Stoff mit einem aktiven Dotierstoff der Ionen aus der Gruppe der Lanthanide und dient zur Herstellung von Laserstäben. Das Wesen dieses Stoffes besteht darin, daß ein Netz für aktive Ionen ein Einkristall der Gallate oder Aluminate der alkalischen Erden und des Lanthans oder des Yttriums ist.

Die Zusammensetzung dieses Stoffes wird nach der allgemeinen Formel ABC₃O₇ bestimmt, in der A—Barium (Ba), Strontium (Sr), Kalzium (Ca) oder ihre Mischung bedeutet, B — Lanthan (La), Yttrium (Y) oder ihre Mischung bedeutet, C — Gallium (Ga), Aluminium (Al) oder ihre Mischung bedeutet. Je nach der Art der Komponente und den Bedingungen der Herstellung des erfindungsgemäßen Stoffes kann seine chemische Zusammensetzung geringe Abweichungen von der Stöchiometrie aufweisen und mit der Formel Αι + χΒ-ι _ _yC₃ _ _x + _yO₇ _ ₀,5_X, in der χ und y die positiven und negativen Werte im Intervall von O bis 0,12 haben können, bestimmt sein.

Ein aktiver Dotierstoff in diesem Stoff ist ein Element oder eine Elementmischung aus der Gruppe der Lanthanide, insbesondere Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd),Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb) in der Menge von 0,02 bis 8V3 Atomprozente.

Besonders empfohlen als aktiver Stoff für Laserstäbe sindEinkristalle des Barium-Lanthan-Galliumgehlenites mit der Zusammensetzung BaLaGa₃O₇, die das Neodym als aktiven Dotierstoff (BLGO:Nd) enthalten. Die Vorteile dieses Stoffes kann man durch Vergleich mit YAG:Nd erkennen.

Zum kristallischen Netz kann man den Dotierstoff in der erheblich höheren Menge, als es möglich ist, im Fall von YAG:Nd ohne Verschlechterung der optischen Qualität des BLGO:Nd-Einkristalls einführen.

DerSegregationsfaktordes Neodyms in BLGO hat einen Wert nahe 1,so daß der Dotierstoff im Netz sehr gleichmäßig angeordnet wird, was im Fall von YAG:Nd sehr schwierig erreichbar ist.

Die Ziehgeschwindigkeit der BLGO:Nd-Einkristalle (4mm/h) ist erheblich höher als die Ziehgeschwindigkeit der YAG:Nd-Einkristalle(1mm/h).

Die Schmelztemperatur von BLGO (1 56O⁰C) ist beträchtlich niedriger als die Schmelztemperatur von YAG (193O⁰C). Dank dieser Eigenschaft und größerer Ziehgeschwindigkeit ist der Verbrauch des Iridiumtiegels während des Ziehprozesses geringer.

Der BLGO:Nd-Kristall ist optisch einachsig, so daß aus diesem Kristall die Laserstäbe mit gewünschten Verstärkungsfaktor (abhängig von dem Winkel zwischen der geometrischen Achse des Laserstabes und der optischen Achse des aktiven Stoffes) ausgeführt werden. Diese Laserstäbe können unter den Bedingungen des Generators oder des Lichtverstärkers arbeiten und das völlig linear polarisierte Licht emittieren. Das ist unmöglich im Fall isotropischer YAG: Nd.

Die Härte der BLGO-Kristalle ist etwas kleiner als der YAG-Kristalle, was ihre mechanische Bearbeitung (Schneiden, Schleifen, Polieren) erleichtert.

Die BLGO-Kristalle haben eine Struktur des Gehlenits, die kein Symmetriezentrum aufweist. Im Zusammenhang damit haben die BLGO-Kristalle piezoelektrische Eigenschaften. Diese Eigenschaften können bei der Projektierung der Anordnung zur Abstimmung des Laserresonators ausgenutzt werden.

Der erfindungsgemäße Stoff wird anhand eines Beispiels des aktiven Stoffes BaLaGa₃O₇(BLGO) erläutert.

Dotierte Einkristalle der Gehlenite kann man durch eine Kristallisation aus der Schmelze mittels einer der bekannten Methoden von Czochralski, Bridgmann oder mittels des Zonenschmelzens herstellen. Das günstige Verfahren einer Herstellung der Einkristalle der Galentine der Gallate oder Aluminate der alkalischen Erden und des Lanthans oder des Yttriums mit den Dotierstoffen der anderen Lanthanide ist das Verfahren der Ziehung des Einkristalls aus der Schmelze mittels.des Czochralski-Verfahrens. Gemäß dieses Verfahrens wird die Schmelze durch das Schmelzen im Iridiumtiegel einer Mischung der sehr reinen pulverisierten Oxide der Metalle, die in die Zusammensetzung der ausgezogenen Einkristalle eingehen, hergestellt. Die Zusammensetzung der Schmelze ist grundsätzlich dieselbe wie die Zusammensetzung des ausgezogenen Einkristalls. Geringe Abweichungen im Intervall von 1 Atomprozent sind möglich. Anstatt der Oxide kann man die Karbonate dieser Metalle ausnutzen, die sich während der Erhitzung zersetzen und in entsprechende Oxide verwandeln und danach schmelzen. Im Fall der Anwendung der Karbonate soll die Geschwindigkeit der Temperaturzunahme eingeschränkt werden, um ihre thermische Zersetzung zu ermöglichen. Ferner wird in die Schmelze, deren Temperatur etwas höher als die Schmelztemperatur des ausgezogenen Materials ist, ein orientierter einkristalliner Keim mit kleinem Durchmesser gesenkt, der dann langsam oben aufgehoben und gleichzeitig die vertikale Achse gedreht wird. Auf dem ausgezogenen Keim wächst ein Einkristall mit der kristallographischen Orientierung, die der Orientierung des Keimes entspricht. Der Durchmesser des ausgezogenen Einkristalls wird durch eine Änderung der Temperatur der Schmelze reguliert. Durch langsame Senkung der Temperatur wird der Durchmesser des ausgezogenen Einkristalls bis zur Erreichung eines gewünschten Maßes vergrößert. Nach Beendigung des Ziehprozesses wird der Einkristall von der Schmelze durch schnelle Hebung getrennt und dann langsam auf Raumtempertur abgekühlt.

Die durch Kristallisation aus der Schmelze nach dem Czochralski-Verfahren hergestellten Kristalle haben eine chemische Zusammensetzung mit verschiedener stöchiometrischer Zusammensetzung. Ihre tatsächliche Zusammensetzung wird durch die allgemeine Formel A₁ + _xBi _ _YC₃ _ _x + _yO₇ _ o_r5x bestimmt. Darin können χ und y positive und negative Werte haben. Sie hängen von der Art der Einkristallkomponente und der kristallographischen Orientierung der Phasengrenze zwischen dem wachsenden Kristall und der Schmelze und auch von der Anfangszusammensetzung der Schmelze ab. Die Abweichungen der Zusammensetzung sind verhältnismäßig gering und verbleiben in dem Intervall eines Atomprozents.

Ein Ausgangsstoff, bestehend aus 32,30 Gewichtsteilen BaCO₃, 22,94-La₂O₃, 0,57-Nd₂O₃ und 44,19-Ga₂O₃ in Form von genau gemischten Pulvern, wird im Iridiumtiegel untergebracht. Dieser Tiegel wird dann langsam mittels HF-lnduktionsströmen in einer Richtung zum Ziehen der Einkristalle nach dem Czochralski-Verfahren erhitzt. Die Heizung erfolgt in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur, die etwas höher als der Schmelzpunkt von BLGO, d. h. 1 56O⁰C ist. Ein einkristalliner orientierter Keim, befestigt an kleinen Rohren aus AI₂O₃, wird von oben zur Berührung mit der Schmelzfläche herabgesenkt und dann nach oben mit einer Geschwindigkeit von 4mm/h gehoben und gleichzeitig um eine vertikale Achse gedreht. Der Durchmesser des Kristalls wird durch Senkung der Temperatur der Schmelze bis zur Erreichung des gewünschten Maßes erweitert. Dann wird der unveränderliche Durchmesser des gezogenen Kristalls automatisch durch eine Maßkontrolle des gezogenen Kristalls erhalten. Die Umdrehungsgeschwindigkeit hängt von einem Durchmesser des gezogenen Kristalls ab.

Im Fall des Kristalls mit einem Durch messer von 20 mm, der aus einem Tiegel mit einem Durch messer von 40 mm gezogen wird, beträgt die Umdrehungsgeschwindigkeit des Keims 65 bis70U/min. Nach Beendigung des Ziehprozesses wird der Einkristall von der Schmelzfläche getrennt und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Die chemische Zusammensetzung des erhaltenen Kristalls hängt von der kristallographischen Wachstumsrichtung und der Anfangszusammensetzung der Schmelze ab. Ein auf der (001 )-Kristallfläche wachsender Kristall hat die Zusammensetzung, die ungefähr folgende Formel bestimmt: [331,051-30,9031^00,22033.02506,975. Prüfungen des erhaltenen Kristalls beweisen, daß der Kristall in dem zylindrischen Teil frei von Einschlüssen von Indium und anderen festen Phasen ist und keine die optische Qualität vermindernden Defekte, wie Brüche, Blasen usw., enthält.

Claims (3)

1. Aktiver Stoff zur Herstellung von Laserstäben mit einem aktiven Dotierstoff der Ionen aus der Gruppe der Lanthanide, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netz für aktive Ionen ein Einkristall der Gallate oder Aluminate der alkalischen Erden und des Lanthans oder des Yttriums ist, dessen Zusammensetzung mittels einer allgemeinen Formel ABC₃O₇ bestimmt ist, in der A — Barium, Strontium, Kalzium oder ihre Mischung bestimmt, B — Lanthan, Yttrium oder ihre Mischung bestimmt und C — Gallium, Aluminium oder ihre Mischung bestimmt.

2. Aktiver Stoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen in dessen chemischer Zusammensetzung eine Formel A₁ + _XB _ _yC₃ _ _x + _yO₇ _ ₀,5x bestimmt, in der χ und y die positiven oder negativen Werte im Intervall von O bis 0,12 aufnehmen.

3. Aktiver Stoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktiver Dotierstoff ein Element oder eine Mischung der Elemente aus der Gruppe der Lanthanide ist, insbesondere Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinum, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium und Ytterbium in der Menge von 0,02 bis 8V3 Atomprozente.