DD262017A1 - Sensibilisierte fluorid-phosphat-glaeser niedriger nichtlinearer brechzahl fuer die lasertechnik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft sensibilisierte Glaeser niedriger nichtlinearer Brechzahl n2 auf Fluorid-Phosphat-Glasbasis fuer den Einsatz in der Lasertechnik. Die erfindungsgemaessen Glaeser besitzen eine gesteigerte Lumineszenzeffizienz bei nichtlinearen Brechzahlen n2 0,5n21,1. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass durch Einbau von Mangan-, Cerium- sowie Chromiumverbindungen in neodymiumaktivierte Fluorid-Phosphat-Glaeser definierter Zusammensetzung eine verbesserte Ausnutzung des Blitzlampenpumplichts von Laseranordnungen erreicht wird. Die Schmelzen der erfindungsgemaessen Glaeser, vorzugsweise aus Strontiummetaphosphat, Aluminium-, Magnesium-, Calcium-, Strontiumfluoriden sowie Sensibilisator- und Aktivatorkomponenten geeigneter Zusammenstellung bestehend, zeigen nur geringe Kristallisationsneigung und besitzen ein verfahrenstechnisch guenstiges Verhalten.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft sensibilisierte neodymiumaktivierte Fluorid-Phosphat-Gläserfür Festkörperlaser, die in der Quantenelektronik zur Generation und Verstärkung von induzierter Emission, vorrangig bei Wellenlängen um 1 050 nm, verwendet werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die bisher stärksten Lichtimpulse wurden mit Festkörperlasern erzeugt. Der Impuls eines Pilotlasers kann durch eine Kette von Verstärkerstufen geleitet und hierbei verstärkt werden. Wesentliches Element derartiger Verstärkerstufen ist ein Laserglasstab, der mit Aktivator-Ionen—z.B. Nd³⁺—dotiert ist, die durch das Licht von Blitzlampen in Lumineszenzanregung versetzt werden.

Diese Anregungsenergie kann beim Durchlaufen des Laserstrahls durch den Stab an den Strahl abgegeben werden (induzierte Emission).

Durch den zusätzlichen Einbau von Sensibilisator-Ionen—z.B. Ionen der Übergangsmetalle—wird das Ziel verfolgt, über einen Energietrasfer: angeregter Sensibilisator —> Laserion die Energie der generierten Strahlung zu erhöhen. Gleichlaufend wird dadurch die Effizienz des Lasersystems vergrößert, da wesentlich mehr Blitzlampenpumpenergie ausgenutzt werden kann. Des weiteren resultiert aus der Wirkung geeigneter Sensibilisator-Ionen bestimmter Konzentration im Glas eine Verminderung der Schwellenergie.

Insbesondere bei großen Strahlungsintensitäten werden die Elektronen in der Hülle der Atome des Glases stark verschoben, wodurch sich die Brechzahl im Innern des Strahlquerschnitts erhöht und eine Konvex-Linsenwirkung (Selbstfokussierung) resultiert. Ein Glas für Laser-Verstärkerketten muß folglich eine kleine nichtlineare Brechzahl n₂ (angegeben in elektrostatischen Einheiten) besitzen, um die Selbstfokussierung des Laserstrahls so gering wie möglich zu halten.

Es ist z. B. gemäß DE-OS 2717916 bekannt, meodymiumaktivierte Lasermaterialien auf der Basis von Fluorphosphatgläsern herzustellen. Sie besitzen nichtlineare Brechzahlen n₂ ^ 0,7 im optischen Lagebereich

n_d= 1,40-1,475 Y_d = 94-83

Bedingt durch die intensitätsschwachen Neodymiumabsorptionsbanden im genannten Glassystem wird die anzustrebende optimale Verwertung des Blitzlampenpumplichts nicht erreicht.

Ferner ist z. B. gemäß Applied Physics Letters 7 (6), 170 (1965) bekannt, daß durch den Einbau hoher Mangangehalte in ein neodymiumaktiviertes Magnesium-Phosphatglas die Effizienz des Lasersystems erhöht wird. Ähnliche Aussagen zur Sensibilisierung des Neodymiums in anderen Phosphatglassystemen sind z.B. in Applied Physics Letters 6 (6), 17(1965) und in Phys. Chem. Glasses 12 (5), 125 (1971) veröffentlich. Derartige Phosphatgläser sind in großen Volumina in guter optischer Qualität herstellbar, haben jedoch aufgrund ihrer relativ hohen Lichtbrechung nicht die angestrebte niedrige nichtlineare Brechzahl n₂.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung sensibilisierterneodymiumaktivierter Gläser niedriger nichtlinearer Brechzahl n₂ auf Fluorid-Phosphat-Glasbasis für den Einsatz in der Lasertechnik.

Ein solches sensibilisiertes Glas darf keine absorbierenden Teilchen enthalten, die beim Durchstrahlen mit starken Laserimpulsen infolge Absorption zur teilweisen oder völligen Zerstörung des Glases führen.

Die Gläser sollen dabei günstige verfahrenstechnische Eigenschaften aufweisen, welche es ermöglichen, leistungsstarke effizienzgesteigerte Lasergläser in großen Abmessungen mit ökonomisch vertretbaren Schmelz- und Ausarbeitungsverfahren herzustellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Gläser für die Lasertechnik zu entwickeln, die den Vorteil der Effizienzsteigerung durch Sensibilisierung mit dem Vorteil einer niedrigen nichtlinearen Brechzahl n₂ verbinden und in ökonomisch günstigen Schmelzvolumina herstellbar sind

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß Gläser aus folgenden Komponenten erschmolzen werden:

Sr(PO3I2	1-30 Mol-%
La(PO3I3	0-5 Mol-%
MgF2	0-30 Mol-%
CaF2	17-45 Mol-%
SrF2	0-29 Mol-%
AIF3	25-39 Mol-%
Mn2+	0,1-13 Mol-%
Ce3+/Ce4+	0-0,5 Mol-%
Cr3+	0-0,5 Mol-%
Nd3+	0,1-4,1 Mol-%

Es wurde festgestellt, daß der Zusatz von Mangan-, Cerium- und Chromiumverbindungen zu neodymiumaktivierten Fluorid-Phosphat-Gläsern ein starkes Ansteigen der Neodymium-Lumineszenzintensität bei unveränderter Pumpkonfiguration und -energie bewirkt. Das resultiert aus der erhöhten Absorptionsfähigkeit des anregenden Blitzlampenpumplichts durch die zusätzlich eingebrachten Sensibilisatoren sowie einem schnellen und wirksamen Energietransfer zum Laser-Arbeitsion. Dieser Vorteil ist dadurch bedingt, daß die Sensibilisatoren (vorrangig in Form der Ionen Mn²⁺, Ce³⁺, Cr³⁺) und die Neodymiumionen in von Fluoroaluminatketten gebildete polymere Strukturen einbezogen sind. Diese Strukturen gewährleisten eine effektive Energieübertragung auf das Laser-Arbeitsion Nd³⁺.

Beispielsweise wurde im Glas 7 im Vergleich zu einem unsensibilisierten Glas unter gleichen Anregungsbedingungen eine Effizienzverdopplung sowie eine Halbierung der Schwellenergie im Laser-Impulsbetrieb erreicht.

Der Zusatz oben genannter Sensibilisator- bzw. Aktivatorkomponenten zu bekannten Fluorphosphatgläsern, z. B. FPSK3, bedingt eine merkliche Steigerung der Kristallisationsneigung. Es wurde jedoch gefunden, daß durch die erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen eine gute Kristallisationsstabilität erreicht wird, die die Durchführung von Schmelzen unerwartet großer Schmelzvolumina gestattet. Bei diesen speziellen Zusammensetzungen erfahren die oben genannten Ionen eine gegenseitige Beeinflussung ihrer spezifischen Kristallisationstendenz und üben eine Stabilisatorfunktion aus.

Bei einem Gehalt von 1-30 Mol-% Metaphosphat wird neben günstigen nichtlinearen Brechzahlen n₂ im Bereich 0,5 < n₂ < 1,1 eine gute amorphe Erstarrung bei nur geringer Verdampfung erreicht. Das ist auf das erfindungsgemäße Verhältnis der Fluoride zueinander, den dazu passenden Einsatz von Sr- und/oder La-Metaphosphat sowie die geeignete Zugabe desensibilisator^ bzw. Aktivatorverbindungen zurückzuführen.

Die Zugabe von Manganverbindungen, vorrangig als MnF₂, MnBr₂, MnCI₂, MnSO₄ oder MnO, von Ceriumverbindungen, vorrangig als CeO₂, Ce₂O₃ oder Ce₂(SO₄J₃, von Chromiumverbindungen, vorrangig als Cr₂O₃ oder CrF₃ sowie von Neodymiumverbindungen, vorrangig als Nd₂O₃ oder NdF₃ gestattet die Einstellung definierter Anregungs-, Sensibilisierungs- und Lumineszenzbedingungen.

Es wurde gefunden, daß sich z.B. bei einem Gehalt von 10 Mol-% Sr-Metaphosphat und einer Manganionendichte von ca.

8 · 10²⁰cm~³ die Effizienz des Energietransfers Mn²⁺ -» Nd³⁺ in Abhängigkeit vom Nd³⁺-Gehalt von ca. 32% (Glas 1) auf ca. 98% (Glas2) erhöht. Die Nd³⁺-Lumines snzlebenszeitT_e verringert sich von 580 ps (Glas 1) auf 60 μβ (Glas 2).

Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung der Gläser näher erläutert:

Die Gemenge der Glaskomponenten werden gut gemischt und portionsweise in einem Tiegel, vorzugsweise aus Platin, in einem Elektroofen bei ca. 1300—1 500 K eingeschmolzen. Zur Läuterung wird die Temperatur kurzzeitig um 500—100 K erhöht und anschließend bis zu Temperaturen von 1150-1 000 K homogenisiert. Bei 1000-950 K wird die Glasschmelze in vorgewärmte Formen, bevorzugt aus Kohlenstoff, gegossen und im Kühlofen mit 1—2 K/min auf Raumtemperatur gekühlt.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird an den folgenden Beispielen demonstriert, ist jedoch nicht nur auf die angeführten Beispiele beschränkt. Die Zusammensetzung der Gemenge wird in Molprozent (Mol-%) zusammen mit ermittelten optischen Daten der Gläser aufgeführt.

Mol-%

Nr. 1

Sr(POs)2	10	10	3,5	30	20
La(PO3I3	—	—	1,7	—	—
MgF2	9	8,8	8,7	10	10
CaF2	25,8	25,2	24,8	17,7	20,3
SrF2	17,6	17,2	16,9	5,6	8,2
AIF3	32,5	31,8	31,3	25,7	30
MnF2	—	—	12,2	10	10
MnBr2	5	5	—	—	—
CeO2	—	—	—	—	0,3
Cr2O3	—	—	—	—	0,2
Nd2O3	0,1	2	0,9	1	1
η	1,4706	1,4810	1,4664	1,5415	1,5147
ν	85,6	80	84,5	73	76,1
η2	0,66	0,76	0,67	1,05	0,91
	Nr.
Mol-%	6	7	8	9	10
Sr(Po3I2	:	3,8	5	5	1
La(POs)3"	5	1,9	—	—	2
MgF2	—	9,5	19,8	30	. 9,5
CaF2	28,3	27,1	44,9	38,5	25,2
SrF2	28,3	18,6	—	—	25,2
AIF3	38,1	34,3	30	26	36,9
MnF2	—	3,8	—	—	—
MnBr2	—	—	0,1	—	—
MnCI2	0,2	—	—	—	—
MnO	—	.—	—	0,2	—
Ce2(SO4)S	—	—	—	0,2	—
CrF3	—	—	0,1	—	0,1
Nd2O3,	—	1	—	—	—
NdF3	0,1	—	0,1	0,1	0,1

1,4662 87,8 0,63

1,4563 88,6 0,60

1,4418 90 0,56

1,4402 89 0,56

1,4367 93 0,52

Claims (1)

1. Sensibilisierte Gläser nichtlinearer Brechzahl 0,5 < n₂ £ 1,1 auf Fluorid-Phosphat-Glasbasisfür die Lasertechnik, dadurch gekennzeichnet, daß sie vorrangig aus Strontiummetaphosphat, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Strontiumfluorid, Aluminiumfluorid, laseraktiver Neodymiumkomponente sowie Mangan-, Cerium-, Chromium-Sensibilisatorkomponenten erschmolzen werden und im Gemenge der Glasschmelze

vorliegen.
2. Sensibilisierte Gläser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen Mn²⁺ vorwiegend als MnF₂, MnBr₂, MnCI₂, MnSO₄oder MnO, Ce³VCe⁴⁺ vorwiegend als CeO₂, Ce₂O₃ oder Ce₂(SO₄J₃, Cr³⁺ vorwiegend als Cr₂O₃, CrF₃, oder CrCI₃, Nd³⁺ vorwiegend als Nd₂O₃ oder NdF₃ eingebracht werden.