DD262017A1 - SENSITIZED FLUORIDE PHOSPHATE GLAESER LOW NONLINEAR QUANTITY FOR LASER TECHNOLOGY - Google Patents

SENSITIZED FLUORIDE PHOSPHATE GLAESER LOW NONLINEAR QUANTITY FOR LASER TECHNOLOGY Download PDF

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Univ Schiller Jena
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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.The invention relates to sensitized glasses of low nonlinear refractive index n 2 on fluoride-phosphate-glass base for use in laser technology. The glasses according to the invention have an increased luminescence efficiency with nonlinear refractive indices n2 0.5n21.1. The essence of the invention is that by incorporation of manganese, cerium and chromium compounds in neodymium-activated fluoride-phosphate glasses defined composition improved utilization of the flash lamp pumping light of laser arrays is achieved. The melts of the glasses according to the invention, preferably consisting of strontium metaphosphate, aluminum, magnesium, calcium, strontium fluorides and sensitizer and activator components of suitable composition, show only a slight tendency to crystallize and have a favorable process behavior.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to sensitized neodymium-activated fluoride-phosphate glasses for solid-state lasers used in quantum electronics for generation and amplification of induced emission, primarily at wavelengths around 1 050 nm.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

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.The strongest light pulses so far were generated with solid-state lasers. The pulse of a pilot laser can be passed through a chain of amplifier stages and thereby amplified. An essential element of such amplifier stages is a laser glass rod which is doped with activator ions, for example Nd 3+ , which are set in luminescence excitation by the light of flash lamps.

Diese Anregungsenergie kann beim Durchlaufen des Laserstrahls durch den Stab an den Strahl abgegeben werden (induzierte Emission).This excitation energy can be emitted to the beam as it passes through the laser beam through the rod (induced 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.Due to the additional incorporation of sensitizer ions-e.g. Transition metal ions-the goal is to increase the energy of the generated radiation via an energy source: excited sensitizer -> laser ion. At the same time, the efficiency of the laser system is increased because much more flash lamp pump energy can be utilized. Furthermore, the effect of suitable sensitizer ions of specific concentration in the glass results in a reduction of the threshold energy.

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.Particularly at high radiation intensities, the electrons in the shell of the atoms of the glass are displaced greatly, which increases the refractive index in the interior of the beam cross section and results in a convex lens effect (self-focusing). Consequently, a glass for laser amplifier chains must have a small non-linear refractive index n 2 (given in electrostatic units) in order to minimize the self-focusing of the laser beam.

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 LagebereichIt is Z. B. according to DE-OS 2717916 known to produce meodymium-activated laser materials based on fluorophosphate glasses. They have non-linear refractive indices n 2 ^ 0.7 in the optical position range

nd= 1,40-1,475 Yd = 94-83n 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.Due to the low-intensity neodymium absorption bands in the mentioned glass system, the desired optimal utilization of the flash lamp pump light is not achieved.

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.Furthermore, z. For example, according to Applied Physics Letters 7 (6), 170 (1965) that the incorporation of high levels of manganese in a neodymium-activated magnesium phosphate glass, the efficiency of the laser system is increased. Similar statements on the sensitization of neodymium in other phosphate glass systems are, for example, in Applied Physics Letters 6 (6), 17 (1965) and in Phys. Chem. Glasses 12 (5), 125 (1971). Such phosphate glasses can be produced in large volumes in good optical quality, but do not have the desired low nonlinear refractive index n 2 due to their relatively high refraction.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung sensibilisierterneodymiumaktivierter Gläser niedriger nichtlinearer Brechzahl n2 auf Fluorid-Phosphat-Glasbasis für den Einsatz in der Lasertechnik.The object of the invention is the development of sensitized, low-non-linear refractive index n 2 fluoride-phosphate glass-based glasses for use in laser technology.

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.Such a sensitized glass must not contain any absorbent particles which, when irradiated by strong laser pulses due to absorption, result in the partial or total destruction of the glass.

Die Gläser sollen dabei günstige verfahrenstechnische Eigenschaften aufweisen, welche es ermöglichen, leistungsstarke effizienzgesteigerte Lasergläser in großen Abmessungen mit ökonomisch vertretbaren Schmelz- und Ausarbeitungsverfahren herzustellen.The glasses are said to have favorable process properties, which make it possible to produce high-performance, high-efficiency laser glasses in large dimensions with economically acceptable melting and preparation methods.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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 sindThe object of the invention is to develop glasses for laser technology, which combine the advantage of increasing the efficiency by sensitization with the advantage of a low nonlinear refractive index n 2 and can be produced in economically favorable melt volumes

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß Gläser aus folgenden Komponenten erschmolzen werden: According to the invention this object is achieved in that glasses are melted from the following components:

Sr(PO3I2 Sr (PO 3 I 2 1-30 Mol-%1-30 mol% La(PO3I3 La (PO 3 I 3 0-5 Mol-%0-5 mol% MgF2 MgF 2 0-30 Mol-%0-30 mol% CaF2 CaF 2 17-45 Mol-%17-45 mol% SrF2 SrF 2 0-29 Mol-%0-29 mol% AIF3 AIF 3 25-39 Mol-%25-39 mol% Mn2+ Mn 2+ 0,1-13 Mol-%0.1-13 mol% Ce3+/Ce4+ Ce 3+ / Ce 4+ 0-0,5 Mol-%0-0.5 mol% Cr3+ Cr 3+ 0-0,5 Mol-%0-0.5 mol% Nd3+ Nd 3+ 0,1-4,1 Mol-%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+.It has been found that the addition of manganese, cerium and chromium compounds to neodymium-activated fluoride-phosphate glasses causes a strong increase in neodymium luminescence intensity with unchanged pumping configuration and energy. This results from the increased absorbency of the exciting flash lamp pump light by the additional sensitisers introduced and a fast and efficient energy transfer to the Laser-Arbeitsion. This advantage is due to the fact that the sensitizers (predominantly in the form of the ions Mn 2+ , Ce 3+ , Cr 3+ ) and the neodymium ions are included in polymeric structures formed by fluoroaluminate chains. These structures ensure effective energy transfer to the laser Nd 3+ workstation .

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.For example, an efficiency doubling and a halving of the threshold energy in the laser pulse mode was achieved in the glass 7 compared to an unsensitized glass under the same excitation conditions.

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.The addition of the above-mentioned sensitizer or activator components to known fluorophosphate glasses, e.g. B. FPSK3, causes a significant increase in the tendency to crystallization. However, it has been found that good crystallization stability is achieved by the glass compositions according to the invention, which allows the implementation of melts of unexpectedly high melt volumes. In these particular compositions, the above-mentioned ions undergo a mutual influence on their specific crystallization tendency and exert a stabilizing function.

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.At a content of 1-30 mol% metaphosphate good amorphous solidification is achieved in addition to favorable nonlinear refractive indices n 2 in the range 0.5 <n 2 <1.1 with only low evaporation. This is due to the ratio of the fluorides according to the invention, the appropriate use of Sr and / or La metaphosphate and the appropriate addition of desensitizer or activator compounds.

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.The addition of manganese compounds, primarily as MnF 2 , MnBr 2 , MnCl 2 , MnSO 4 or MnO, of cerium compounds, primarily as CeO 2 , Ce 2 O 3 or Ce 2 (SO 4 J 3 , of chromium compounds, primarily as Cr 2 O 3 or CrF 3 and neodymium compounds, primarily as Nd 2 O 3 or NdF 3 allows the setting of defined excitation, sensitization and luminescence conditions.

Es wurde gefunden, daß sich z.B. bei einem Gehalt von 10 Mol-% Sr-Metaphosphat und einer Manganionendichte von ca.It has been found that e.g. at a content of 10 mol% Sr metaphosphate and a manganese ion density of approx.

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 snzlebenszeitTe verringert sich von 580 ps (Glas 1) auf 60 μβ (Glas 2).8 · 10 20 cm ~ 3 increased the energy transfer efficiency Mn 2+ - »Nd 3+ to about 98% (glass 2) depending on the Nd 3+ content of about 32% (glass 1). The Nd 3+ luminescence life T e decreases from 580 ps (glass 1) to 60 μβ (glass 2).

Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung der Gläser näher erläutert:In the following, the process for producing the glasses is explained in more detail:

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.The mixture of the glass components are mixed well and melted in portions in a crucible, preferably made of platinum, in an electric furnace at about 1300-1 500 K. For refining the temperature is briefly increased by 500-100 K and then homogenized to temperatures of 1150-1 000 K. At 1000-950 K, the molten glass is poured into preheated molds, preferably of carbon, and cooled to room temperature in the cooling oven at 1-2 K / min.

Ausführungsbeispieleembodiments

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.The invention is demonstrated by the following examples, but is not limited to the examples given. The composition of the batch is reported in mole percent (mol%) along with the optical data of the glasses.

Mol-%mol%

Nr. 1number 1

Sr(POs)2 Sr (POs) 2 1010 1010 3,53.5 3030 2020 La(PO3I3 La (PO 3 I 3 —- —- 1,71.7 —- —- MgF2 MgF 2 99 8,88.8 8,78.7 1010 1010 CaF2 CaF 2 25,825.8 25,225.2 24,824.8 17,717.7 20,320.3 SrF2 SrF 2 17,617.6 17,217.2 16,916.9 5,65.6 8,28.2 AIF3 AIF 3 32,532.5 31,831.8 31,331.3 25,725.7 3030 MnF2 MnF 2 —- —- 12,212.2 1010 1010 MnBr2 MnBr 2 55 55 —- —- —- CeO2 CeO 2 —- —- —- —- 0,30.3 Cr2O3 Cr 2 O 3 —- —- —- —- 0,20.2 Nd2O3 Nd 2 O 3 0,10.1 22 0,90.9 11 11 ηη 1,47061.4706 1,48101.4810 1,46641.4664 1,54151.5415 1,51471.5147 νν 85,685.6 8080 84,584.5 7373 76,176.1 η2 η 2 0,660.66 0,760.76 0,670.67 1,051.05 0,910.91 Nr.No. Mol-%mol% 66 77 88th 99 1010 Sr(Po3I2 Sr (Po 3 I 2 : : 3,83.8 55 55 11 La(POs)3"La (POs) 3 " 55 1,91.9 —- —- 22 MgF2 MgF 2 —- 9,59.5 19,819.8 3030 . 9,5, 9.5 CaF2 CaF 2 28,328.3 27,127.1 44,944.9 38,538.5 25,225.2 SrF2 SrF 2 28,328.3 18,618.6 —- —- 25,225.2 AIF3 AIF 3 38,138.1 34,334.3 3030 2626 36,936.9 MnF2 MnF 2 —- 3,83.8 —- —- —- MnBr2 MnBr 2 —- —- 0,10.1 —- —- MnCI2 MnCI 2 0,20.2 —- —- —- —- MnOMnO —- .—.- —- 0,20.2 —- Ce2(SO4)SCe 2 (SO 4 ) S —- —- —- 0,20.2 —- CrF3 CrF 3 —- —- 0,10.1 —- 0,10.1 Nd2O3,Nd 2 O 3 , —- 11 —- —- —- NdF3 NdF 3 0,10.1 —- 0,10.1 0,10.1 0,10.1

1,4662 87,8 0,631.4662 87.8 0.63

1,4563 88,6 0,601.4563 88.6 0.60

1,4418 90 0,561.4418 90 0.56

1,4402 89 0,561.4402 89 0.56

1,4367 93 0,521.4367 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 Glasschmelze1. Non-linearized glasses of nonlinear refractive index 0.5 <n 2 £ 1.1 on a fluoride-phosphate glass base for laser technology, characterized in that they consist primarily of strontium metaphosphate, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, aluminum fluoride, laser active neodymium component and manganese, cerium , Chromium sensitizer components are melted and in the mixture of glass melt 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.available.
2. Sensitized glasses according to claim 1, characterized in that the ions Mn 2+ predominantly as MnF 2 , MnBr 2 , MnCI 2 , MnSO 4 or MnO, Ce 3 VCe 4+ predominantly as CeO 2 , Ce 2 O 3 or Ce 2 (SO 4 J 3 , Cr 3+ predominantly as Cr 2 O 3 , CrF 3 , or CrCl 3 , Nd 3+ mainly as Nd 2 O 3 or NdF 3 are introduced.
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