DE1157313B

DE1157313B - Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen Verstaerker

Info

Publication number: DE1157313B
Application number: DEW33226A
Authority: DE
Inventors: Leo Francis Johnson
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-11-20
Filing date: 1962-10-29
Publication date: 1963-11-14
Also published as: US3258715A; BE625000A; FR1338208A

Description

Die Erfindung betrifft optische Verstärker für den infraroten Spektralbereich. Die erfmdungsgemäß verwendeten Stoffe umfassen einen Kalzium-Fluorid-Grundkristall, der zusätzlich Neodym-Ionen mit 3+-Wertigkeit enthält.

In letzter Zeit hat sich die Aufmerksamkeit in beträchtlichem Maße auf selektiv fluoreszente Festkörperverstärker gerichtet, die kohärente elektromagnetische Wellenenergie im Frequenzbereich des Lichtes erzeugen oder verstärken können. Geräte dieser Art, die beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 929 922 von Schawlow und Townes beschrieben sind, können im Spektralbereich vom tiefsten Infrarot bis zum Ultraviolett arbeiten, was einer Bandbreite von etwa 10¹⁵ Hz entspricht. Durch eine solche Bandbreite kann eine große Zahl von neuen Nachrichtenübertragungskanälen bereitgestellt werden, so daß die Zahl der verfügbaren Kanäle, die bisher durch die Eigenschaften der vorwiegend benutzten tieferfrequenten Anteile des Spektrums begrenzt waren, vervielfacht werden kann.

Ein solcher optischer Verstärker verwendet ein selektiv fluoreszentes Medium, das durch eine Vielzahl von bestimmten Energiestufen gekennzeichnet ist, wobei der Abstand dieser Stufen Frequenzen innerhalb der gewünschten Arbeitsbereiche entspricht. Im einzelnen entspricht der Abstand zwischen zwei Energiestufen E₁ und E₂ einem Quant mit einer Frequenz v_is, die durch die Bohrsche Gleichung

Selektiv fluoreszenter Kristall
für einen optischen Verstärker

Anmelder:
Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. November 1961 (Nr. 153 603)

Leo Francis Johnson, North Plainfield, N. JV(V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

E₁₁-E,

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gegeben ist. worin h die Plancksche Konstante bedeutet. Bei selektiver Fluoreszenz wird Wellenenergie in einem geeigneten Frequenzbereich an paramagnetischen Ionen aufgespeichert, wobei Elektronen von einer tieferen Energiestufe in eine metastabile höhere Energiestufe angeregt werden. Die angeregten Elektronen verbleiben im oberen Energiezustand für eine kurze Zeit und fallen dann zurück oder entspannen sich in den niedrigeren Energiezustand. Dieser Übergang nach unten ist normalerweise von einer Abstrahlung von Wellenenergie mit einer Frequenz begleitet, die dem Abstand zwischen den betrachteten Energiestufen entspricht. Im Betrieb des optischen Verstärkers wird eine ausreichend hohe Anregungsenergie dem selektiv fluoreszenten Medium zugeführt, um wenigstens kurzzeitig eine sich nicht im Gleichgewicht befindende Besetzungsverteilung zwischen den beiden Energiezuständen zu erzeugen. Genauer gesagt, wird die Besetzung der oberen Energiestufe auf Kosten der Besetzung der unteren Energiestufe erhöht. Wenn die Besetzung der oberen Stufe die der unteren Stufe übersteigt, sagt man, daß eine invertierte Besetzung oder »negative« Temperatur erreicht worden ist. Der Betrieb des optischen Verstärkers hängt von der Tatsache ab, daß ein schwaches Signal mit der richtigen Frequenz den Übergang der angeregten Elektronen aus dem metastabilen Zustand nach unten auslöst und daß die auf diese Weise stimulierte oder induzierte selektive Fluoreszenz kohärent und in Phase mit dem Signal ist.

Die aussichtsreicheren Formen eines optischen Verstärkers verwenden ein selektiv fluoreszentes Medium, das durch ein dreistufiges System des Energiezustandes der Elektronen ausgezeichnet ist, wobei die obere Stufe die Stufe der höchsten potentiellen Energie darstellt. Bei Materialien für optische Verstärker ist der oberste Energiezustand verhältnismäßig breit, so daß er in einigen Fällen am besten als Band beschrieben wird. Ein stetiger Betrieb bei solchen Anordnungen mit drei Energiezuständen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß Elektronen durch Anregung von der ersten auf die dritte Energiestufe angehoben werden, aus der sie durch nicht strahlende Übergänge spontan auf die zweite Stufe zurückfallen und dadurch die gewünschte invertierte Besetzung zwischen der zweiten und ersten Energiestufe hervorrufen. Vorteilhafterweise ist bei optischen Verstärkern dieser Art die Verweilzeit in der dritten Energiestufe kürzer als die in der zweiten,

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so daß die Besetzung der zweiten Stufe während des Betriebes stetig aufrechterhalten werden kann. Da außerdem die Größe der erreichten Überbesetzung der höheren Energiestufe von der relativen Besetzung der ersten und zweiten Energiestufe abhängt, weist das Energiestufensystem bevorzugter Medien außerdem einen Mechanismus auf, durch den die Besetzung des Endzustandes des optischen Übergangs stetig herabgesetzt wird. Auf diese Weise wird die Besetzungsinversion auf einem verhältnismäßig hohen Wert gehalten und der Betrieb des optischen Verstärkers vereinfacht.

Unter den Erfolg versprechenderen selektiv fluoreszenten Materialien haben sich solche, die aus einem Grundkristall bestehen, welcher mit paramagnetischen Ionen aktiviert ist, bewährt. Von diesen Ionen geht die selektive Fluoreszent aus. Der Grundkristall muß aus einem Material bestehen, das die paramagnetischen Ionen so aufnehmen kann, daß sie bei Anregung mit gutem Gesamt-Quantenwirkungsgrad fluoreszieren können, wobei ein möglichst großer Teil der emittierten Energie in einer einzelnen schmalen Spektrallinie konzentriert ist. Im einzelnen muß der Grundkristall die Ionen so aufnehmen, daß die Kopplung zwischen ihnen und dem Kristallgitter bei der selektiven Fluoreszenzfrequenz möglichst klein ist, während gleichzeitig der Übergang aus dem Absorptionsband der Anregungsstrahlung in den metastabilen Zustand möglich ist. Außerdem sollte der Grundkristall gute optische Eigenschaften aufweisen. Das bedeutet, daß er relativ frei von Streustellen sein muß und daher transparent für Lichtwellen mit der Betriebsfrequenz des optischen Verstärkers. Darüber hinaus sollte der Grundkristall einen kleinen Absorptionskoeffizienten für die Anregungsfrequenz besitzen, damit die Aufheizung des selektiv fluoreszenten Mediums möglichst klein wird und eine wirksamere Ausnutzung der Anregungsenergie möglich ist. Wünschenswert ist ferner chemische und physikalische Stabilität. Außerdem ist es erwünscht, daß der Grundkristall aus mechanisch bearbeitbarem Material besteht, bei dem eine genaue Formgebung möglich ist und das hochpoliert werden kann.

Eine Kombination paramagnetischer Ionen mit einem Grundkristall, der die oben genannten Bedingungen erfüllt, ist der Rubin, der weiterhin in großem Umfang als Medium für optische Verstärker verwendet wird und in der Tat eines der wenigen Materialien ist, das mit Erfolg eingesetzt worden ist. Der Rubin hat üblicherweise Emissionslinien bei 6943 Ä und 6921 A. Zusätzliche scharfe Begleitlinien treten beim Rubin bei einer hohen Konzentration von Chromionen auf, und zwar bei 7009 Ä und 7041 Ä. Ein weiteres, mit Erfolg benutztes Material, das bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs betrieben werden kann, besteht aus einem Kalzium-Fluorid-Grundkristall, der Samariumionen enthält. Die Emission von den Samariumionen liegt bei 7082 A.

Optische Verstärker mit Rubin der üblichen Ausführung weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie zur Herstellung der gewünschten invertierten Besetzung hohe Anregungsenergien erfordern. Die an den Rubin zu liefernde Anregungsenergie und die Bedingungen für ihre Absorption von Kristall haben daher den Betrieb des Rubinverstärkers auf die Erzeugung eines unstetigen impulsförmigen Strahls von kohärentem Licht beschränkt. Es liegt jedoch auf der Hand, daß es für viele Anwendungen im höchsten Grade wünschenswert ist, stetig emittierte kohärente Lichtstrahlen durch selektive Fluoreszenz zu erzeugen.

Es ist weiterhin zu beachten, daß die Wahl des selektiv fluoreszenten Mediums für einen optischen Verstärker die Frequenz der ausnutzbaren Emissionslinien bestimmt. Daher ist es wünschenswert, eine Vielzahl von Materialien für optische Verstärker bereitzustellen, um die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Lichtstrahlen im großen Spektralbereich des Lichtes zu ermöglichen.

Trotz der Entdeckung mehrerer einsetzbarer Materialien gibt es jedoch auf der Grundlage der gegenwärtigen Kenntnisse keine bekannte Theorie, die voraussagen könnte, welche Kombination von Ionen und Grundkristallen zu einem Erfolg führt.

Ein Ziel der Erfindung ist die Erzeugung und Verstärkung kohärenter Strahlung im infraroten Teil des Lichtspektrums.

Weiterhin ist es Ziel der Erfindung einen optischen Verstärker zu schaffen, der im infraroten Bereich arbeitet, und eine verhältnismäßig niedrige Anregungsenergie erfordert. Der selektiv fluoreszente Kristall für einen optischen Verstärker mit einem Kalziumfluorid Grundgitter enthält erfindungsgemäß als Aktivatorion dreiwertige Neodymionen, die in einer Menge von 0,01 bis 5%> der Kationen dem Grundkristall zugesetzt sind. Die dreiwertigen Neodymionen sind die Träger der selektiven Fluoreszenz. Beispielsweise wird bei einer Temperatur von 77° K eine selektive Fluoreszenz bei 1,046 μΐη erzeugt. Vorzugsweise beträgt der Anteil an Aktivatorionen 0,1% Nds+.

Eine bevorzugte Ausführungsform benutzt für einen optischen Verstärker, dessen selektives fluoreszentes Medium aus einem stabförmigen Kristall besteht, dessen Endflächen mit reflektierenden Auflagen beschichtet sind, so daß das Medium einen optischen Resonator bildet, um den herum die Anregungslichtquelle angeordnet ist, einen Kalziumfluoridkristall mit dreiwertigen Neodymionen als Aktivator.

Ein optischer Verstärker entsprechend der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Ein stabförmiger Kristall 1 aus Kalziumfluorid, der dreiwertige Neodymionen in einer geeigneten kleinen Konzentration enthält, bildet das selektiv fluoreszente Medium. Die Anregungsenergie wird durch eine wendeiförmige Entladungslampe 2 geliefert, die den Stab 1 umgibt und an eine nicht gezeigte Energiequelle angeschlossen ist. Die Enden 3 und 4 des Stabes 1 sind in Form von konfokalen sphärischen Oberflächen geschliffen und poliert. Sie sind mit reflektierenden Auflagen 5 und 6 beschichtet, so daß ein optischer Resonator gebildet wird. Vorteilhafterweise reflektiert die Schicht 6 vollständig, während die Schicht 5 wenigstens einen Bereich besitzt, der nur teilweise reflektiert, um die Aussendung kohärenter Strahlung? mit einer Wellenlänge von etwa 1,046 μΐη zu ermöglichen. Wenn gewünscht, kann der Stab 1 während des Betriebes in einem Bad aus einem verflüssigten Gas, beispielsweise Stickstoff, gehalten werden, um eine günstige niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten.

Die Entladungslampe 2 erzeugt vorteilhafterweise eine intensive Strahlung in einem breiten Frequenzband, das sich von 0,3 μΐη bis zu größeren Wellen-

längen erstreckt. Quecksilberdampf- oder Xenonlamp&n sind brauchbar, um das erfindungsgemäße Material, das durch eine Vielzahl von scharfen Absorptionslinien im angegebenen Spektralbereich gekennzeichnet ist, mit Anregungsenergie zu versorgen. Es können natürlich auch andere Lampen verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie ausreichende Energie bei Wellenlängen emittieren, die einer oder mehreren brauchbaren Absorptionslinien des Materials entsprechen. Die Elektronen in dem selektiv fluoreszenten Medium werden durch die Anregungsenergie zum Übergang in höhere Energiestufen angeregt und fallen durch nicht strahlende Vorgänge in eine mittlere Energiestufe zurück, die der Energiestufe freier Neodymionen entspricht. Diese Energiebesetzungsverteilung entspricht dem metastabilen Zustand des oben als Beispiel erwähnten Systems mit auf drei Stufen verteilten Energiezuständen. Auf diese Weise wird eine inverte Besetzungsverteilung, eine »negative« Temperatur, zwischen ⁴F_3/2- und dem ⁴Ι_11/2-Zustand erzeugt. Der ⁴I_11/2-Zustand liegt etwa 2000 cm^-I über dem Grandzustand und weist eine vernachlässigbare Besetzung bei Raumtemperatur auf. Die Besetzung des Endzustandes kann durch Kühlung des Kristalls weiter herabgesetzt werden. Durch das Gerät wird eine selektive Fluoreszenz bei 1,046 μΐη im infraroten Bereich erzeugt.

Ein optischer Verstärker des in der Zeichnung dargestellten Typs wurde unter Verwendung eines selektiv fluoreszenten Kalziumfluoridmediums betrieben, das 0,1 Atomprozent Neodym an Stelle von Kalzium enthielt. Das Gerät erzeugte intensive Strahlung bei 1,046 μΐη im infraroten Bereich. Die selektive Fluoreszenz kann in einem größeren Bereich der Konzentration von Neodym erzielt werden. Obwohl im Prinzip keine untere Grenze für die Konzentration von Nd⁺³ besteht, die im Kristall 1 vorhanden sein kann, wird eine praktische Grenze von etwa 0,01% durch die Notwendigkeit gesetzt, eine genügende Anzahl von nichtpaarigen Elektronen zur Verfügung zu haben, um eine brauchbare Ausgangsenergie zu erzeugen.

Im übrigen wird angenommen, daß die bevorzugte Konzentration von Nd⁺³-Ionen im CaF₂-Grundkristall bei etwa 1 % liegt. Eine solche Konzentration erscheint wünschenswert im Hinblick auf maximale Intensität der schmalstmöglichen Linie. Es wird jedoch angenommen, daß sich die brauchbare Konzentration bis zu etwa 5% Nd⁺³ erstreckt. Oberhalb von 5% muß zunehmend eine Linienverbreiterung auf Grand der Wechselwirkung zwischen den Neodymionen selbst in Rechnung gestellt werden. Wenn auch eine selektive Fluoreszenz bei Konzentrationen in Höhe von 5% erzielt werden kann, ist bei den meisten Anwendungen der maximale Wert auf etwa 3% begrenzt. Außerdem sind Kristalle mit mehr als 5%Neodymionen etwas schwieriger herzustellen als solche mit kleineren Konzentrationen.

Aus Messungen an der oben beschriebenen Anordnung wurde geschätzt, daß bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs die zum Betrieb des erfindungsgemäßen optischen Verstärkers erforderliche Energie bei etwa 5 % von der hegt, die zum Betrieb eines Rubinverstärkers ähnlicher Ausbildung unter den gleichen Bedingungen erforderlich ist. Selektiv fluoreszente Medien auf der Grundlage von Samarium können beispielsweise bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs nicht betrieben werden, während ein Betrieb bei der Temperatur flüssigen Wasserstoffs möglich ist.

Wenn die Erfindung auch mit bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, so dient dieses nur als Beispiel und soll den Umfang der Erfindung nicht beschränken. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Material mit jeder Neodymkonzentration in den beschriebenen Bereichen verwendet werden. Weiterhin kann das Material auch in anderen optischen Resonatoren als dem konfokalen Typ verwendet werden. Ein Resonator mit parallelen Platten, wie auch andere, können eingesetzt werden. Außerdem sind auch andere Abänderungen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung möglich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Selektiv fluoreszenter Kristall für einen optischen Verstärker mit einem Kalziumfluorid-Grundgitter, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivatorion aus dreiwertigen Neodymionen besteht, die in einer Menge von 0,1 bis 5% der Kationen dem Grundkristall zugesetzt sind.

2. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Aktivator-Nd³⁺-Ionen 0,1% der Kationen der Grandsubstanz beträgt.

3. Optischer Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes Medium aus einem stabförmigen Kristall besteht, dessen Endflächen mit reflektierenden Auflagen beschichtet sind, so daß das Medium einen optischen Resonator bildet, um den herum die Anregungslichtquelle angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Verwendung eines selektiv fluoreszenten Mediums nach den Ansprüchen 1 und 2.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2929 922;
Electronics vom 5. 5. 1961, S. 88, rechte Spalte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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