DE1157314B - Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen Verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Verstärker für den infraroten Spektralbereich. Die erfindungsgemäß verwendeten Stoffe umfassen einen Molybdatkristall, der mit dreiwertigen Neodymionen aktiviert ist.

In letzter Zeit hat sich die Aufmerksamkeit in beträchtlichem Maße auf selektiv fluoreszente Festkörper 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 Spsktralbereich 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 benutzt ein selektiv fluoreszentes Material, 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 £., einem Quant mit einer Frequenz v_xt, die durch die Bohrsche Gleichung

<' 12 =

gegeben ist, worin h die Plancksche Konstante bedeutet.

Bei der selektiven 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 im allgemeinen 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 thermodynamischen Gleichgewicht befindende Besetzungsverteilung zwischen mindestens zwei Energiestufen zu erzeugen. Genauer gesagt, es wird die Besetzung der oberen Energiestufe auf Kosten der Besetzung der 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. 153 607)

Leo Francis Johnson, North Plainfield, N. J.,
und Ralph Robert Soden, Scotch Plains, N. J.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

unteren Stufe 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 ist nun so, daß ein schwaches Signal mit der Resonanzfrequenz 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 Dreistufensystem der Energiezustände der Elektronen ausgezeichnet ist, wobei die dritte Stufe die energiereichste ist. Bei Stoffen 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 Energiestufen kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß Elektronen durch Anregung von der ersten auf die dritte Energiestufe angehoben werden, aus der sie durch nichtstrahlende Übergänge spontan auf die zweite Stufe zurückfallen und dadurch die gewünschte invertierte Besetzung zwischen der zweiten und der ersten Energiestufe hervorrufen. Vorteilhafterweise ist bei optischen Verstärkern dieser Art die Verweilzeit in der dritten Energiestufe kürzer als

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die in der zweiten, so daß die Besetzung der zweiten Stufe während des Betriebes stetig aufrecht erhalten werden kann. Da außerdem die Größe der 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

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 5 zu liefernde Anregungsenergie und die Bedingungen für ihre Absorption vom 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

die Besetzungsinversion auf einem verhältnismäßig 10 für viele Anwendungen im höchsten Grade hohen Wert gehalten und der Betrieb des optischen wünschenswert ist, stetig emittierte kohärente Licht-Verstärkers vereinfacht. strahlen durch selektive Fluoreszenz zu erzeugen.

Unter den Erfolg versprechenderen selektiv fluores- Es ist weiterhin zu beachten, daß die Wahl des

zenten Medien treten diejenigen hervor, die aus selektiv fluoreszenten Mediums für einen optischen einem Grundkristall bestehen, welcher mit para- 15 Verstärker die Frequenz der ausnutzbaren Emissionsmagnetischen Ionen aktiviert ist. Von diesen Ionen linien bestimmt. Daher ist es wünschenswert, eine geht die selektive Fluoreszenz aus. Der Grundkristall Vielzahl von Materialien für optische Verstärker bemuß aus einem Material bestehen, das die para- reitzustellen, um die Erzeugung und Verstärkung magnetischen Ionen so aufnehmen kann, daß sie bei kohärenter Lichtstrahlen im großen Spektralbereich Anregung mit gutem Quantenwirkungsgrad fluores- 20 des Lichtes zu ermöglichen. Trotz der Entdeckung zieren können, wobei ein möglichst großer Teil der mehrerer einsetzbarer Materialien gibt es jedoch auf emittierten Energie in einer einzelnen schmalen der Grundlage der gegenwärtigen Kenntnisse keine Spektrallinie konzentriert ist. bekannte Theorie, die voraussagen könnte, welche

Im einzelnen muß der Grundkristall die Ionen so Kombination von Ionen und Grundkristallen zu einem aufnehmen, daß die Kopplung zwischen ihnen und 25 Erfolg führt.

dem Kristallgitter bei der selektiven Fluoreszenzfre- Ein Ziel der Erfindung ist die Erzeugung und Ver-

quenz möglichst klein ist, während zugleich der Über- Stärkung kohärenter Strahlung im infraroten Teil des gang aus dem Absorptionsband der Anregungs- Lichtspektrums. Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, strahlung in den metastabilen Zustand möglich ist. einen optischen Verstärker zu schaffen, der im infra-Außerdem sollte der Grundkristall gute optische 30 roten Bereich arbeitet und eine verhältnismäßig nie-Eigenschaften aufweisen. Das bedeutet, daß er relativ drige Anregungsenergie erfordert, frei von Streustellen sein muß und daher transparent Bei einem selektiv fluoreszenten Kristall für einen

für Lichtwellen mit der Betriebsfrequenz des optischen Verstärker mit Neodym als dreiwertigem optischen Verstärkers. Darüber hinaus sollte der Aktivatorion einer seltenen Erde wird erfindungs-Grundkristall einen kleinen Absorptionskoeffizienten ₃₅ gemäß als Grundmaterial des Kristalls ein Molybdatfür die Anregungsfrequenz besitzen, damit die Auf- Grundgitter mit der chemischen Formel XMoO₄ verheizung des selektiv fluoreszenten Mediums möglichst wendet, in der X Blei, Kalzium oder Strontium beklein wird und eine wirksamere Ausnutzung der An- deutet, bei dem ein Teil der X-Kationen durch dreiregungsenergje möglich ist. wertige Neodymionen als Aktivatoren ersetzt worden

Wünschenswert ist ferner chemische und physika- 40 ist, und der Anteil an Aktivator im Bereich von 0,01

py

lische 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.

bis 10 Atomprozent der Kationen liegt. Die selektive Fluoreszenz vom Blei-Molybdat-Medium tritt bei Raumtemperatur bei 1,0586 μΐη im infraroten Bereich auf. Bei Raumtemperatur ergibt sich eine selektive l

p g

Eine Kombination paramagnetischer Ionen mit 45 Fluoreszenz vom Strontium-Molybdat-Medium bei einem Grundkristall, der die obengenannten Be- 1,0643 und 1,0576 μΐη. Bei 77¹⁰K, der Temperatur dingungen erfüllt, ist der Rubin, der weiterhin in flüssigen Stickstoffs, findet die Emission bei einer eingroßem Umfang als Medium für optische Verstärker zelnen Linie bei 1,0640 μΐη statt. Kalziummolybdat verwendet wird und in der Tat eines der wenigen emittiert bei Raumtemperatur bei 1,0673 μπι und bei Materialien ist, das mit Erfolg eingesetzt worden ist. 50 77 ⁰K bei 1,0670 μΐη.

Ein Rubin hat üblicherweise Emissionslinien bei 6943 Die Verwendung eines solchen Mediums für selek-

und 6921 A. Zusätzliche scharfe Begleitlinien treten tive Fluoreszenz in einem optischen Verstärker ist ein beim Rubin bei einer hohen Konzentration von weiteres Merkmal der Erfindung. Chromionen auf, und zwar bei 7009 und 7041 Ä. Ein optischer Verstärker entsprechend der Erfin-

Ein weiteres, mit Erfolg benutztes Material, das bei 55 dung ist in der Zeichnung dargestellt. Ein stabförder Temperatur flüssigen Wasserstoffs betrieben wer- miger Kristall 1 aus Blei-, Strontium- oder Kalziumden kann, besteht aus einem Kalziumfluorid-Grund- molybdat enthält, wie beschrieben, dreiwertige kristall, der Samariumionen enthält. Die Emission Neodymionen in einer geeigneten kleinen Konzentravon den Samariumionen liegt bei 7082 A. Ein kürz- tion. Die Anregungsenergie wird durch eine wendellich vorgeschlagenes selektiv fluoreszentes Medium ist 60 förmige Entladungslampe 2 geliefert, die den Stab 1 Kalziumwolframat, das dreiwertige Neodymionen umgibt und an eine nicht gezeigte Energiequelle an

enthält. Außerdem vorgeschlagene neue Materialien sind Praseodym in Kalziumwolframat, das bei etwa 1,047 μΐη betrieben wird, Thulium in Kalziumwolframat, das bei etwa 1,91 μΐη betrieben wird, Holmium 65 in Kalziumwolframat, das bei etwa 2,05 μΐη betrieben wird und Neodym in Kalziumfluorid, das bei etwa 1,05 μπα betrieben wird.

geschlossen ist. Die Enden 3 und 4 des Kristallstabes 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 das Austreten kohärenter Strahlung 7 mit einer Wellenlänge von etwa 1,06 μΐη zu ermöglichen. Wenn gewünscht, kann der Stab 1 während des Betriebs in einem Bad aus einem verflüssigtem Gas, wie beispielsweise Stickstoff, gehalten werden, um eine niedrige Temperatur mit den später beschriebenen wünschenswerten Ergebnissen aufrechtzuerhalten.

Die Lampe 2 erzeugt vorteilhafterweise eine intensive Strahlung in einem breiten Frequenzband, das sich von 0,4 μΐη bis zu größeren Wellenlängen erstreckt. Quecksilberdampf- oder Xenonlampen 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 Absorptionslmien 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 Übergänge in eine mittlere Energiestufe zurück, die einem der ⁴F_3/2-Stufen freier Neodymionen entspricht. Diese Stufe entspricht dem metastabilen Zustand des oben als Beispiel erwähnten Systems mit drei Energiestufen. Auf diese Weise wird eine Übersetzung der ⁴I₁₁Z₂-Stufe gegenüber der ⁴F_3/2-Stufe erzeugt. Die ⁴I₁₁Z₂-Stufe liegt etwa 2000 cm"¹ über dem Grundzustand 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 etwa 1,06 μΐη im infraroten Bereich erzeugt.

Ein optischer Verstärker des in der Zeichnung dargestellten Typs wurde unter Verwendung von Bleimolybdat, das 0,5 Atomprozent Neodym als Aktivator an Stelle von Blei enthielt, als selektiv fluoreszentes Medium betrieben. Das Gerät erzeugte eine intensive kohärente Emission bei 1,0586 am im infraroten Bereich. Außerdem wurden optische Verstärker mit Medien betrieben, die aus Strontiummolybdat mit 0,2 Atomprozent Neodym und Kalziummolybdat mit 0,5 Atomprozent Neodym bestanden. Eine selektive Fluoreszenz wurde bei etwa 1,064 bzw. 1,067 μπι erzeugt.

Die selektive Fluoreszenz kann in einem weiten Bereich der Aktivatorkonzentration 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 Aktivatorkonzentration von Nd⁺³-Ionen im Molybdat Grundkristall bei etwa 1 Atomprozent 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 3% Nd+³ erstreckt. Oberhalb von 3% muß zunehmend eine Linienverbreiterung auf Grund der Wechselwirkung zwischen den Neodymionen selbst in Rechnung gestellt werden.

Wenn auch eine selektive Fluoreszenz bei Konzentrationen in Höhe von 10^Ό/ο erzielt werden kann, ist bei den meisten Anwendungen der maximale Wert auf etwa 3 % begrenzt. Außerdem sind Kristalle mit mehr als 3 °/c Neodymionen etwas schwieriger herzustellen als solche mit kleineren Aktivatorkonzentrationen. Aus Messungen an der oben beschriebenen Anordnung wurde geschätzt, daß bei Raumtemperatur die zum Betrieb des erfindungsgemäßen optischen

ίο Verstärkers mit Bleimolybdat erforderliche Anregungsenergie bei etwa 5°/» von der liegt, die zum Betrieb eines Rubinverstärkers ähnlicher Ausbildung unter den gleichen Bedingungen erforderlich ist. Der optische Verstärker mit einem selektiv fluoreszenten Medium aus Kalziummolybdat-Neodym hatte einen Schwellwert von etwa 20 % von dem bei Rubin, während das Strontiummolybdatmedium nur 0,5% der bei Rubin erforderlichen Energie benötigte. Selektiv fluoreszente Medien auf der Grundlage von Samarium können zwar bei der Temperatur flüssigen Wasserstoffs, aber nicht bei Raumtemperatur betrieben werden.

Das erfindungsgemäße Material wird üblicherweise mit Hilfe eines Verfahrens hergestellt, das allgemein als Czochralski-Verfahren bezeichnet wird. Dazu soll hingewiesen werden auf einen Aufsatz von J. Czochralski in der Z. Physik, Chemie, Bd. 92, S. 219 bis 221 (1918). Eine neuere Beschreibung des Verfahrens findet sich in einem Aufsatz von K. N as s au und

L. G. Van Uitert im Journal of Applied Physics, Bd. 31, S. 1508 (1960). Zu den weiteren Verfahren, die verwendet werden können, zählen die Flammenfusionen, hydrothermischer Schmelzfluß und spontane Kernreaktionsverfahren.

Eine bestimmte Probe des Bleimolybdatmaterials wurde hergestellt, indem 122,7 g PbO, 79,85 g MoO₃ und 0,46 g Nd₂O₃ in einen Platintiegel gegeben und geschmolzen wurden. Es wurde eine homogene Mischung erzeugt. Ein Kristallkeim der gewünschten Orientierung wurde in die Oberfläche der Schmelze eingesetzt und unter gleichzeitiger Drehung aus der Schmelze gezogen. Gute Ergebnisse wurden erzielt bei einer Drehzahl von etwa 30 U/min, und einer Ziehgeschwindigkeit von etwa 0,5 cm/Std. Der sich

ergebende Bleimolybdatkristall enthielt etwa 0,3 Atomprozent Neodymionen an Stelle von Blei.

Eine Probe des Kalziummolybdatmaterials wurde

erzeugt, indem 60 g CaMoO₄ in einen Iridiumtiegel gegeben und geschmolzen wurden. Dann werden 0,46 g Nd₂O₃ und 0,65 g MoO₃ zu der Schmelze hinzugefügt und eine homogene Mischung erzeugt. Danach wurde ein Kristall unter gleichzeitiger Drehung aus der Schmelze gezogen, wobei gute Ergebnisse erzielt wurden, bei einer Drehzahl von etwa 30 U/min, und einer Ziehgeschwindigkeit von etwa 0,8 cm/Std. Der Kristall enthielt etwa 0,2 Atomprozent Neodym.

Eine Probe des Strontiummolybdatmaterials wurde erzeugt, indem 75 g SrMoO₄ in einem Iridiumtiegel geschmolzen und 0,3 g Nd₂O₃ und 1,4 g MoO₃ hinzu-

gegeben wurden. Nachdem eine homogene Mischung hergestellt war, wurde ein Kristall mit etwa 0,8 cm pro Stunde und einer Drehzahl von etwa 50 U/min, aus der Schmelze gezogen. Der Kristall enthielt etwa 0,2 Atomprozent Neodym an Stelle von Strontium.

Man beachte, daß in jedem Fall ein beträchtlicher Überschuß von Neodymionen der Schmelze hinzugefügt wurde. Im allgemeinen wurde gefunden, daß die Konzentration von Neodym im Kristall etwa ein

Viertel von der in der Schmelze ist. Neodym kann auch in verschiedenen anderen Formen, wie beispielsweise als Nd₂(MoO₄)₃ oder als Molybdate seltener Erdkali zugegeben werden.

Wenn die Erfindung auch mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, 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 (5)

PATENTANSPRÜCHE: 20

1. Selektiv fluoreszenter Kristall für einen optischen Verstärker mit Neodym als dreiwertigem Aktivator-Ion einer seltenen Erde, dadurch ge kennzeichnet, daß als Grundmaterial des Kristalls ein Molybdat-Grundgitter mit der chemischen Formel XMoO₄ verwendet wird, in der X Blei, Kalzium oder Strontium bedeutet, bei dem ein Teil der X-Kationen durch dreiwertige Neodymionen als Aktivatoren ersetzt worden ist, und der Anteil an Aktivator im Bereich von 0,01 bis 10 Atomprozent der Kationen, liegt.

2. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall im wesentlichen aus Bleimolybdat besteht, in dem als Aktivator 0,5 Atomprozent der Bleiionen durch dreiwertige Neodymionen ersetzt worden sind.

3. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall im wesentlichen aus Kalziummolybdat besteht, in dem als Aktivator 0,5 Atomprozent der Kalziumionen durch dreiwertige Neodymionen ersetzt worden sind.

4. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall im wesentlichen aus Strontiummolybdat besteht, in dem als Aktivator 0,2 Atomprozent der Strontiumionen durch dreiwertige Neodymionen ersetzt worden sind.

5. 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 Kristalls nach den Ansprüchen 1 bis 4.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Proceedings of the IRE, November-Heft 1961, . 1704 bis 1706.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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