DE1158631B - Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen Verstaerker - Google Patents
Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen VerstaerkerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft optische Verstärker für den infraroten Spektralbereich. Die erfindungsgemäß verwendeten
Stoffe umfassen ein Kalziumwolframat-Grundkristall, der zusätzlich entweder dreiwertige
Holmium- oder Thuliumionen enthält.
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 Spektralbereich vom tiefsten Infrarot bis
zum Ultraviolett arbeiten, was einer Bandbreite von etwa 1015Hz 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 E2 einem Quant mit einer Frequenz v12,
die durch die Bohrsche Gleichung
_ E9-E1
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 den beiden Energiestufen zu erzeugen. Genauer gesagt, wird die Besetzung der obe-
Selektiv fluoreszenter Kristall
für einen optischen Verstärker
für einen optischen Verstärker
Anmelder:
Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. November 1961
(Nr. 153 605 und Nr. 153 606)
Leo Francis Johnson, North Plainfield, N. J.,
und Kurt Nassau, Springfield, N. J. (V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden
ren Energiestufe auf Kosten der Besetzung der 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 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 Dreisrufensystem der Energiezustände der Elektronen ausgezeichnet ist, wobei die dritte
Stufe die energiereichste ist. 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 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 ersten
309 767/186
Energiestufe hervorrufen. Vorteilhafterweise ist bei optischen Verstärkern dieser Art die Verweilzeit in
der dritten Energiestufe kürzer als die in der zweiten, so daß die Besetzung der zweiten S'ufe während des
Betriebs stetig aufrechterhalten 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 End- ίο
zustandes 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
Medien treten diejenigen hervor, die aus einem Grundkristall bestehen, welcher mit paramagnetischen
Ionen aktiviert ist. Von diesen Ionen geht die selektive Fluoreszenz 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 obengenannten 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.
Rubin hat üblicherweise Emissionslinien bei 6943 und 6921 A. Zusätzliche scharfe Begleitlinien treten beim
Rubin bei einer hohen Konzentration von Chromionen auf, und zwar bei 7009 und 7041 A. Ein
weiteres, mit Erfolg benutztes Material, das bei der Temperatur flüssigen Wasserstoffs betrieben werden
kann, besteht aus einem Kalziumfluorid-Grundkristall, der Samariumionen enthält. Die Emission der 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 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 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 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.
Bei einem selektiv fluoreszenten Kristall für einen optischen Verstärker mit einem Kalziumwolframat-Grundgitter
und einem dreiwertigen Aktivatorion einer seltenen Erde besteht erfindungsgemäß das
Aktivatorion aus dreiwertigem Holmium oder dreiwertigem Thulium, das in einer Menge von etwa 0,01
bis etwa 10% der Kationen dem Grundkristall zugesetzt ist. Das dreiwertige Holmium und das dreiwertige
Thulium sind der Träger der selektiven Fluoreszenz im infraroten Spektralbereich. Beispielsweise
wird bei einer Temperatur von 77 0K eine selektive Fluoreszenz bei 2,046 μπα für Holmium und bei
1,91 μΐη für Thulium erzeugt.
Die Verwendung dieser Mediums für selektive Fluoreszenz in einem optischen Verstärker ist ein
weiteres Merkmal der Erfindung.
Ein optischer Verstärker entsprechend der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Ein stabf
örmiger Kristall 1 aus Kalziumwolf ramatenthält—wie
beschrieben — dreiwertige Holmium- oder dreiwertige Thuliumionen in einer geeigneten kleinen
Konzentration. 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
Kristalls 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 2,05 μΐη,
wenn der Kalziumwolframatkristall dreiwertige Holmiumionen enthält, und von etwa 1,91 μΐη, wenn
der Kalziumwolframatkristall dreiwertige Thuliumionen enthält, zu ermöglichen. Wenn gewünscht, kann
der Stab 1 während des Betriebes in einem Bad aus einem verflüssigten 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 0,3 μτα. bis zu größeren Wellenlängen er-
streckt. 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
Absorptionslinien des Materials entsprechen.
Die Elektronen in dem selektiv fluoreszenten Medium,
das aus dreiwertige Holmiumionen enthaltendem Kalziumwolframat besteht, werden durch die
Anregungsenergie zum Übergang in höhere Energiestufen angehoben, und fallen durch nichtstrahlende
Vorgänge in einen mittleren Energiezustand zurück, der der 5I7-Stufe freier Holmiumionen entspricht.
Diese Stufe entspricht dem metastabilen Zustand des oben als Beispiel erwähnten Systems mit drei Energiestufen.
Auf diese Weise wird eine Überbesetzung der 5I8-Stufe gegenüber der 5I7-Stufe erzeugt. Die
5I8-Stufe liegt etwa 230 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 2,046 μπι im infraroten Bereich erzeugt.
In ähnlicher Weise werden die Elektronen in dem selektiv fluoreszenten Medium, das aus dreiwertige
Thuliumionen enthaltendem Kalziumwolframat besteht, durch die Anregungsenergie zum Übergang in
höhere Energiestufen angehoben und fallen durch nichtstrahlende Vorgänge in einen mittleren Energiezustand
zurück, der der 3H5-StUfe freier Thuliumionen
entspricht. Diese Energiestufe entspricht der metastabil besetzten Stufe des oben als Beispiel erwähnten
Systems mit drei Energiestufen. Auf diese Weise wird eine Überbesetzung der 3H6-Stufe gegenüber der
SH5-Stufe erzeugt. Der 3H5-Pegel liegt etwa 325 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 1,91 μπι im infraroten
Bereich erzeugt.
Ein optischer Verstärker mit dem in der Zeichnung dargestellten Aufbau wurde unter Verwendung eines
selektiv fluoreszenden Kalziumwolfraniatmediums betrieben,
das entweder 0,5 Atomprozent Holmium oder 0,1 Atomprozent Thulium an Stelle von Kalzium enthielt.
Das Gerät erzeugte intensive Strahlung bei 2,046 μπι für Holmium und bei 1,91 μπι für Thulium
im infraroten Bereich. Die selektive Fluoreszenz kann in einem weiten Konzentrationsbereich von Holmium
oder Thulium erzielt werden. Obwohl im Prinzip keine untere Grenze für die Konzentration von Ho+3
oder Tu+3 besteht, die im Kristall 1 vorhanden sein kann, wird eine praktische Grenze von etwa 0,01 Vo
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 Ho+3- oder Tu+3-Ionen
im CAWO4-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 Aktivatorkonzentration bis zu
etwa 3% sowohl von Ho+3 als auch Tu+3 erstreckt.
Oberhalb von 3'% muß zunehmend eine Linienverbreiterung
auf Grand der Wechselwirkung zwischen den Holmium- oder Thuliumionen selbst in Rechnung
gestellt werden. Wenn auch eine selektive Fluoreszenz bei Konzentrationen in Höhe von 10% erzielt
werden kann, ist bei den meisten Anwendungen der maximale Wert auf etwa 3fl/o begrenzt. Außerdem
sind Kristalle mit mehr als etwa 3°/o Holmium- oder
ίο Thuliumionen 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 Verstärkers erforderliche Anregungsenergie für Holmium
bei etwa 25°/o und für Thulium bei etwa 5°/o
von der liegt, die zum Betrieb eines Rubin-Verstärkers ähnlicher Ausbildung unter den gleichen Bedingungen
erforderlich ist. Selektiv fluoreszente Medien auf der Grandlage von Samarium können beispielsweise bei
Raumtemperatur nicht betrieben werden.
Die erfindungsgemäßen Stoffe werden üblicherweise mit Hilfe eines Verfahrens hergestellt, das allgemein
mit Czochralski-Verfahren bezeichnet wird.
Dazu wird auf einen Aufsatz von J. Czochralski in der Z. Physik, Chemie, Bd. 92, S. 219 bis 221
(1918), hingewiesen. Eine neuere Beschreibung des Verfahrens findet sich in einem Aufsatz von
K. Nassau und L. G. Van Uitert im Journal of Applied Physics, Bd. 31, S. 1508 (1960). Zu den
anderen Verfahren, die verwendet werden können, zählen dieFlammen-Fusion, hydrothermischerSchmelzfluß
und spontane Kernreaktionsverfahren.
Eine bestimmte Probe des Stoffes, bestehend aus HoI-miumionen
enthaltendem Kakiumwolframat, wurde hergestellt, indem 200 g CaWO4 in einen Iridiumtiegel
gegeben und geschmolzen wurden. Dann wurden 0,3 g Ho2O3 und 0,56 g WO3 zu der Schmelze hinzugegeben
und eine homogene Mischung erzeugt. Ein Kristallkeim der gewünschten Orientierung wurde in
die Oberfläche der Schmelze eingetaucht 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 1,25 cm pro Stunde. Der sich ergebende Kalziumwolframatkristall enthielt etwa 0,1% Holmiumionen
an Stelle von Kalzium.
Eine bestimmte Probe des Stoffes, bestehend aus Thuliumionen enthaltendem Kalziumwolf ramat, wurde
hergestellt, indem 200 g CaWO4 in einen Iridiumtiegel gegeben und geschmolzen wurden. Dann wurden
0,30 g Tm2O3 und 0,54 g WO3 zu der Schmelze hinzugefügt
und eine homogene Mischung erzeugt. Ein Kristallkeim der gewünschten Orientierung wurde in
die Oberfläche der Schmelze eingetaucht 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 1,25 cm pro Stunde. Der sich ergebende Kalziumwolframatkristall enthielt etwa 0,08% Thu-Humionen
an Stelle von Kalzium.
Es ist zu beachten, daß in jedem Falle ein beträchtlicher Überschuß von Holmium- oder Thuliumionen
zu der Schmelze hinzugefügt wurde. Im allgemeinen wurde gefunden, daß die Konzentration sowohl von
Holmium als auch von Thulium im Kristall etwa ein Drittel von der in der Schmelze beträgt. Holmium
oder Thulium kann auch in verschiedenen anderen
Formen, wie beispielsweise als Ho2(WO4)3 oder
bzw. NaTmW,Os, zu-
NaHoW2O8 oder Tm2(WO4).,
d
d
28
gefügt werden.
gefügt werden.
Claims (4)
1. Selektiv fluoreszenter Kristall für einen optischen Verstärker mit einem Kalziumwolframat-Grundgitter
und einem dreiwertigen Aktivatorion einer seltenen Erde, dadurch gekennzeichnet, daß
das Aktivatorion aus dreiwertigem Holmium oder dreiwertigem Thulium besteht, das in einer Menge
von etwa 0,01 °/o bis etwa 10 Atomprozent der Kationen dem Grundkrisitall zugesetzt ist.
2. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Holmiumionen
als Aktivator 0,1'°/» der Kalziumionen der Grundsubstanz ersetzen.
3. Selektiv fluoreszenter Kristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Thuliumionen
als Aktivator 0,Γ°/<>
der Kalziumionen der Grundsubstanz ersetzen.
4. Optischer Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes
Medium aus einem stabiörmigen Kristall besteht, dessen Endflächen mit reflektierenden
Auflagen beschichtet sind, so daß das Medium einen optischen Resonator bildet, um den herum
ίο die Anregungslichtquelle angeordnet ist, gekennzeichnet
durch die Verwendung eines selektiv fluoreszenten Kristalls nach den Ansprüchen 1
bis 3.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Proceedings of the IRE, November 1961, S. 1704 bis 1706.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US153605A US3248667A (en) | 1961-11-20 | 1961-11-20 | Optical maser comprising the active medium cawo4:tm+3 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1158631B true DE1158631B (de) | 1963-12-05 |
Family
ID=22547917
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEW33332A Pending DE1158631B (de) | 1961-11-20 | 1962-11-15 | Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen Verstaerker |
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US (1) | US3248667A (de) |
BE (1) | BE624998A (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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FR1353505A (fr) * | 1962-12-17 | 1964-06-03 | Comp Generale Electricite | Perfectionnements aux lasers |
US4284962A (en) * | 1979-07-11 | 1981-08-18 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Excimer-pumped four level blue-green solid state laser |
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NL268679A (de) * | 1960-10-07 |
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1961
- 1961-11-20 US US153605A patent/US3248667A/en not_active Expired - Lifetime
-
1962
- 1962-11-15 DE DEW33332A patent/DE1158631B/de active Pending
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
None * |
Also Published As
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BE624998A (de) | |
US3248667A (en) | 1966-04-26 |
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