DE1158631B - Selektiv fluoreszenter Kristall fuer einen optischen Verstaerker - Google Patents

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

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. 153 605 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 3^fl/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,O_s, zu-

NaHoW₂O₈ oder Tm₂(WO₄).,
d

₂₈
gefügt werden.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

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