DE1162955B - Selektiv fluoreszentes Medium fuer einen optischen Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KI.: H 05 b

Deutsche Kl.: 2If-90

Nummer: 1162 955

Aktenzeichen: W 33734 VIII c / 21 f

Anmeldetag: 18. Januar 1963

Auslegetag: 13. Februar 1964

Die Erfindung betrifft ein selektiv fiuoreszentes Medium für einen optischen Verstärker.

Es sind bereits verschiedene Stoffe für optische Verstärker mit Emissionsspektren im optischen Frequenzbereich (d.h. zwischen 100 Ä und 2-10^eÄ) vorgeschlagen worden. Solche früher angegebenen Stoffe sind in der USA.-Patentschrift 2 929 922 genannt. Weiter vorgeschlagene Stoffe umfassen Kalzium-Fluorid, das Uran-Ionen oder Ionen verschiedener seltener Erden enthält. Es ist auch schon ein selektiv fluoreszenter Erdalkalihalogenid - Grundkristall bekannt, der mit zweiwertigem Samarium dotiert ist. Nach der vorliegenden Erfindung besteht der Grundkristall des selektiv fluoreszenten Mediums für einen optischen Verstärker aus Strontium-Fluorid (SrF₂), in dem zwischen 0,02' und 0,5 Gewichtsprozent der zweiwertigen Strontium-Ionen durch zweiwertige Samarium-Ionen als Aktivatoren ersetzt worden sind.

Die Theorie für das Verständnis der Arbeitsweise eines optischen Verstärkers mit drei Energiezuständen darf als bekannt vorausgesetzt werden. Es wird dazu hingewiesen auf die Zeitschrift Physical Review, Bd. 112, S. 1940 bis 1949, vom 15. 12. 1958.

Stoffe, die im Augenblick von besonderem Interesse sind, sind durch vier wesentlich beteiligte Energie- as zustände gekennzeichnet, wobei der Endzustand vom Grundzustand getrennt ist. Solche Stoffe sind wegen ihres kleinen Energiebedarfs von Bedeutung. Eine Abhandlung über einen Stoff dieser Art findet sich in Physical Review, Bd. 123, S. 766 (1961).

Das Emissionsverhalten wirksamer selektiv fluoreszenter Medien ist durch einen hohen Quantenwirkungsgrad bei kleiner Linienbreite gekennzeichnet. Für den erfindungsgemäßen Stoff wurde ein Wirkungsgrad von 40% mit einer Emissionsbandbreite von 0,7 cm""¹ bei der Temperatur flüssigen Wasserstoffs und darunter gemessen. Zusätzlich weist dieser Stoff in wünschenswerter Weise ein System mit vier Energiezuständen auf.

Das Fluoreszenzverhalten des Stoffes und seine Brauchbarkeit als selektiv fiuoreszentes Medium in einem optischen Verstärker soll im folgenden an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Energiestufendiagramm für Sm²⁺ in SrF₂ mit den Absorptions- und Emissionsstufen und

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines optischen Verstärkeroszillators, in dem das selektiv fluoreszente Medium nach der vorliegenden Erfindung verwendet ist.

Im sichtbaren Bereich sind für SrF₂—Sm²⁺ mehrere Absorptionsbänder vorhanden. Aus der F i g. 1 ist zu ersehen, daß ein starkes Absortionsband zwischen Selektiv fiuoreszentes Medium 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

Als Erfinder benannt:
Wolfgang Karl Kaiser, Summit, N. J.,
Darwin Lewis Wood, Berkeley Heights, N. J.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. Februar 1962

(Nr. 170 335)

16200 und 18 250 cm-¹ verfügbar ist. Quantitativ ist in diesem Bereich eine Absorption von 60% für 1,1 mm einer Probe mit 0,05% Sm²⁺ möglich. Nach der Anregung in das Absorptionsband findet ein" strahlungsloser Übergang in den metastabilen Zustand M bei 14 616 cm"¹ statt. Die Emission vom metastabilen Zustand in den Endzustand zeigt eine intensive Linie bei 14 353 cm"¹. Die Breite der Linie bei 4,2⁰K beträgt 0,7 cm"¹ und der Quantenwirkungsgrad 40%· Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, liegt der Endzustand T 263 Wellenzahlen über dem Grundzustand. Dadurch ist eine Besetzungsumkehr zwischen dem metastabilen und dem Endzustand bei niedrigen Temperaturen möglich, ohne daß die Hälfte der Ionen aus dem Grundzustand herausgebracht werden muß. Da außerdem die Entspannungszeit zwischen diesen Zuständen verhältnismäßig lang ist, d. h. in der Größenordnung von 10~² Sekunden bei 20°K, ist eine höhere Konzentration von Ionen im metastabilen Zustand vorhanden, und daher kann eine höhere Konzentration von Ionen im Endzustand geduldet werden. Dadurch wird eine praktische Betriebstemperatur in der Größenordnung von 64⁰K möglich. Es ist außerdem von Bedeutung, daß das Absorptionsband dicht bei der Emissionsfrequenz liegt, wodurch der unvermeidliche Energieverlust im Kristall herab-

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gesetzt wird, während im anderen Falle sich eine übermäßige Erwärmung des Kristalls ergibt.

Ein optischer Verstärker unter Verwendung dieses Stoffes als selektiv fluoreszentes Medium ist in F i g. 2 dargestellt. Der gezeigte selektiv fluoreszente Kristallstab 20 besteht aus SrF₂, das mit 0,05 % Sm²⁺ aktiviert ist. Solche Kristalle können mit Hilfe üblicher Züchtungsverfahren hergestellt werden, beispielsweise sei dazu auf Journal of Applied Physics, Bd. 32, Nr. 7, S. 1337—1338, Juli 1961, hingewiesen.

Der Kristall weist versilberte Enden 21 und 22 auf, um Strahlung innerhalb des Kristalls führen zu können. Es handelt sich hierbei um die übliche Ausführung eines optischen Resonators, der näher in der USA.-Patentschrift 2 929 922 beschrieben ist. Es sind auch verschiedene andere Ausführungen eines Hohlraumresonators vorgeschlagen worden, beispielsweise in den französischen Patentschriften 1 298 106, 1 198 659 und 1 301 101, die alle in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Stoff verwendet werden können. Der Kristall 20 in F i g. 2 wird von einer Strahlungsquelle 23 umfaßt, die eine intensive Strahlung innerhalb der Absorptionsbänder des Kristalls abgibt. Für diesen Zweck geeignete Lampen sind Quecksilberdampf- oder Xenon-Gasentladungslampen. Die Zuführung dieser Anregungsstrahlung zum Kristall ergibt einen Übergang der Elektronen vom Grundzustand in den metastabilen Zustand durch den Absorptionsmechanismus bei A und einen Übergang in den Zustand M, wie durch den wellenförmigen Pfeil angezeigt. Die Elektronen werden dann zum Übergang in den Endzustand angeregt, wobei der überwiegende Teil ihrer Energie in kohärente Strahlungsenergie innerhalb des optischen Resonators übergeht.

Der Oszillator oder das Gerät zur Erzeugung von Licht nach F i g. 2 ist nur zur Erläuterung als Beispiel gewählt worden. Selbstverständlich können auch andere Ausführungen unter Anwendung dieser Prinzipen entwickelt werden. Ein Beispiel dafür sind Verstärker, bei denen die versilberten Enden weggelassen werden können und die Wellenenergie dann aus einer Wanderwelle im Gegensatz zu der stehenden Welle bei einem Oszillator besteht. In diesem Falle sind, wenn die Wanderwelle genügend verstärkt werden kann, bestimmte, für Oszillatoren vorgeschlagene komplizierte Einzelheiten des Aufbaus nicht erforderlich, da die Schwierigkeiten hinsichtlich des Überwiegens einer einzelnen Schwingungsform und des Festhaltens der Schwingungsform im Resonator nicht vorhanden sind.

Da ein beträchtliches Entleeren des Endzustandes zu einer Verminderung des erforderlichen Energiebedarfs beiträgt, wird das aus dem erfindungsgemäßen Stoff bestehende selektiv fluoreszente Medium vorteilhafterweise gekühlt. Wie bereits angegeben, beträgt die Breite der Emission bei 4,1 °K und 14353 cm"¹ 0,7 Wellenzahlen mit einem Quantenwirkungsgrad von 4O°/o- Es ist von Bedeutung, daß die Linienbreite bei 2O⁰K nur 0,8 Wellenzahlen beträgt und der Wirkungsgrad im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Sogar bei 77° K beträgt die Linienbreite noch 0,8 Wellenzahlen, der Wirkungsgrad ist jedoch wesentlich herabgesetzt. Es wird erwartet, daß sich mit einem Kristall sehr hoher Qualität bezüglich Reinheit und Isotropie ein noch besseres Emissionsverhalten erzielen läßt.

Die Konzentration von Sm²⁺ im Grundkristall ist Einschränkungen unterworfen. Bei zu hohen Konzentrationen bleibt der Kristall schwarz, während zu niedrige Konzentrationen zu einer ungenügenden Absorption führen. Entsprechend diesen Überlegungen ist ein Bereich von 0,02 bis 0,5 Gewichtsprozent Sm²⁺ brauchbar.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Selektiv fluoreszentes Medium für einen optischen Verstärker mit einem Erdalkalihalogenid-Grundkristall und zweiwertigen Samarium-Ionen als Aktivator, dadurchgekennzeichnet, daß das selektiv fluoreszente Medium aus einem Strontium-Fluorid-(SrF2)-Grundkristall besteht, in dem zwischen 0,02 und 0,5 Gewichtsprozent der zweiwertigen Strontium-Ionen durch zweiwertige Samarium-Ionen (Sm²⁺) als Aktivatoren ersetzt worden sind.

2. Selektiv fluoreszentes Medium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aktivierung des Grundkristalls etwa 0,05 Gewichtsprozent der zweiwertigen Strontium-Ionen durch zweiwertige Samarium-Ionen ersetzt worden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Electronics vom 5. Mai 1961, S. 88.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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