DE1171525B

DE1171525B - Optischer Festkoerper-Lichtverstaerker

Info

Publication number: DE1171525B
Application number: DEW32497A
Authority: DE
Inventors: George Edward Devlin; Arthur Leonard Schawlow
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-07-03
Filing date: 1962-06-27
Publication date: 1964-06-04
Also published as: BE619578A; SE308762B; NL279414A; GB1005385A; FR1326980A; US3087374A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: H 05 b

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 2If-90

W 32497 VIII c / 21 f

27.Juni 1962

4. Juni 1964

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Lichtverstärker und seinen geometrischen Aufbau mit dem Ziel einer besseren Ausnutzung der Anregungsstrahlung und zusätzlich einer schnelleren Wärmeableitung von dem selektiv fluoreszenten Festkörper.

Die gegenwärtig entwickelten optischen Lichtverstärker können kohärente elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich des Lichtes erzeugen. Die Lichtstrahlung umfaßt das elektromagnetische Spektrum vom Ultravioletten bis zum tiefsten Infraroten, also in einem Wellenlängenbereich zwischen 100 und 2 · 10⁶ A.

Bei einem optischen Festkörper-Lichtverstärker entsprechend dem gegenwärtigen Stand der Technik wird im allgemeinen ein Kristall in Form eines Stabes verwendet. Verschiedene Kristallzusammensetzungen und Formen, die zur Verwendung als Medium »negativer« Temperatur in einem optischen Festkörper-Lichtverstärker geeignet sind, sind beschrieben in »Electronics« vom 5. 5.1961, S. 88 bis 91. Wenn auch heute im allgemeinen stabförmige Resonatoren Eingang gefunden haben, so ist die vorliegende Erfindung durch ebenso für andere Resonatorausführungen geeignet, insbesondere solche von kugelförmiger oder plättchenförmiger Ausbildung.

Die gegenwärtig betriebenen optischen Festkörper-Lichtverstärker benötigen eine intensive Anregungsstrahlung, um die zur Erzielung der selektiven Fluoreszenz erforderliche Überbesetzung der hohen Energiezustände (gleichbedeutend mit »negativer« Temperatur) zu erreichen. Diese Strahlung stellt im wesentlichen die gesamte Leistung dar, die zum Betrieb eines optischen Lichtverstärkers erforderlich ist. Erfolgreiche Versuche zur Herabsetzung der erforderlichen Anregungsenergie, beispielsweise durch eine wirksame Ausnutzung der auf den selektiv fluoreszenten Kristall auffallenden Strahlung, führen zu einer unmittelbaren und bedeutsamen Herabsetzung des Energiebedarfs für das Gerät.

Eine zusätzliche Schwierigkeit von außerordentlicher Wichtigkeit bei früheren Geräten ist die Abführung der Wärme von dem selektiv fluoreszenten Kristall. Versuche, optische Festkörper-Lichtverstärker stetig zu betreiben, zeigten in erster Linie wegen der im selektiv fluoreszenten Kristall erzeugten intensiven Wärme nur wenig Erfolg.

Die Erfindung stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber den vorbekannten Resonatorausbildungen von optischen Festkörper-Lichtverstärkern dar. Im weitesten Sinne beruht sie auf einer zusätzlichen Anordnung zur Ergänzung des Resonators selbst, die so ausgebildet ist, daß sie ein wirksameres Anregen des

Optischer Festkörper-Lichtverstärker

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

George Edward Devlin, South Plainfield, N. J.,
(V. St. A.),

Arthur Leonard Schawlow, Stanford, Calif.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. Juli 1961 (121 409)

selektiv fluoreszenten Kristalls zuläßt und zusätzlich eine beträchtliche Wärmeableitung von dem selektiv fluoreszenten Medium »negativer« Temperatur bewirkt.
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß bei. einem optischen Festkörper-Lichtverstärker mit einem selektiv fluoreszenten'Kristall »negativer« Temperatur mit sphärischer oder zylindrischer Grenzfläche der selektiv fluoreszente Kristall in einem zu ihm konzentrischen Medium eingebettet ist, das aus einem inaktiven lichtdurchlässigen Material besteht, dessen Brechungsindex wenigstens 95% des Brechungsindex des eingehüllten selektiv fluoreszenten Kristalls beträgt und dessen Wärmeleitfähigkeit wenigstens gleich der des eingehüllten selektiv fluoreszenten Kristalls ist. Mit anderen Worten besteht dieser optische Lichtverstärker-Festkörper aus dem selektiv fluoreszenten Kristall mit stabförmiger oder kugelförmiger Ausbildung und einer Hüllenanordnung, die die gekrümmten Mantel-(Längsseiten)-Teile des selektiv fluoreszenten Kristalls umgibt. Wenn das äußere Hüllenteil aus einem Material besteht, das für die Anregungsstrahlung transparent ist

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und einen verhältnismäßig hohen Brechungsindex aufweist, wird die auf die Oberfläche der äußeren Hülle auffallende Anregungsstrahlung auf den inneren selektiv fluoreszenten Kristall fokussiert oder konzentriert, so daß sich eine einheitliche Verteilung von Anregungsenergie mit hoher Intensität über den Kristall ergibt. Dieses äußere Hüllenteil dient zusätzlich als wirksame Wärmesenke, die eine wirksame Wärmeableitung von dem selektiv fluoreszenten Kristall hinweg gestattet. Daher wird die äußere Hülle vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Material hergestellt.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich in Verbindung mit der Zeichnung. Die Figur zeigt schematisch und im Schnitt eine optische Verstärkeranordnung mit kreisförmigem Querschnitt und erläutert an Hand der einfachen optischen Strahlentheorie ein wesentliches Merkmal der Erfindung.

Ein Körper eines optischen Verstärkers 10 ist im Querschnitt dargestellt. Dieser Körper ist zusammengesetzt aus einem bzw. einer inneren selektiv fluoreszenten Kristallstab oder -kugel 11, der oder die aus einem herkömmlichen Kristall mit »negativer« Temperatur besteht, beispielsweise aus Rubin, und einer äußeren Hülle, die aus irgendeinem Material mit den erforderlichen physikalischen Eigenschaften besteht, die im folgenden im einzelnen behandelt werden sollen. Es sei ein willkürlich gewählter Punkt, beispielsweise der Punkte, auf der Außenfläche des Hüllenkörpers 12 betrachtet. Aus einfachen Überlegungen der geometrischen Optik ergibt sich, daß die gesamte Anregungsstrahlung, die von einer äußeren Lichtquelle (nicht dargestellt) in den Körper vom Punkt A aus eindringt, einen Einfallswinkel besitzt, der innerhalb einer im Punkte erzeugten Halbkugel mit einer durch die Strahlen χ und x' definierten ebenen Begrenzung Hegt, die durch eine Drehung der Strahlen um den Punkt A entsteht.

Die gleichen Verhältnisse sind für den Punkt B mit den Strahlen y und y' gezeigt. Unter der Annähme, daß die Hülle 12 einen höheren Brechungsindex als ihre Umgebung aufweist, werden diese Strahlen beim Eindringen in die Hülle 12 so gebrochen, daß sie innerhalb eines Kegels liegen, der einen halbierten spitzen Winkel Θ besitzt. Die Größe des Kegels innerhalb der Hülle 12 steht zum Brechungsindex der Hülle durch das Gesetz von S η eil in Beziehung, das unter der Annahme einer Luftumgebung mit η = 1 lautet:

R der Radius des Gesamtkörpers und r der Radius der inneren Zone mit konzentrierter Strahlungsdichte. Offensichtlich kann r auch kleiner sein als durch diese Gleichung angegeben, wobei der selektiv fluoreszente Kristall immer noch innerhalb des Bereiches hoher Intensität liegt.

Aus dem oben stehenden folgt, daß die Erfindung nur in den Fällen angewendet werden kann, bei denen der Brechungsindex der Hülle 12 größer ist ίο als der der Umgebung (in der Annahme, daß sie der obigen Ableitung entspricht). Für den allgemeinen Fall lautet die Gleichung (2)

η η'

R r

sine=!,

(D wobei η der Brechungsindex der Hülle 12 und n' der Brechungsindex der Umgebung ist. Zur Erzielung einer gewünschten Strahlungskonzentration soll für die Zwecke der vorliegenden Erfindung das Verhält -

nis-, im Minimum 1,3 und vorzugsweise wenigstens

1,6 sein.
Es ergibt sich ferner, daß bei der obigen Erläuterung beträchtliche Abweichungen zwischen dem Brechungsindex des äußeren Mediums 12 und des inneren selektiv fluoreszenten Kristalls 11 vernachlässigt worden sind. Wenn der Brechungsindex des Teiles 11 wesentlich kleiner ist als der des umgebenden Mediums 12, tritt eine ungleiche Verteilung der Energiedichte über den selektiv fluoreszenten Kristall auf, und Verluste auf Grund von Reflexionen an der Grenzfläche zwischen dem selektiv fluoreszenten Kristall 11 und dem Hüllenteil 12 erlangen Bedeutung. Dementsprechend liegt für die Zwecke der vorliegenden Erfindung der Brechungsindex des umhüllenden Mediums 12 vorzugsweise bei wenigstens 95% des Brechungsindex des selektiv fluoreszenten Kristalls 11.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein Gesamtkörper, der im wesentlichen aus einem Einkristall besteht, in dem die chemische Zusammensetzung des selektiv fluoreszenten Kristalls und der neutralen Umgebungshülle im wesentlichen gleich ist, mit der Ausnahme, daß der selektiv fluoreszente Kristall mit einer kleinen Menge eines geeigneten Elementes dotiert ist, mit dessen Hilfe das sogenannte Wirts-Kristallgitter in der Lage ist, eine »negative« Temperatur anzunehmen bzw. eine Überbesetzung der höheren Energiezustände gestattet. Beispiele für diese Ausführungsform der Erfindung sind in der folgenden Tabelle gegeben:

worin Θ der halbe spitze Winkel des Kegels ist und η der Brechungsindex der Hülle. Auf diese Weise wird beim Integrieren über alle Punkte der Oberfläche der Hülle 12, beispielsweise die Punkte/4 und B, durch das Strahlungsdiagramm im selektiv fluoreszenten Kristall 10 ein innerer Teil 11 definiert, der eine Zone einheitlicher Strahlungsdichte mit maximaler Intensität darstellt. Der Radius der inneren Zone steht jeweils zum Radius des Gesamtkörpers durch den Brechungsindex des Teiles 12 auf folgende Weise in Beziehung:

^R ™

wobei η der Brechungsindex des Hüllmaterials ist,

Tabelle I

Inaktives Material für den Hüll körper	Material für den selektiv fluoreszenten Kristall (⁰Zo in Molprozent)	Verhältnis R r
Al₂O₃ (Saphir) CaF₂ CaF₂ CaF₂ CaF.,	Al₂O,+ Cr³⁺ (0,005 bis 1,0%) CaF₂ + Sm*+ (0,01%) CaF₂ + Eu²⁺ (0,05%) CaF₂ + Tb³⁺ (0,05%) CaF.,+ U³⁺ (0,05%)	1,76 1,43 1,43 1,43 1,43

Wie oben ausgeführt, entspricht das Verhältnis

im wesentlichen dem Verhältnis der Brechungsindizes von selektiv fluoreszentem Kristall zum umgebenden Medium. Für die üblichen stabförmigen Resonätoren entspricht dieses Verhältnis den relativen Durchmessern des zusammengesetzten Stabes. Bei sphärischen Resonatoren ist dieses Verhältnis einfach der Gesamtradius des zusammengesetzten sphärischen Körpers in Beziehung zum Radius der aktiven Kugel.

Es sind verschiedene Verfahren zur Züchtung von Einkristallen mit den in der Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen und Abmessungen bekannt. Ein bestimmtes Verfahren zur Erzeugung eines Einkristalle besteht darin, einen Impfkristall mit der Zusammensetzung des selektiv fluoreszenten Kristalls zu verwenden und die äußere Hülle aufwachsen zu lassen.

Bei der Herstellung von selektiv fluoreszenten Kristallen entsprechend der allgemeinen Form der vorliegenden Erfindung besteht der äußere Hüllkörper aus einem anderen Material als der selektiv fluoreszente Kristall und wird so gewählt, daß es den gewünschten Brechungsindex und die gewünschte Wärmeableitung aufweist. Der äußere Hüllkörper kann entweder flüssig oder fest sein. Bei Verwendung einer zirkulierenden Flüssigkeit ist es offensichtlich, daß die Flüssigkeit einen hohen Wärmeleitkoeffizienten aufweist. Trotzdem sollte die Flüssigkeit einen günstigen Brechungsindex aufweisen, beispielsweise größer als 1,3 sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Bei Verwendung eines festen Hüllkörpers soll dieser vorzugsweise einen Wärmeleitkoeffizienten aufweisen, der wenigstens so groß ist wie der des selektiv fluoreszenten Kristalls. In diesem Fall bewirkt der äußere Hüllkörper eine wirksame Ableitung der im selektiv fluoreszenten Kristall erzeugten Wärme.

Verschieden geeignete Zusammensetzungen von Hüllkörpern entsprechend der allgemeinen Form der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Tabelle II

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Selektiv fluoreszenter Kristall	Hüllkörper	4
	Ge*	2,2
	ZnO₂	2,4
(Irgendeines der in der	TiO₂"	2,0
Tabelle I angegebenen)	SnO₂	3,56
	ZnTe	2,0
	ZnSO₄

* Transparent nur für infrarote Anregungsstrahlung.

Bei jeder erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es erforderlich, daß der Lichtverstärkerkörper aus Materialien hergestellt wird, deren relative Brechungsindizes innerhalb der oben beschriebenen Grenzen liegen. Es ist außerdem wesentlich, daß die geometrische Form der Grenzfläche des äußeren Hüllkörpers im wesentlichen die gleiche ist wie die Grenzfläche des aktiven Festkörpers und konzen-

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65 irisch zu ihr, d. h., der Lichtverstärker muß im wesentlichen aus konzentrischen Stäben oder konzentrischen Kugeln zusammengesetzt sein.

Die erfindungsgemäßen optischen Lichtverstärker können bei irgendeiner Frequenz innerhalb des oben beschriebenen Bereichs der Lichtwellen arbeiten. Die Frequenz der Anregungsstrahlung liegt im allgemeinen ebenfalls innerhalb dieses Bereichs. Infolgedessen ist es erforderlich, daß der Hüllkörper des Materials »negativer« Temperatur im wesentlichen transparent für die Strahlung bei irgendeiner Frequenz innerhalb des Lichtspektrums ist, die der Anregungsfrequenz entspricht.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Festkörper-Lichtverstärker mit einem selektiv fluoreszenten Kristall »negativer« Temperatur mit sphärischer oder zylindrischer Grenzfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv fluoreszente Kristall (11) in einem zu ihm konzentrischen Medium (12) eingebettet ist, das aus einem inaktiven lichtdurchlässigen Material besteht, dessen Brechungsindex wenigstens 95% des Brechungsindex des eingehüllten selektiv fluoreszenten Kristalles (11) beträgt und dessen Wärmeleitfähigkeit wenigstens gleich der des eingehüllten selektiv fluoreszenten Kristalls (11) ist.

2. Lichtverstärker-Festkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des einhüllenden Mediums (12) wenigstens l,3mal so groß ist wie der Brechungsindex seiner äußeren Umgebung.

3. Lichtverstärker-Festkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (12) im festen Aggregatzustand vorliegt.

4. Lichtverstärker-Festkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (12) aus einem Kristall besteht, der zugleich das Wirts-Kristallgitter des Lichtverstärkers bildet.

5. Lichtverstärker-Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv fluoreszente Kristall (11) mit seinem Hüllkörper (12) beide aus einem Einkristall-Körper bestehen.

6. Lichtverstärker-Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv fluoreszente Kristall (11) im wesentlichen aus Rubin besteht.

7. Lichtverstärker-Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (12) aus Saphir besteht.

8. Lichtverstärker-Festkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkörper (12) flüssig ist.

9. Lichtverstärker-Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Hüllkörpers (12) wenigstens l,6mal so groß ist wie der Brechungsindex seiner äußeren Umgebung.

10. Lichtverstärker-Festkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Hüllkörpers (12) zum Durchmesser des selektiv fluoreszenten Kristalls (11) etwa dem

Verhältnis des Brechungsindexes des Hüllkörpers (12) zum Brechungsindex seiner äußeren Umgebung entspricht.

11. Verfahren zur Herstellung des Lichtverstärker-Festkörpers nach den Ansprüchen 4 bis 7, gekennzeichnet durch das Aufwachsenlassen des

Hüllkörpers (12) auf dem selektiv fluoreszenten Kristall (11).

In Betracht gezogene Druckschriften: Scientific American, Oktober 1960, S. 72 bis 8Ö, insbesondere die Abbildung auf S. 77.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen