DE1295109C2

DE1295109C2 - Stimulierbares festkoerpermedium fuer optische sender oder verstaerker (laser)

Info

Publication number: DE1295109C2
Application number: DE1962A0041462
Authority: DE
Inventors: Brookfield Mass Smtzer Elias (VStA)
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: American Optical Corp
Priority date: 1961-10-27
Filing date: 1962-10-24
Publication date: 1977-08-04
Also published as: GB1015057A; DE1295109B; NL284736A; NL137422C; BE692537A

Description

— Γ " j ~ it ι inhtausstrahlung, annehmen. Im Wege verbunden mi >¹⁽*¹^™"_ο1ι ^B _dieser mit Strahlung _der >>S^^ul«_aJf ;_eS^C _s?ab?l angeregter Ionen zu verbundene Übergang m _ηά phasenglei-

einem ^''Sl verbundenen Vorgang gestalcher optischer Strahlung^^ ^.^ _{StraMung ist}

in hervorragender Weise für optische Sender

ten.

einem

,.„... handelt, haben sich ,siai.c bewährt, d. h. ein Festköraus einem Kristall, in dessen ais AKiivatorion wirkendes Cr³+ eingeeingebauten CR3+-Ionen bi den ein zu Zustand anregungsfähiges System ,er Resonator wirkenden Wirtskristall. Es wurde aucn eine stimulierte optische Emission mit andirTund mit ^^SSIT^SSZ ichen Verfasser in der Zeit- -al Keview«, Dezember 1958, S. 1948, und 12 60 230 auf die Verwendung von >n salzen der seltenen Erden als stimulierbare Festkörpermedien, wobei die letztgenannte insbesondere Eu anfuhrt

in der Zeitschrift »Bell

Die Erfindung bezieht sich auf ein stimulierbares Festkörpermedium für nach dem Prinzip der stimuli erten Emission arbeitende optische Sender oder Verstär- ^hSdenlten S ;_ff; vorstellbar sind, insoweit sie zu metastabikn Zuständen anregungsfähig sind und, in das wlrtsmaterial eingebaut, scharfe Resonanzümen aufso wese"n Die letztgenannte Eigenschaft, die auch in !deren gleichzeitigen Veröffentlichungen betont wird wird von Sc h a w 1 ο w deswegen als wichtig erachtet, we» breite Resonanzen mehr Anregungsenergie Γη brechend der Linienbreite erfordern«. So sagt

Flüssigkeiten sich als brauchbar erweisen wurden (S.

hinsichtlich des optischen Verhaltens von in,Glas eingebautem Fluoreszenzmaterial war bekannt daß

"⁵ 1£ SASSE S«: iSL*«£&

S c h a w I ο w geäußerte Vermutung der Realisierbarkeit eines Glas als Wirtsmaterial verwendenden Festkörpermediums realisieren lassen würde. In die gleiche Richtung deuteten auch im Rahmen eines Symposions im Oktober 1961 behandelte Untersuchungen, die darauf hinausliefen, daß durch Terbium aktiviertes Boraxglas unter Verwendung der zur Verfügung stehenden optischen Lichtquellen sich nicht zu einem praktisch ausnutzbaren metastabilen Anregungszustand hinreichend langer Lebensdauer anregen lassen würde.

Eigene Untersuchungen haben jedoch den Erfinder zu dem Ergebnis geführt, daß ein stimulierbares Festkörpermedium in Form eines mit Nd³⁺ dotierten Glaskörpers möglich ist

Das stimulierbare Festkörpermedium nach der Erfindung für nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitende optische Sender oder Verstärker, bestehend aus einem dotierten transparenten dielektrischen stab- oder faserförmigen Körper, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium ein anorganisches Glas in Form von Bariumkronglas, Natronkalkglas, Glas auf der Basis von Aluminium-Zink-Phosphat oder Natriumborat, 15%igem Bleisilikatglas, hochbrechendem Bleisilikatglas, Borsilikatglas mit hohem Silikatgehalt, glasiges Germanat enthaltendem Glas oder Fluoridglas ist und als Aktivatorion Neodym³+ (Nd³⁺) eingebaut enthält

Insbesondere hat ein stimulierbares Festkörpermedium zu praktischem Erfolg geführt, das aus Barium kronglas, dotiert mit einer Menge an Nd³ + von ungefähr 2 Gew.-% seines Oxids, besteht

Weitere Arbeiten haben ferner ergeben, daß es zweckmäßig ist zusätzlich im Festkörpermedium absorbierendes Fluoreszenzmaterial einzubauen, das nicht unmittelbar vom Aktivatorion absorbierbares Licht absorbiert und dieses absorbierte Licht in Fluoreszenzstrahlung solcher Wellenlänge umwandelt, die vom Aktivatorion wirkungsvoll absorbiert wird.

Für die Fortschrittlichkeit der Erfindung ist ferner zu beachten, daß die Herstellung von Glasstäben oder Glasfasern sehr viel einfacher ist als die Herstellung entsprechender Kristallkörper, z. B. stabförmiger Rubine. Dies wirkt sich insbesondere dann aus, wenn es sich um Stäbe größeren Durchmessers oder flexible Fasern handelt

Im Rahmen der Erfindung bildet das Glas zugleich das Medium für den optischen Resonator und verhilft zu einem hohen Gütewert desselben.

Weitere Anwendungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Figuren. Es zeigt

F i g. 1 eine zum Teil geschnitten? schematische Darstellung eines optischen Senders oder Verstärkers mit einem dotierten Glasstab nach der Erfindung,

Fig.2 eine vergrößerte Teilansicht des rechten Endes des Stabs nach F i g. 1,

Fig.3 eine der Fig. 1 entsprechende Teilansicht einer abgewandelten Ausführungsform des optischen Senders oder Verstärkers,

F i g. 4 eine zum Teil geschnittene Darstellung eines weiteren optischen Verstärkers mit einem Festkörpermedium nach der Erfindung,

Fig.5 die entsprechende Darstellung eines weiteren optischen Senders,

F i g. 6 eine teilweise im Schnitt dargestellte Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des Festkörnermediums nach der Erfindung,

F i g. 7 ein Diagramm, das als Beispiel das Fluoreszenzspektrum zeigt, das mit einem Festkörpermedium nach der Erfindung erhalten wird, und zwar einmal bei stimulierter Strahlung und bei normaler Spontanemission,

F i g. 8 ein Energieniveaudiagramm des dreiwertigen Neodyms (Nd³⁺) und der Niveaus, zwischen denen Spontanemission auftritt,

Fig.9 ein das Absorptionsspektrum des Neodyms veranschaulichendes Diagramm und

Fig. 10 eine teilweise im Schnitt dargestellte Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform eines Festkörpermediums nach der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein optischer Sender oder Verstärker 10 gezeigt mit einem stimulierbaren Medium aus einem dünnen, langen, zylindrischen Nd³⁺-dotierten Glasstab 12, um den koaxial eine wendeiförmige Gasentladungsblitzlampe 14 angeordnet ist. Die letztere ist von bekannter Ausbildung und hat an ihren beiden Enden elektrische Anschlüsse 16, die an eine Hochspannungsquelle 18 angeschlossen sind. Um die Windungen der Gasentladungslampe 14 ist in dichtem Abstand ein Leiter 20 geführt, der dazu dient, die Gasentladungslampe erwünschtenfalls durch einen von der Zündvorrichtung 22 gelieferten Hochspannungsimpuls zu zünden. Die Gasentladungslampe 14 und der dotierte Glasstab 12 sind inmitten eines zylindrischen Hohlspiegels 24 angeordnet.

Der Glasstab 12 besteht aus einer dünnen zylindrischen Faser 26 aus einem Nd³⁺-dotierten Bariumkronglas (Fig.2). Diese Faser 26 ist zentral in einer wesentlich dickeren Hülle 28 aus gewöhnlichem handelsüblichem Natronkalkkronglas, das eine kleinere Brechungszahl als das die Faser 26 bildende Bariumkronglas hat, angeordnet. Es können auch Glasstäbe ohne die Hülle 28 verwendet werden.

Eine umhüllte Faser dieser Art ist nach den in den US-Patentschriften 29 92 517 und 29 80 957 beschriebenen Verfahren herstellbar.

Um stimulierte Schwingungen in einem optischen Resonator zu erhalten, müssen sich — wie bekannt — stehende Wellen ausbilden.

Wie noch ausführlicher erläutert werden wird, ist die zentral angeordnete Faser 26 (Kernfaser) des Stabmediums nach F i g. 2 aus einem stimulierbaren Nd³+-dotierten Glas gefertigt, das auf Grund umgekehrter Besetzungsverteilung Lichtenergie durch Stimulation liefert. Derjenige Teil der emittierten Lichtenergie, der sich längs der Kernfaser 26 ausbreitet, stimuliert weitere Lichtemission, wodurch die Ausbeute an kohärenter Strahlung weiter vergrößert wird. Da die Wahrscheinlichkeit einer Stimulierung durch ein einzelnes Photon in einer gegebenen Schwingungsform die gleiche ist wie die Wahrscheinlichkeit einer Spontanemission in der gleichen Schwingungsform, ist das Maß der Kopplung für eine gewünschte Schwingungsform durch den Anteil der Spontanemission dieser Schwingungsform gegeben.

Aus der mathematischen Analyse wird ersichtlich, daß ein optischer Verstärker gemäß der Erfindung den Vorteil hat, daß die als Anregungsenergiequelle dienende äußere Lichtquelle weniger Energie pro Flächeneinheit der Faser 26 zu liefern braucht als im Fall einer Fabry-Perot-Anordnung, da das Volumen des dotierten Mediums pro Längeneinheit bei der Erfindung kleiner ist. Zum Unterschied von einer Fabry-Perot-Anordnung erhält man somit eine Stimulierwirkung durch Verwendung einer Lichtquelle verhältnismäßig hoher Intensität, jedoch verhältnismäßig niedriger Gesamtlei-

stung. Zugleich wird der Gütewert Q einer Resonanzeinheit unter Verwendung einer Faser nach der Erfindung nicht verschlechtert, da das Q der Länge L der Faser direkt proportional ist. Ferner ist ein umkleidetes (umhülltes) Fasergebilde nach der Erfindung durch scharfe Auswahl der Eigenschwingungen der emittierten Lichtenergie ausgezeichnet.

Verschiedene Arten von Eigenschwingungen für stimulierte Schwingungen wurden in den hier beschriebenen Anordnungen beobachtet; in Stäben mit großem Querschnitt von etwa 6 mm Durchmesser und 7,6 cm Länge mit geschliffenen, jedoch nicht polierten Mantelflächen und mit parallelen und polierten Stirnflächen, hergestellt aus einheitlichem optischem Material und abgeschlossen durch Reflektoren wie beim Fabry-Perot-Hohlraumresonator, wurden verschiedene stimulierte Schwingungsformen beobachtet. Bei umhüllten Stäben wurden die Schwingungsformen, die den oben erörterten Schwingungsformen in umhüllten dielektrischen Hohlleitern entsprechen, sowie ferner auch Oberflächenschwingungsformen beobachtet.

Ein weiterer sehr wesentlicher und bisher nicht erreichbarer Vorteil besteht darin, daß man in der Lage ist, lange umhüllte Fasern überlegener optischer Güte und verschiedener Brechungszahlen zu ziehen, wobei der Kern oder die Hülle oder beide das aktive lon enthalten. Zusätzlich zu der Möglichkeit, einzelne lange umhüllte Fasern herzustellen, kann man auch große geschmolzene Massen aus Fasern mit im wesentlichen parallelen Kernen herstellen, wobei die Kerne durch ein optisch hochwertiges Glas, das jeweils als Hülle dient und eine geringere Brechungszahl hat als der Kern, voneinander getrennt sind. Derartige Mehrfasergebilde sind an sich, jedoch ohne Verwendung stimulierbarer Medien, bekannt und werden als »verschmolzene Faseroptik« bezeichnet. Ein derartiges Gebilde, unter Verwendung von umhüllten Fasern, kann in der in der US-PS 29 92 516 erläuterten Weise hergestellt werden.

Für die Herstellung solcher Bündel gibt es viele im Handel erhältliche Gläser, die die gleiche Brechungszahl, jedoch unterschiedliche Dispersion haben, und man kann daher viele verschiedenartige im Handel erhältliche Glaskombinationen verwenden. Zum Beispiel hat das handelsübliche Schott-Glas Nr. F 16 eine Brechungszahl bei 480 nm von 1,60546 und bei 656,3 nm von 1,58789, während das Schott-Glas Nr. SK 13 bei der Wellenlänge von 480 nm eine Brechungszahl von 1,59947 und bei 656,3 nm eine Brechungszahl von 1,58873 hat. Verwendet man das SK 13 als Kcrnglas einer umhüllten Faser und arbeitet man bei einer Wellenlänge von etwa 1,06 μηι, bei der in diesem Glas bei Dotierung mit einer entsprechenden Menge an Nd³⁺ stimulierte Schwingungen stattfinden, so kann eine solche Faser ohne weiteres in gewünschten Hohllciterschwingungsformen angeregt werden, indem man die Kernfaserabmessungen entsprechend wählt. In diesem Fall verwendet man das F-16-Glas als Hülle, und ein Bündel aus solchen umhüllten Fasern hat unterschiedliche optische Eigenschaften, da die Brcchungszahlcn des Kerns und der Hülle in der Mitte des sichtbaren Bereichs des Spektrums im wesentlichen die gleichen sind, wahrend am blauen Ende des Spektrums die Brechungszahl des Kerns kleiner als die der Hülle ist. Mim kann daher die optischen Eigenschaften des SchmclziaserbUndels für das seitwärts einfallende Anregungslicht und für das sich parallel zu den Laserfasern ausbreitende stimulierte Licht unabhängig voneinander einstellen.

so

s.s Ein stimulierbarer umhüllter Stab von der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Art hatte eine Länge von etwa 7.6 cm und einen Durchmesser von 3 mm. Die Faser 26 bestand aus Bariumkronglas von noch zu erläuternder Zusammensetzung und mit einem Gehalt an Nd³⁺ als Aktivatorion sowie mit einem Durchmesser von etwa 0,38 mm. Die beiden Stirnflächen an den Enden des geraden Stabs 12 wurden geschliffen und poliert, so daß sie im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur Achse des Stabs (mit einer Genauigkeit innerhalb einer Bogenminute) ausgerichtet waren; danach wurden die Stirnflächen mit einer Silberschicht, von denen eine bei 30 gezeigt ist, beschichtet, so daß sie ein hohes Reflexionsvermögen Für innerhalb der Faser auftreffendes Licht hatten. Die frei liegenden Oberflächen der Silberschichten, z. B. die Fläche 32, wurden dann mit einem sehr dünnen Schutzbelag aus Magnesiumfluorid überzogen. Ferner wurde die Aufbringung der Silberschicht auf das in F i g. 2 gezeigte Ende des Stabs (d. h. das Austrittsende des Stabs) so eingestellt, daß sich ein Übertragungsfaktor von etwa 2% ergab. Danach wurden kleine Schutzkappen 34 und 36 aus reflektierendem Material, z. B. aus Aluminium, auf die Enden des Stabs aufgesetzt, wobei die Kappe 34 eine abgeschlossene Stirnwandung hatte, während die Kappe 36 am Austrittsende mit einer Öffnung 36a ausgebildet war. Die Endenschutzkappcn werden dazu verwendet, zu verhindern, daß das Licht aus der Gasentladungsblitzlampe 14 sich nachteilig auf die versilberten reflektierenden Enden auswirkt. Falls bei einer besonderen Ausbildung das stabförmige stimulierbare Medium in bezug auf die Gascntladungsblitzlampe so angeordnet ist, daß nur ein sehr kleiner Teil des Lichts auf die Endrcflektoren auftrifft, so werden die eben beschriebcnen Endenschutzkappcn unter Umständen nicht benötigt.

Die Abmessungen der Öffnung 36a macht man, wie aus der Zeichnung deutlich wird, mindestens so groß, daß cine Sammellinse, ζ. B. die Linse 38, die gleichachsig mit der Faser 26 angeordnet ist, auf das Faserende so fokussierbar ist, daß sie im wesentlichen sämtliche von der Faser emittierte Strahlung sammeln und die gesammelte Strahlung auf eine zweite Linse oder ein Objektiv 40 richten kann, von wo die Strahlung dann nach einer geeigneten Einrichtung, /.. B. einem Detektor 42, gelenkt wird. Als Detektoreinrichtung kann man einen Sekundärelektronenvervielfacher mit einem geeigneten Infrarotfilter 44 im Strahlengang verwenden.

Wird die verwendete Gasentladungslampe 14 durch einen Hochspannungsimpuls gezündet, so breitet sich das von der Lampe hauptsachlich emittierte GcIb- und Blaulicht im wesentlichen in samtlichen Richtungen gegen das stimulierbare Medium 12 aus. Die zylindrische Hülle 28 hat eine etwas kleinere Brechungszahl als das die Faser 26 bildende Neodym-Barlumkronglas. Sie wirkt als optischer Sammler, der das Licht auf die innen befindliche lange dünne Glasfaser konzentriert, so daß der Wirkungsgrad (der im wesentlichen der Brcchungszuhl der Hülle proportional ist) verbessert wird gegenüber einer Einrichtung, bei der lediglich eine Glasfaser ohne Umhüllung verwendet wird. Auch anderweitige Faktoren, z. B. die Festigkeit, die konzentrische Ausrichtung, die Bequemlichkeit der Handhabung, die Halterung, die Beschichtung usw. einer solchen dünnen Faser, sind zu berücksichtigen, so daß alles in allem eine umhüllte Faser vorzuziehen 1st.

BarlumkronglBser mit unterschiedlichen Prozcntgchallen an Nd³ ♦, wie sie als Beispiel für die Erfindung

beschrieben sind, wurden hergestellt und für faserförmige stimulierbare Medien mit und ohne Umhüllung verwendet. Diese Fasern wurden z. B. mit einer Gasentladungsblitzlampe (vom Typ General Electric FT 524) betrieben, die von einer auf eine Mindestspannung von 2,5 kV aufgeladenen Kondensatorbatterie von 80 μΡ gespeist wurde. Mit einer anderen Gasentladungsblitzlampe von etwa 25 Ws wurde ebenfalls eine stimulierte Emission erhalten. Mit Neodymkonzentrationen von 0,1, 0,25, 0,50, 1,0 und 2,0 Gew.-% in Bariumkrongläsern wurde eine gute Stimulation erhalten. Stimulierte Emission trat bei etwa 1,06 μΐη auf. Bei der Konzentration von 2% wurden keine Anzeichen von Konzentrationsdämpfung beobachtet. Dies ergab sich durch Messung der Lebensdauer der Emission für jedes dieser Gläser mit den verschiedenen Konzentrationen mit dem Ergebnis, daß die entsprechenden Werte in sämtlichen Fällen die gleichen waren. Daraus folgt, daß bei den höheren Konzentrationen kein Verlust an Quantenausbeute auftritt.

Das Bariumkronglas mit 2 Gew.-% Nd³⁺, wie es z. B. für die Herstellung der Faser 26 verwendet wird, enthält die folgenden Bestandteile:

Siliciumdioxid (SiO₂)
Kaliumcarbonat
(K₂CO₃- 1,5H₂O)
Bariumcarbonat (BaCO₃)
Bariumnitrat [Ba(NO₃J₂]
Bariumhydroxid
[Ba(OH)₂ ■ 8 H₂O]
Antimonoxid (Sb₂O₃)
Neodymoxid (Nd₂O₃)

237,6 Einheiten

107,8 Einheiten
68,1 Einheiten
40,8 Einheiten

49,4 Einheiten

4,0 Einheiten

10,0 Einheiten

Das Glas wurde in der Weise zubereitet, daß die in einem Tontiegel befindliche Masse in einen elektrischen Kugelofen eingebracht wurde. Die Füllzeit betrug 2 h bei einer Temperatur von etwa 1430⁰C und anschließender Erhöhung der Temperatur der Schmelze auf etwa 1450⁰C und ungefähr einstündigem Rühren sowie anschließendem Erniedrigen der Temperatur des Glases auf etwa 1395°C, auf der die Masse dann etwa 5 h lang gehalten wurde, um anschließend vergossen zu werden. Das Gewicht der Masse betrug 0,4536 kg, wobei natürlich die günstigste Temperatur für das Vergießen von der Größe bzw. dem Gewicht der Gußmasse abhitngt. Keine besondere Atmosphäre wurde im Ofen benötigt.

Die aus diesem Ansatz errechnete gewichtsprozentuale Zusammensetzung an Oxiden ist wie folgt!

Siliciumdioxid (SiOj)
Kaliumoxid KjO) Barlumoxid (BaO) Antimonoxid (Sb]Oj) Ncodymoxld (NdjOj)

57,4%

14,9%

24,3%

1,0%

2,4%

Diese Prozentsätze stellen eine sehr gute Annähe* rung an diejenigen Werte dar, die sich auf Grund einer chemischen Analyse dieses Glases ergaben.

Mit einer Neodymkonzentration von 0,1 Gew.-% in einem ähnlichen Bariumkronglas wurde unter Verwendung der Gasentladungsblitzlampe FT 524 mit einer auf 5 kV aufgeladenen Kondensatorbatterie von 320 \iF die annähernd untere Grenze für die Stimulation erreicht.

Für eine andere Gruppe von Gläsern mit unterschiedlichen Konzentrationen wurde gefunden, daß bei einer NdjOj-Konzentration von 10% eine Verkürzung der Lebensdauer der Fluoreszenzemission auftrat, was das Vorhandensein einer gewissen Konzentrationsdämpfung anzeigt.

Die obere Konzentrationsgrenze des Neodyms in Bariumkronglas für die Erfindung liegt bei etwa 30%. Andererseits liegt bei Verwendung eines optischen Systems mit hohem Wirkungsgrad die untere Grenze der Neodymkonzentration bei 0,10% oder sogar noch darunter. Unter optimalen Bedingungen ergibt sogar eine Neodymkonzentration von 0,01 Gew.-% noch Stimulation. Es ist daher anzunehmen, daß der nutzbare Bereich zwischen den Grenzen von 0,1 und etwa 30 Gew.-% liegt.

Während man einen guten Wirkungsgrad speziell mit Bariumkronglas mit Nd³⁺ erhält, sind an sich als Wirtssubstanz die meisten Silikatgläser geeignet. Als weiteres Beispiel eines derartigen Silikatglases sei das von der American Optical Company hergestellte und unter dem Handelsnamen »AO Crown« vertriebene Natronkalkglas, dem Nd³⁺ als wirksames Material zugesetzt ist, erwähnt. Ein weiteres Glas mit gutem (?-Wert bei Zusatz von Nd³⁺ ist 15gewichtsprozentiges Bleiglas. Weitere Beispiele von geeigneten anorganischen Gläsern mit Zusatz von Neodym, die untersucht wurden, sind Gläser auf Oxidbasis, wie Aluminiumzinkphosphat, Natriumborat, 15%iges Bleisilikat, Bleisilikat hoher Brechungszahl, Borsilikatgläser mit hohem Siliciumdioxidgehalt sowie glasiges Germanat enthaltendes Glas. Auch Gläser auf Fluoridbasis, z. B.

Berylliumfluorid, können verwendet werden. Die Brechungszahlen und die Dispersionswerte der obengenannten anorganischen Grundgläser sind an sich fest gegeben und im Handel eingeführt, können jedoch durch Zugabe bestimmter Mengen an wirksamen Dotierungsstoffen geringfügig variiert werden. Bei dem obengenannten Bariumkronglas mit 2 Gew.-% Nd³⁺ beträgt die Brechungszahl 1,5427 und der Zerstreuungswert 59,4.
Wohl zu beachten ist, daß die Grundglüser, denen

4P. Nd³⁺ zugesetzt werden soll, nichtabsorbierend und nichtstreucnd für die Wellenlängen, die die verwendeter Ionen anregen, und für die Wellenlänge, bei dei stimulierte Emission stattfindet, sein sollen.

Ein wichtiger Vorteil, der sich aus der Verwendung

4.S einer Umhüllung 28 auf dem Faserkern 26 ergibt, wurdt bereits erwähnt, soll jedoch hier noch einmal wiederhol werden. Um ein schwingungsfähiges Gebilde zi erhalten, ist ein optischer Resonator mit hohem (?-Wer erforderlich, und zu diesem Zweck muß man durcl

y · geeignete Mittel dafür sorgen, duß die Voraussetzungci geschaffen werden, daß sich gut definierte stehendi Wellen über mindestens einen Teil des Querschnitt ausbilden. Da sich eine einzelne unumhülltc Glasprobi mit hoher optischer Güte, die frei von Schlieren Ist, nu schwer herstellen IUBt, Ist es einfacher, eine Faser ml kleinem Querschnitt und mit einer Umhüllung größere Dicke und kleinerer Brechungszahl zu verwenden um dadurch die optischen Eigenschaften im Sinne eine optischen Resonators mit hohem Q zu erreichen. Aucl

'"' ist es möglich, «uf diese Weise den früher erwähntei Oberflächcnwcllen-Schwlngungszustand mit hohen G(I tcwerten zu erhalten. Da ferner die Faser gegenüber de Umhüllung einem verhältnismäßig kleinen Querschnil hat, Ist (wenn die Umhüllung eine Grenzfläche hohe

<·' optischer Güte ergibt) die Wahrscheinlichkeit größe daß die gesamte Länge der Faser In kohärent Schwingungen übergeht, so daß die Kohörenzelget schäften des emittierten Strahls verbessert werden.

709Θ31/Σ

Während Stimulation mit einer umhüllten Faser von 380 μπι Faserdurchmesser, wie zuvor erwähnt, erhalten wurde, kann man eine Faser noch kleineren Durchmessers verwenden und dadurch einen Zustand erreichen, bei dem lediglich eine oder einige wenige deutlich unterscheidbare Ausbreitungsschwingungsformen möglich sind. So kann man z. B. einen Faserdurchmesser von nur 5 μπι mit einer Umhüllung aus Glas niedrigerer Brechungszahl und einer Dicke von nur 1 μπι verwenden. Die obere Grenze der Dicke einer derartigen Umhüllung ist nicht kritisch; jedoch soll die Dicke nicht so groß sein, daß das Anregungslicht merklich gedämpft wird.

Bei der Wahl der Lichtquelle, z. B. der Gasentladungslampe 14 in Fig. 1, sind sowohl die Emissionseigenschäften als auch die erreichbaren Intensitäten zu beobachten. Die Einrichtung läßt sich mit um so größerem Gesamtwirkungsgrad betreiben, je mehr die Energie der Lichtquelle in den Absorptionsbanden oder -gebieten des verwendeten Nd^J+ konzentriert ist. Das Absorptionsspektrum für Nd³⁺ ist in F i g. 9 angegeben, und man erkennt, daß eine starke Absorptionsbande im gelben Bereich bei 5800 A vorhanden ist. Ferner treten Absorptionsbanden bei 5300 Ä, bei 3550 Ä im ultravioletten Bereich sowie mehrere in der Nähe von Infrarot auf. Um die Glasfaser zu stimulieren, muß eine ausreichende Menge dieses Lichts absorbiert werden, um eine Umkehrung der Besetzung im stimulierten Medium hervorzurufen. Man muß daher eine Lichtquelle verwenden, die eine ausreichende Energie in den Absorptionsbanden oder -gebieten des stimulierbaren Mediums aufweist.

Eine Quecksilberdampflampe eignet sich gut für diesen Zweck, da sie eine starke Emissionslinie bei 5790 A aufweist. Oder «ber man kann eine Natriumdampflampe verwenden, da sie starke Linien bei 5890 A aufweist. Ferner kann man einen Kohlelichtbogen verwenden, dessen Elektroden mit Neodym dotiert sind. Bei einer Gasentladungslampe von der in Fig. 1 gezeigten Art ist die Emission pulsierend. Man muß daher, um einen ungedämpften stimulierten Schwingungsbeirieb zu erreichen, eine Dauerlichtquelle mit ausreichender Intensität und guter optischer Kopplung zum Hinbringen des Lichts in das stimulierbar Medium verwenden. Beim ungedämpften Schwingungsbetrieb können Vorkehrungen erforderlich sein, um die Wärme abzuleiten, da ein übermäßiger Temperaturanstieg zu einer Beeinträchtigung der gewünschten optischen Wirkung führen kann. Bei Absorption im Ultraviolett bei 3500 A werden etwa 70% der Lichtenergic in Wttrme übergeführt.

Aus diesen Anguben ist ersichtlich, daß der Glasstab keinen zu großen Durchmesser haben darf. 1st der Stab zu dick, so gelangt die Lichtenergie nicht ins Zentrum des Stabs, sondern wird vorher absorbiert. Ferner kann es geschehen, daß beim Betrieb mit ungedämpften Schwingungen übermäßige Wärme, die nicht ausreichend abgeleitet wird, entsteht. Es ist daher erwünscht, den Durchmesser der Glasfasern, gleichgültig, ob umhüllt oder nicht, klein zu machen, um das Verhältnis der Ober flache zum Volumen der Paser zu verbessern. Bei einer umhüllten Faser kann der dotierte Glasstab einen sehr kleinen Querschnitt haben, wobei jedoch wegen der Umhüllung der Durchmesser der gesamten Einheit ausreichend groß sein kann, um eine bequeme Handhabung zu ermöglichen.

InPIg. 8 ist ein Encrgieniveuudlugramm für das Nd^J+ gezeigt. Das Energieniveaudiagramm ist der Veröffentlichung in der Zeitschrift »The Journal of Chemical Physics«, Mai 1961, S. 1602 ff., entnommen und beruht auf Messungen an NdCl₃, das LaClj-Kristallen zugesetzt war.

Die Energie wird von dem in Fig.8 bei 120 angedeuteten Grundniveau, wie durch die Linien aa und bb angezeigt, auf höhere Atomniveaus, und zwar hauptsächlich auf die D- und L-Niveaus, angehoben. Zu diesem Zeitpunkt sind die Atome des Stoffs in hochangeregtem Zustand. Sie geben dann einen Teil der Energie in Form von Wärme ab, indem sie auf ein bei 126 angedeutetes Niveau R niederer Energie fallen oder einen nichtstrahlenden Übergang nach diesem Niveau vollziehen. Der Übergang von diesem Energieniveau zu den drei niedrigeren Niveaus X, Y und Z, angedeutet durch die Linien cc, dd und ee, ist von starken Emissionen begleitet.

In Fig.7 ist ein Emissionsspektrum, wie es mit und ohne kohärente Strahlung des Neodym im Glas erhalten wird, durch die Strichlinie AA bzw. die Vollinie BB angedeutet. In diesem Diagramm sind die relativen Intensitäten von 0 bis 10 auf der Vertikalachse und die Wellenlängen (in nm) auf der Horizontalachse aufgetragen.

Da die Querschnittsgröße der Glasfaser extrem klein sein kann, obwohl zusätzlich eine Hülle aus Klarglas geringerer Brechungszahl und sehr geringer Dicke verwendet wird, ist es möglich, eine Vielzahl von solchen Fasern in dichtgebündelter Form so zusammenzubauen, daß diese Fasern in Phase betrieben werden können. In einem solchen Fall sind die senkrecht zur Längsachse verlaufenden Stirnflächen an den beiden Enden des so gebildeten Vielfaserbündels geschliffen und poliert. Die beiden Stirnflächen des Bündels werden sodann versilbert oder mit einem anderweitigen hochreflektierenden Belag beschichtet, wobei wie im Fall des Stabs 12 in F i g. 1 einer dieser Reflexionsbeläge teilrcflektierend ist und eine solche Dicke hat, dall sich eine Lichtdurchlässigkeit von etwa 2% ergibt.

Fig.3 zeigt eine Ausführungsform mit einem Nd^J+-dotierten Glasstab 48, die der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 insofern ähnlich ist, als sie ebenfalls aus dünnen langen Fasern aus Glas mit einer Glashülle niedrigerer Brechungszahl besteht und reflektierende Stirnflüchen 48« und 48b der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erläuterten Art hat. Wenn daher eine Zufuhr anregender Strahlungsenergie innerhalb des so gebildeten optischen Resonators stattfindet, wird Licht durch die Stirnflüche 486 mit dem zu 2% durchlässigen Belag übertragen und in ein bei 50 angedeutetes optisches System geleitet.

Bei dieser Ausführungsform sind mehrere paralle gespeiste Gasentladungslampen 32, die im Abstand voneinander um das stabförmige Medium 48 herum angeordnet sind, verwendet, und außerhalb der Gasentladungslampen und konzentrisch ist ein metallischer Reflektor 54 zum Konzentrieren des Lichts aul den Glasfaserkern angeordnet. Da der Reflektor 34 aus Metall ist, kann man die Leitung 36 für die zündende Hochspannung unmittelbar an den Reflektor anschließen. Die Energie wird den parallelgeschalteten Gasentladungslampen 32 über Leiter 58 zugeleitet.

In FIg.4 ist eine andersartige Ausführungsform 5« gezeigt, die für den Betrieb als optischer Relaisverstarker gedacht ist. Bei dieser Anordnung Ist konzentrisch um die Gasentladungslampe 60 ein transparente! zylindrisches Rohr 62 angeordnet, um das eine dünne lange, biegsame Faser 64 gewickelt ist. Die Faser 64

besteht aus einem stimulierbaren Nd^{J +}-dotierten Glasfaserkern und einer Klarglashülle niedrigerer Brechungszahl, die wie erörtert Hohlleiterwellen liefert. Das stimulierbare Fasermedium 64 hat eine solche Länge und solche Querschnittsabmessungen, daß es sich ohne weiteres mit einer großen Anzahl Windungen um das Rohr 62 wickeln läßt. Die Anordnung ist so ausgebildet, daß wenn während der Übertragung eines optischen Signals durch das stimulierbare Medium 64 von einem zum anderen Ende, wie durch den Pfeil 65 angedeutet, die Lichtquelle 60 Energie liefert, diese Energie in solcher Weise absorbiert wird, daß im wendeiförmigen Medium 64 Energie aufgestaut und stimuliert emittiert wird, so daß das optische Signal beim Durchlaufen der Faser vom Eingangsende bei 65 zum Ausgangsende 66 verstärkt wird. Bei einer derartigen Anordnung wird das Signal in seiner Intensität um z. B. einen Betrag verstärkt, der ausreicht, um die Dämpfung aufzuheben, die das optische Signal bei der Übertragung über eine große Länge einer klaren Faser vor Erreichen des Eingangsendes bei 65 erfährt. Wie ersichtlich, tritt das anregende Licht in die Faser durch deren Seitenwandung ein, und die Erhöhung der Signalstärke ist eine Folge der Absorption dieser Energie und der stimulierten Emission durch das längs der Faser fortschreitende Signal.

Da die Feldverteilung in einer Hohlleiterschwingungsform auch in die Hülle der dotierten Glasfaser eindringt, ist es auch möglich, die wirksamen Neodymionen in die Hülle einzubauen und den Kern aus nichtdotiertem Klarglas zu machen. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich eine gewisse Schwingiings· formauswahl für diejenigen Eigenschwingungen, deren Felder am stärksten in die Hülle eindringen und die in der Hülle anzuregen sind.

In Fig. 5 ist bei 70 eine andere Ausführungsform gezeigt, die als optischer Sender wirkt. Das ähnlich wie in Fig.4 ausgebildete dünne, lange, flexible, Nd¹'-dotierte wendeiförmige Festkörpermedium 72 mit einer Klarglasliülle niedrigerer Brechungszahl ist ähnlich wit· bei der vorhergehenden Ausführungsform auf ein transparentes Zylinderrohr 74 gewickelt. Dieses Rohr ist wie zuvor konzentrisch zur Gasentladungslampe 76 angeordnet, und die Anordnung ist so getroffen, daß eine stimulierte Emission vom einen Ende der Fasern /um anderen, wie durch den Pfeil 78 angedeutet, bewirkt wird, jedoch ist in diesem Fall die Stirnfläche um nichiübcrtragenden Ende 80 der Fasern wie in Fig, I optisch fcinbcurbcitci und mit einem mit Schutzkappe versehenen total reflektierenden Belag beschichtet. Wegen der großen Länge kann viel Energie in den Fusern gespeichert werden.

Wenngleich aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, kann bei den Anordnungen nach den F i g. 4 und 5 ein äußerer konzentrischer Reflektor für das Anregungslicht verwendet werden, der ähnlich angeordnet ist und die gleiche llchtkonzentrlcrendc Funktion ausübt wie der Reflektor 54 In der Anordnung nach F1 g. 3.

Eine andere Ausführungsform eines optischen Resonators ist in Fig.6 gezeigt. In diesem Fall liegt das stimulierbare Medium in Form eines hohlzylindrtschcn dünnen, lungcn Rohre 82 aus NdJ+-dotiertem Glas vor.

Ein Kern aus klarem Natronkalkglas 84 ist innerhalb dieses hohlzylindrischen Rohrs 82 in gutem optischem Kontakt damit angeordnet, und ein ähnliches Glas bildet eine äußere Hülle 86. Sowohl der Kern 84 als auch die s äußere Hülle 86 haben eine niedrigere Brechungszahl als das dotierte Glasmedium 82. Die beiden Stirnflächen an den Enden der Anordnung sind optisch feinbearbeitet, so daß sie parallel zueinander verlaufen, und, wie bei 88 und 90 angedeutet, mit einer reflektierenden Schicht, ίο L. B. Silber, beschichtet, wobei jedoch der eine dieser beiden Überzüge eine Lichttransmission von etwa 2%, ähnlich wie in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, liefert.

Einen für stimulierte Emission Nd^{3 f} -dotierten Stab i<; nach Fig. 10, der demjenigen nach Fig.6 ähnlich ist, kann man auch erhalten, indem man eine einzelne dotierte Glasfaser 130 mit kleinem Durchmesser exzentrisch in einer Glashülle 132 anordnet. Sowohl die in Fig. 10 als auch die in Fig.6 gezeigten geometrisehen Ausbildungen sind für solche Einrichtungen von Bedeutung, bei denen das anregende Licht in den Stab durch dessen Stirnfläche eintritt. Der Hauptvorteil dieser Ausbildung bei cndseitig eintretendem Anregungslicht besteht darin, daß die Schrägstrahlen, die sich im Inneren längs des Stabs ausbreiten, leichter durch das stimulierbare Medium abgefangen werden, als es der Fall wäre, wenn das stimulierbare Medium in der Achse des Stabs angeordnet wäre. Die Ermittlung der genauen Lage der dotierten Faser 130 relativ zur Achse der Glashiillc 132 sowie deren relative Querabmessungen sind eine Sache konstruktiver Überlegungen.

Abgesehen von der Verwendung von anregenden Lichtquellen, die starke Linien in den gleichen Wellenlängenbcreichen aufweisen, in denen das Neo-

js dym die l.ichienergie absorbiert, kann man auch ein fluoreszierendes Material, das weniger geeignete Wellcnliingcnbcreichc des anregenden Lichts in die gewünschten, für die Anregung besser geeigneten Wellcnlängenbercichc umsetzt, in den Festkörper einbauen oder in dessen Nähe anordnen. Zum Beispiel befindet sich der größte Teil der Intensität einer I lochdruck-QiiL'cksilbcrdumpflampc im Ultraviolette«:· reich. Bringt man das erwähnte fluoreszierende Material in unmittelbarer Nilhe einer Hochdruck-

4«, Quecksilberdampflampe an, so daß es das stimulierbar«: Medium bestrahlt, und verwendet man zu diesem Zweck ein fluoreszierendes Material, das die Eigenschaft hat, daß es nach Absorption von Ultraviolcttlicht mit hoher Ausbeute im CJcIb fluoresziert, einem Gebiet, in dem

jo nach !■' i g. 4 Nd-¹' starke Absorptionsbandcn aufweist so erhalt man damit ein geeignetes unregendcs Lichtsystem mit Fluorcszcnzwundlercigenschuften. Füi solche fluoreszente Materialien kann man z. B, Uranyl verbindungen enthaltende Gläser sowie verschieden!

handelsübliche fluoreszenz Kunststoffe verwenden.

Geeignete in die stimiilicrburen Gluser mit cingcbau te Stoffe der eben genannten Art können di< Eigenschaft haben, daß die Absorption der anregendei Lichtcncrgle durch dieses andere Material erfolgt um anschließend eine Energieübertragung auf das eigcntl! ehe Aktivatorion stattfindet, also ohne die Notwendig kelt einer direkten Absorption der Lichtcncrgic de anregenden Lichtquelle durch das Aktivatorion Nd^{J (}.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: aus einem dotierten transparenten ■ j rnoarCHrmttreri KOTDeT.

1. Stimulierbares Festkörpermedium für nach dem Prinzip der stimulierten Emission arbeitende optische Sender oder Verstärker, bestehend aus einem dotierten transparenten dielektrischen stab- oder faserförmigen Körper, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium ein anorganisches Glas in Form von Bariumkronglas, Natronkalkglas, Glas auf der Basis von Aluminium-Zink-Phosphat oder Natriumborat, 15%igem Bleisilikatglas, hochbrechendem Bleisilikatglas, Borsilikatglas mit hohem Silikatgehalt, glasiges Germanat enthaltendem Glas oder Fluoridglas ist und als Aktivatorion Neodym³+ (Nd³⁺) eingebaut enthält.

2. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Bariumkronglas das Nd³⁺ in einer Menge von etwa 2 Gew.-% seines Oxids enthalten ist.

3. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich im Festkörpermedium absorbierendes Fluoreszenzmaterial eingebaut ist, das nicht unmittelbar vom Aktivatorion absorbierbares Licht absorbiert und dieses absorbierte Licht in Fluoreszenzstrahlung solcher Wellenlänge umwandelt, die vom Aktivatorion wirkungsvoll absorbiert wird.

4. Stimulierbares Festkörpermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Festkörpermedium einen Kern (26) bildet, der in gutem optischem Kontakt in einer Glashülle (28) niedrigerer Brechungszahl eingebettet ist (F i g. 2).

5. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (130) parallel zur Achse der Glashülle (132), jedoch in bezug auf deren Achse versetzt, angeordnet isit (Fig. 11).

6. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen des stimulierbaren Festkörpermediuniis (26) samt der es umgebenden Glashülle (28) mit reflektierendem Material (30) beschichtet sind (F ig. 2).

7. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es wendelförmig ausgebildet ist (F i g. 4,5).

8. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Festkörpermedium eine rohrförmige Hülle (82) bildet, die in gutem optiscnem Kontakt eine Glasfaser (84) niedrigerer Brechungszahl umschließt (F ig. 6).

9. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrffirmige Hülle (82) von einer Glashülle (86) niedrigerer Brechungszahl umschlossen ist (F i g. 6).

10. Stimulierbares Festkörpermedium nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von von je einer Glashülle umgebenen dünnen Kernen zu einem Bündel vereinigt, vorzugsweise verschmolzen ist.

S gewiesen. Kohareme _zustände aufweisenden

dung von metastaWe Anregung ^ ^^ ^ ^

Ionen zu erzeugen, ^u