DE1764929A1

DE1764929A1 - Neue Glaslaser und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1764929A1
Application number: DE19681764929
Authority: DE
Inventors: Lee Jun Haynes Alexander; Rapp Charles Frederic
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: Schott Optical Glass Inc
Priority date: 1966-04-28
Filing date: 1968-09-06
Publication date: 1972-03-02
Also published as: US3457182A; DE1764929B2; NL148023B; GB1176297A; DE1764929C3; FR1585679A; NL6812878A

Description

Heue Glaslaser und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft neue Glaszusammensetzungen mit bestimmten wertvollen Eigenschaften, insbesondere Glaszusammensetzungen, die für Glaslaser geeignet sind, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Der Ausdruck "Laser" ist eine Kurzform für "light amplification by stimulated emission of radiation", üin Las ar ist eine Vorrichtung, die in der lage ist, kohärentes Licht au verstärken oder zu erzeugen. Laser geben monochromatische optische btrahlung ab in Form einer schmalen ebenen welle mit einer Strahlwinkelablenkung, die theoretisch durch die Brechungseffekte begrenzt ist. ./enn ein Material unter bestimmten besonderen Bedingungen erregte Emissionsstrahlung aussendet, wird es als Laser bezeichnet.

Die Konfiguration des Laperkb'rpers selbst kann verschiedenartig sein. £ir kann z.B. die Porm eines schmalen Zylinders

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oder btabes haben, dessen Endflächen eben sind und die in bezug auf Parallelität extrem genau sind. Außerdem können die Endflächen so geschnitten sein₃ daß sie ganz nach innen reflektierend sind, oder sie können zu einem Brewster'sehen Winkel geschnitten sein, um den üeflektionsverlust herabzusetzen. Verschiedene andere Kodifikationen des Laserkörpers selbst können mit den Laserzusammensetzungen dieser Erfindung gemacht werden. So kann ein linde des Stabes vollständig reflektierend hergestellt werden und das andere teilweise reflektierend, Es ergibt sich daraus, daß die Konfiguration und die Charakteristiken des Lasers stark voneinander abweichen könnenj sie stellen kein kritisches Merkmal der vorliegenden Erfindung dar. Im Betrieb wird der Laserkörper Mitteln

mit geeigneten/bestrahlt, wie einer Blitzlichtlampe, die einige Millisekunden mit gleichzeitiger Eingangsenergie von etwa 100 Joules arbeitet.

In vielen Fällen, einschließlich, wenn der Laser in Betrieb ist, geht die Hauptmenge aufgenommener Energie als Wärme verloren,und nur ein relativ kleiner Teil der von der Strahlungsquelle ausgesandten Energie wird vom Lasermaterial aosorbiert. Srotzdem ist dies eine hohe Energiekonzentration, und sie liefert die Erregung des Lasers. Die Energie wird durch den Laser über einen breiten Üpektralbereich absorbiert, und der Laeerzylinder

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faßt die Energie in eine enge ^missionslinie zusammen, deren Wellenlänge eine Funktion der laserfähigen (laseable) dubstanz ist, die im Laser-wirt enthalten ist. Weitere Informationen über Laser sind dem Luch von 3ela A. Lengyel "Lasers - Generation of Light by Stimulated Emission", John Wiley ώ Jons, :!ew York, 1962, zu entnehmen.

Lie meisten jjasergläser besitzen schlechte Solarisationstendensen infolge der Alkali- und Järd alkali oxyde, die sie enthalten. Als i'olge dieser aolarisation sind viele bekannte Gläser ungeeignet, sie führen zu einer erheblichen Schwächung der Wirksamkeit des Lasers. Wegen ihrer besonderen einmaligen Eigenschaften können Laser für zahlreiche verschiedene Zwecke verwendet werden, ζ. Li. für wissenschaftliche Versuche, Verwendung von Licht als üachrichtenträger und "verwendung von Lichtkonzentrationen von Energie für technische und militärische Zwecke. Um dies näher zu veranschaulichen, sei angeführt, daß auf dem Gebiet der Ilachrichtenübermittlung angenommen wird, daß unter geeigneten Kontrollen ei2i extrem starker Informationsträger geschaffen werden könnte, und daß unter Idealbedingungen ein einziger Laser alle Informationen tragenden Systeme zwischen der Ost- und Westküste der Vereinigten Staaten ersetzen könnte. Außerdem ist ein Laser wegen des

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außerordentlich schmalen Strahles für Direktverbindung im iiaum, wo atmosphärische Verdünnung die Ausbreitung der Strahlung nicht stört, geeignet. Außerdem kann Laser für chirurgische und biologische Zwecke, für die kontrolle chemischer Reaktionen und andere Zwecke eingesetzt werden. In neuerer Zeit wurde den Lasern große Aufmerksamkeit geschenkt, und es ist allgemein bekannt, daß sie ein außerordentlich wichtiges und wertvolles V/erkzeug für viele Zwecke darstellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, neue Glaszusammensetzungen zu schaffen, denen die JJachteile der bisher bekannten Zusammensetzungen, die als Laser-Uirt verwendet wurden (laser host), nicht anhaften. Sie sollen Eigenschaften aufweisen, die sie als iaser-\iirt außerordentlich wertvoll machen. Die neuen Glaslaserzusammensetzungen sollen besondere Eigenschaften und Charakteristiken aufweisen.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, neue Glaslaser zu schaffen, denen die Nachteile der bisher bekannten Glaslaser nicht anhaften. Die Glaslaser sollen nur eine sehr geringe Solarisation zeigen. J'erner soll durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von laserfähigen (laseable) Zusammensetzungen, die die Nachteile der Glaslaserzusammensetzungen nicht

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auf./eisen, geschaffen werden. Durch das Verfahren sollen Glaslaser herstellbar sein, v/elche nur eine ^erin^e polarisation zeigen.

Gegenstand der Erfindung ist somit die Schaffung neuer Glaszusammensetzungen, die eine laserfähige substanz enthalten und die verbesserte Eigenschaften und Charakteristiken besit2en, ferner die Schaffung laserfähiger bubstanzen, bei denen der Glas-v/irt eine ausgewählte Verbindung "des Siliziumoxyd-AluniiniUKio^yd-Iithiumoxyd-üystems (üiOg-A^O^, LigO) ist, welche sehr geringe Polarisation aufweist.

Die Erfindung wird durch die nun folgende ins einzelne gehende Beschreibung genauer hervorgehen.

Bis jetzt sind viele Glaszusammensetzungen als Wirt für laserfähige Substanzen verwendet worden. Obgleich Gläser verschiedener Eypen wegen ihrer vielen ausgezeichneten Eigenschaften bekannt sind und als Wirt für laserfähige Substanzen weit verbreitet Anwendung finden, bringt ihre Verwendung doch gewisse ITaehteile mit sich, die man zu überwinden versucht hat. Wenn Gläser als Wortzusammensetzungen verwendet werden, die ein schweres Alkali-, wie liatrium oder Kalium, oder ein zweiwertiges Uetalloxyd enthalten, zeigen sich schlechte Solarisationstendenzen.

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BAD ORiGiNAL

Dies führte zu schlechter Wirksamkeit der Laser und ist zum u-egenstand intensiver i'ornchung geworden.

Die vorliegende Erfindung schafft ausgewählte Glaszusammensetzungen, die nur sehr geringe oolarisation aufweisen und die eine wesentliche Verbesserung der Glaslaser-Y/irt-Zusaimnensetzungen darstellen, ;)'ie Laser der vorliegenden Erfindung sind außerordentlich wertvoll und besonders dort geeignet, v/o die Laser hohen Energien ausgesetzt werden.

Allgemein betrachtet, betrifft die Erfindung Glaszusammensetzungen, ausgewählt aus dem SiO₂OAl₂O.,-Li₂0-üy;-jtem, welche die nachstehend aufgeführten Bestandteile enthalten, ausgedrückt in G-ew.->s, bezogen auf die G-esamtzus aminen s e t ζ ung:

Bestandteil

₂ mindestens 45 und bis zu 80

Ul₂O₅ mehr als 4 " " 40

Li₉O » " 5,5 ⁿ " 20

C.

Die laserfähige Substanz, die in den Glaszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung dispergiert 13t, ist ileodymoxyd (Hd₂O^). Die Llenge ITeodymoxyd, die in das Laser-V/irt-Glas eingebettet wird, ist nicht sehr

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kritisch; sie liegt im allgemeinen im Bereich von etwa 1 bis 4 )> und sogar bis zu etwa 8 G-ew.-^, bezogen auf die Zusammensetzung. Die Menge AIpO-, die geeignet ist, reicht von über 4 bis etwa 80 Ü-ew.-yj, wobei die bevorzeugte ilen;_;e 4,6 bis 56 vJ-ew.-¹^ ist. Die Menge ligO, die geeignet ist, liegt über 5» 5 bis zu etwa 20 Gew.-^o, die bevorzugte uenge liegt zwischen etwa 5>6 und etwa

JjD ist offensichtlich, daß verschiedene andere Bestandteile in kleine !,!engen in den G-lassusammensetzungen der vorliegenden Erfindung anwesend sein können} so kennen kleine Mengen ITa₂O oder KgO toleriert werden, obgleich die Widerstandsfähigkeit gegen Solarisation geschwächt wird; deshalb sollten diese Substanzen auf einem Ilinimum gehalten v/erden, im allgemeinen unter etwa. 1 >ö, vorzugsweise unter etwa 1/2 Gew.-',>«>

Oxyde, wie ZrO₉, TiO₉ und Ge₉O.,, die die Solarisation inhibieren, können der Lasersusammensetzung zugesetzt werden, vorausgesetzt, sie sind in kleinen LIengen anwesend und wirken sich nicht störend auf die erwünschten Eigenschaften aus. Im allgemeinen werden, wenn ein oder mehrere der oben genannten Oxyde, die die Solarisation inhibieren, eingesetzt werden, sie in LIengen von 1/2 bis 1 Gew.-,·.. bis etwa 2 bis 3 'iew.-^, und für eine besondere

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BAD

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Kombination von Eigenschaften in Llengen von 5 oder mehr ,-',Ό verwendet.

Unter die Laserzusammensetzungen dieser Erfindung fallen solche, die die folgenden Bestandteile in den angegebenen G-ew .,-^-Bereichen enthalten:

Bestandteil Gew.-fo

₂ 45 - 80

Al₂O₃ 4,6-36

M₂O 5,6-18

Hd₉O, 1 - 4

Die verschiedenen Rohmaterialien, die zur Bildung der Glaszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, können in verschiedenen Formen eingesetzt werden, als Oxyde, Carbonate und dergleichen. Die bchmelze wird durch Mischen der Komponenten miteinander und Dispergieren des Neodymoxyds darin hergestellt. Kleinere Mengen anderer Bestandteile können ebenfalls in der Schmelze anwesend sein, vorausgesetzt, dai3 ihre Gegenwart keinen nachteiligen Einfluß auf die fertige Zusammensetzung oder die gewünschten Endeigenschaften haben, üo ist z. B. wichtig, uaß der Eisengehalt in Heodymlaserglas sehr niedrig gehalten wird, da l'eO ein übsorptionsband hat, welches die Laserwellenlänge bei

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1,06/U Überschneidet. Die Menge I^le in den hergestellten G-läsern liegt im !Bereich von 25 "bis 50 ppm i'^leo0^. Allge mein ist die obere Grenze wahrscheinlich etv/a 100 ppm

Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, stellen aber keine Begrenzung dar.

Beispiel I

Es v/urde eine Schmelze durch Mischen von Rohmaterialien (reagent grade) unter Bildung einer Schmelze hoher optischer Qualität hergestellt. Die Schmelze hatte folgende Zusammensetzung, in G-ew.-^, bezogen auf die G-esamtzusammensetzung:

±5es.tandteil. Gew.-fo

SiO₂ Al₂O₅ Li₂O

77,	16
4,	68
15.	07
3,	09

Aus der Schmelze wurden Stäbe eines Durchmesser von 1,27 cm und einer Länge von 10,16 cm hergestellt und die Enden auf genaue Toleranz poliert. Bei der Prüfung zeigte der Laser eine deutliche Verminderung der JJe igung zu aolarisieren.

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Beispiel II

bestandteil G-ew. ->

SiO₂

56,	52
35,	99
5,	68
2,	ÜÜ

Es wurde eine Schmelze hergestellt, die die vorstehend aufgezeigte theoretische Zusammensetzung hatte, unter Verwendung von reagenzreinen Rohmaterialien. Pur die Schmelzen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, war hohe optische Qualität charakteristisch, Bg wurden Stäbe, wie in Beispiel I beschrieben, hergestellt und geprüft und für gut befunden.

Beispiel III Bestandteil Gew.-fo

45,39

Al₂O₅ 34,23

Li₂O 17,55

λ 2,82

Reagenzreine !Rohmaterialien wurden zur Herstellung der ochmelze gemäß der vorstehenden theoretischen Zusammen-

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Setzung verwendet, .aus der Schmelzen wurden Prüfmuster einer Größe von etwa 7» 62 cm χ 1,4-7 cm Dicke hergestellt. Die lauster wurden auf Solarisation geprüft, die sehr schwach war.

Es ist au bemerken, dak, wenn ein Glaslaserstab durch eine Lichtquelle hoher Intensität gepumpt wird, das Glas dazu neigt, dunkel zu werden,und dieses /erdunkeln oder Solarisieren führt zu einem starken Abfall der "Wirksamkeit des Lasers. Die Laser der vorliegenden Erfindung sind in dieser Hinsicht besonders wertvoll und geeignet, da diese Probleme nicht auftreten oder so stark vermindert sind, daß der Abfall der -/iiteamkeit sehr viel geringer ißt,als bei Laser festgestellt wird, die aus den "bekannten Glaszusammensetcungen gemacht sind.

33 versteht sich von selbst, daß verschiedene weitere Modifikationen möglich sind und vom Fachmann ohne weiteres hergestellt werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sind die Ansprüche nicht auf die Beschreibung begrenzt, sie sind vielmehr so aufgebaut, daß sie alle Merkmale der Erfindung umfassen, einschließlich der Merkmale, die von einen lachmann als Äquivalente anzusehen sind.

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BAD

Claims

PATENTANWÄLTE 1 *7 C / Q O Q .W.SCHMI'fö ing. H. NEGENDANK · bipl-ing. H. IIAUCK · dipl.-phys HAMBURG-MÜNCHEN ZUSTELLUNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WALL 41 TEL. 367428 UND 8Θ4110 TEI.BQH. NEGEDAFATENT HAMBURG OWilHS-ILIIIÖIii, IHC. München is · mozartsth. 23 Toledo, Ohio (USA) ™ *.Ό"°™ ed apatent München Hamburg, den 5. September iyöü Patentansprüche

1. Durchsichtiger Glaslaser, gekennzeichnet durch einen Gehalt von mindestens 45 bis zu 80 Gew.~,o SiOp, von mehr als 4 bis zu 40 Gew.-'/ό Al₂O,, von mehr als 5,5 bis zu 20 Gew.-^ Li₂O und von mindestens etwa 1 bis zu 8 Gew.-53

2. Glaslaser nach. Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 45 bis 80 Gew.-^ SiO₂, 4,6 bis 36 Gew.-^ O₅, 5,6 bis 18 Gew.-# Ii₂O und 1 bis 4 Gew.-⁰Jo

3. Glaslaser nach Anspruch 1 mit verminderter Neigung zur Polarisation, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus den nachstehend aufgeführten Bestandteilen in den angegebenen Mengen besteht»

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ORIGINAL INSPECTED

Bestandteil G-ew.-^ό

OiO₂ 77,16 Al₂U₅ 4,68

Li₂O 15,07 0-z 5,09

4. Glaslaser nach Anspruch 1, mit verminderter rieigung zur Solarisation, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus den nachstehend, aufgeführten !Bestandteilen in den angegebenen Mengen besteht:

x>e stand teil G-ew.~?b biO₂ . 56.52 Al₂O. 55.99 Li₂O 5,68 Md₀O-, 2,00.

5. (xlaslaner nach Anspruch 1 mit verminderter Ueigung zur SoLuriaation, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus den nachstehend aufgeführten Bestandteilen in den angegebenen Mengen besteht:

Bestandteil Grev ,59 SiO₂ 45, 23 Al₂O₅ 34, 55 Li₂O 17, 82.
4 Nd ρ 0-,
2098 2,
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6. Cflaslaser nach Anspruch 1, üaciurch gekennzeichnet, daß Solarisation inhibierende tiengen eines üxydü, das die Polarisation verzögert, auch im jiiidprodukt
vorliegen.

7. Cflaslaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ü^yd, das diu Polarisation verzögert, i'iOp ist, das in Uengen von etwa 1/2 bis 5 Jev/.-^ vorliegt.

8. Cflaslaser nach iinapruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß da3 Oxyd, das die polarisation verzögert,
GepO^ ist, das in Mengen von etwa 1/2 bis 5 G-ew.-'p vorliegt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Glaslasers mit verminderter Keigung zur Polarisation des Cflaslaser-Jirtes, gekennzeichnet durch die Herstellung eines Crlaalasers einer Zutiaumiensetaung, die die nachstehenden Bestandteile in den angegebenen Jew.-,^-Bereichen enthält!

Bestandteil

mindestens 45 bis zu cJü
₂₅ mehl- als 4 " "40

Li₂O " " 5,5 bis zu 20

, mindestens etv/a 1 bis zu 8.

2098 10/U A4 SADOHiGlMAL