DE1769540A1 - Verbesserter Lithiumniobat-Kristall,Verfahren zu seiner Herstellung,Vorrichtung zur Verwendung dieses Kristalls und Verfahren zur Verwendung dieser Vorrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWALT

6 Frankfurt am Main 70

Schn«dc.nhoW».27-Tel.617079 _{5> Jußi 1g68}

GzHa/Pi. UNION CARBIDE CORPORATION, New York, N.T. .10017, USA

Verbesserter Lithiumniobat-Kristall, Verfahren zu seiner Herstellung, Vorrichtung zur Verwendung dieses Kristalls und Verfahren zur Verwendimg dieser Vorrichtung

Die Erfindung betrifft verbesserte Lithiumniobat-Kristalle, die vorherbestimmbare Eigenschaften hinsichtlich ihrer Doppelbrechung und ihrer Phasenangleichtemperatur (phase matching temperature) besitzen, und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Kristalle. " Die Erfindung bezieht eich außerdem auf eine Vorrichtung, in der solche Kristalle als harmonische Generatoren verwendet werden, und betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben derartiger Vorrichtungen.

Mit den bekannten Lasern lassen sich kohärente Strahlungen von zahlreichen Frequenzen herstellen. Stark kohärentes grünes Licht l3t jedoch nicht leicht zugänglich, obwohl die Argonlaser Strahlen von dieser Frequenz, von einer Wellenlänge τοη (\53 Mikron, liefern, da die Strahlung energiearm ist und in der aus dem Argonlaser austretenden Strahlung gleichzeitig mit anderen Frequenzen vorhanden ist. Ea 1st jedoch von besonderem Interesse, eine Quelle für ^ eine kohärente grüne Strahlung wegen ihrer Sichtbarkeit zu haben, z.B. bei Anwendungen wie die Beleuchtung von Zielen, beim Rangieren und im Nachrichtenverkehr.

Ee ist möglich, kohärente grüne Strahlung durch Verwendung von Lithlumniobat zu erzeugen, wobei die Frequenz eines nahen Infraroten Lasers, wie eines Keodym-Lasers, verdoppelt wird. So erzeugt der Neodym-flotierte-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG) eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron. Von Lithlunnioba't 1st es bekannt, daß es Kristalle bildet, die harmonlaohe Strahlungen erzeugen, d.h. daß die Kristall« die Fähigkeit

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haben, die Frequenz des darauf auffallenden Lichtstrahls au verdoppeln. Auf diese V/eiae erzeugt das Lithiumniobat, wenn eine Strahlung eines (Nd:YAG)-lasers durch einen Lithiuuniobatkrietall unter geeigneten Bedingungen geführt wird, einen Strahl von kräftigem grünen Licht von einer Wellenlänge von 0,53 Mikron.

lithiumniobat ist ein sehr wirksamer Kristall für die Erzeugung von harmonischen Strahlen, wobei ein größerer Teil der darauf fallenden Energie umgewandelt wird als bei anderen Kristallen« Dieser Kristall besitzt darüber hinaus die nahezu einzigartige Eigenschaft, daß die Geschwindigkeit der fundamentalen und der harmonischen Strahlungen ohne Doppelbrechung angepaßt bzw· gleichgemacht werden. Es wurde jedoch in der Praxis gefunden, daß die zweite harmonische Generation beim Lithiuaniobat durch gewisse Faktoren beeinträchtigt wird, die die zugänglichen Energiestufen stark einschränken und außerdem die Strahlendivergenz vergrößern. Dieses Problem schließt eine "Strahlungsschädigung¹¹ in den Kristall ein, verursaoht durch sichtbare zweite harmonische Strahlung von ausreichender Intensität. Diese Schädigung zeigt sich als Inhomogenität im Brechungsindex, die den harmonischen Strahl verzerren und eine stark vergrößerte Strahlendivergenz verursachen; es kann außerdem auch der Vorgang der Erzeugung von harmonischen otrahlen dadurch beeinflußt werden. Aue diesem Grund kann Lithiumniobat nicht in vollem Umfang zur Erzeugung von harmonischen Strahlungen gegenwärtig verwendet werden wegen der Begrenzungen, die sich aus dem sogenannten "Schädigungs-Problem" ergeben.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, ein Lithiumniobat zu schaffen, das zur Erzeugung von harmonischen Strahlungen verwendet werden kann, ohne zu Verzerrungen der Strahlung aufgrund der Schädigung zu führen.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Lithiumniobat zu schaffen, das vorhtrbestimmbare Eigenschaften hinsiohtlioh

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der Indizes der Doppelbrechung und der Brechung rar die E&aaenanpassung besitzt* die eine «eitere Anwendung aieaea Hateriala in elektrooptischen und anderen Gebieten erlauben.

Noch eine «eitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von harmonischen Strahlungen mit Lithiumniobat zu schaffen für die «irksame Erzeugung eines kräftigen kohärenten grünen Lichtes aus einem nahen Infrarot-Neodym-Laser.

Es wurde gefunden, daß man diese Aufgaben lösen kann, indem man kristallines Lithiumniobat herstellt, dessen Zusammensetzung der Formel

entspricht,

wobei V eine positive Zahl, größer als Null und kleiner als 0,01 ist. Dieses Material kann hergestellt werden, wenn man eine Schmelze erzeugt, die eine Zusammensetzung von(i + y) Mol LigO pro Mol NbgOjj hat, wobei y eine Zahl von größer als Null bis etwa 0,3 ist, und dann einen Einkristall durch Kühlung dieser Schmelze bildet. Spezifischer beschrieben geht man dabei so vor, Λ daß man eine Schmelze der angegebenen Zusammensetzung erzeugt, diese Schmelze auf eine Temperatur bringt, bei der der Kristall sich bilden kann, einen Impfkristall aus Lithiumniobat in diese Schmelze einführt und diesen Impfkristall aus der Schmelze ab« zieht, während man das Lithiumniobat an dem Impfkristall kristallisieren läßt und das Abziehen fortsetzt, so daß ein massiver Einkristall aus Lithiumniobat entsteht.

Derartiges Lithiumniobat besitzt in der Regel eine höhere ihaaenanpaesungatemperatur als vorher hergestellte LithiumnJobate. Die Phasenanpa^; vngnterapeiifcur (hier auch Phasenangleichxemporatur genannt) ist diejenige Temperatur hei dor 'lie

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Fundamentalstrahlung und die svelte harmonische Strahlung* die die Hälfte der Wellenlänge der Fundamentalstrahlung besitzt, durch den Kristall mit der gleichen Geschwindigkeit durchgehen. Wenn diese GesohwindigkeilB-Anpaeeungsbedingungen erfüllt sind, wozu der außerordentliche Brechungsindex der harmonischen Strahlung gleich ist mit dem ordentlichen Brechungsindex der Pundamentalstrahlung, wird die harmonische Strahlung über die volle Länge des Laufwegs in dem Kristall erzeugt und besitzt eine maximale Intensität· Lithiumnlobat-Kristalle, die eine höhere Phasenanpaasungstemperatur besitzen, z.B. oberhalb von 1OO°C, werden bei diesen erhöhten Temperaturen gehalten, wenn sie als harmonische Generatoren verwendet werden. Duron Strahlung hervorgerufene Schädigung beeinträchtigt den Betrieb der Kristalle als harmonische Generatoren bei höheren Temperaturen weniger ernsthaft als bei tieferen Temperaturen. Eine Vorrichtung zur wirksamen Herstellung von einer zweiten harmonischen Generation aus einer Fundamentalstrahlung, insbesondere einer Fundamentalstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron, enthält einen Neodym-Laser, der eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron erzeugen kann, und einen Llthiumniobat-Krlstall der Zusammensetzung:

₂ gj

(1 -J)

in welcher ^ eina positive Zahl von größer als KuIl bis etwa 0,01 1st.

Diese Anordnung wird betrieben mit dem Lithiuaniobat-Kriatall bei einer Temperatur T, der Phasenangleichtemperatür des KrIetails, die durch die Zusammensetzung des Kristalls und dar Sonnelze, aus der der Kristall gewachsen ist, bestimmt wird. Dementsprechend ergibt sich bei einer Zusammensetzung der Sohmelze, aus der der Kristall gewachsen ist, von (1 + y) Mol Ll₂O pro Mol Hb₂O. für die Bestimmung der Phasenangleiohtemperatur T, die folgende Gleichung:

y = 1,32 χ 10~⁵ T - 0,064.

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Es ist deshalb ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, die Herstellung von Llthiumniobatkristallen mit vorherbestimmbaren Phasenangleichteoperatüren durch Erzeugung einer Schmelze der Zusammensetzung (1 + y) Mol LigO pro Hol Nb₂OCt wobei y aus der Gleichung

y a 1,32 χ 1O~⁵ T - 0,064,

ermittelt wird. T ist dabei die gewünschte Phasenangleichtemperatur in ⁰C,und der Kristall wächst dabei durch Erstarrung der genannten Schmelze· *

Zur Erfindung gehört ferner ein Verfahren zur Herstellung eines läthiumnlobatkrlstalls mit einem vorherbestimmbaren außerordentlichen Brechungsindei, bei dem ein derartiger Kristall durch Brstarrenlaesen einer Schmelze der Zusammensetzung (1 + y)Mol Ii₂O pro »öl Ib₂Oc gewachsen 1st» wobei y eine Zahl zwischen -0,3 unä +0,5 ist, und wobei höhere Werte von y einen kleineren außerordentlichen Brechungsindex und niedrigere Wertevon y einen höheren . außerordentlichen Brechungsindex ergeben. In ähnlicher Weise wird ein lithluBniobatkristall mit einer vorherbestimmbaren Doppelbrechung erzeugt, Indem man einen solchen Kristall durch Erstarren einer Schneise der Zusammensetzung (1 + y) Hol ligO pro Hol . Λ Hb₂O. wachsen läßt, wobei y eine Zahl zwischen -0,3 und + 0,3 ist und wobei holiere Werte von y zu einer höheren Doppelbrechung führen.

Die Erfindung wird in den Zeichnungen näher erläutert, wobei diese Zeichnungen folgendes darstellen:

flg. 1 let ein Diagramm, das die Werte für die Breohungalndists (V) von Lithiumniobat für Strahlung von verschiedenen Wellenlängen zeigt,

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Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung der Fhasenanpassungstemperatur (PMT) der LitMumniobatkrlatalle, die aus einer Schmelze mit dem angegebenen Übersohufi (y) von Molen lithiumoxyd gewachsen sind, zeigt,

Fig. 3 zeigt eine schematische Anordnung eines Lasers und eines harmonische Strahlung erzeugenden Kristalle,

Fig. 4 zeigt eine achematische Quersohnittsanslcht einer Vorrichtung sum Wachsen von Itithiumniobatkristallen.

Wie Fig. 1 zeigt, hat das doppelbreohende kristalline Lithiumniobat Werte fttr den ordentlichen Brechungeindex n_Q und seinen außerordentlichen Brechungsindex n₀, die derartig sind bei einer Fundamentalstrahlung von einer Wellenlänge von 1,06 Mikron, daß eine zweite harmonische Strahlung von einer Wellenlänge von 0,53 Mikron erzeugt werden kann. Zusätzlich zu der Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron sind auch Fundaaentalatrahlungen des Neodymlasers mit Wellenlängen im Bereich von 0,9 bis 1,2 Mikron von Interesse und inabesondere die Wellenlängen im Bereich von 1,0 bis 1,15·

Fttr die praktische Erzeugung von Harmonischen muss die Phasenanpassungsbedingung erfüllt sein, d.h. daß der ordentliohe Brechungsindex fttr die Fundamentaletrahlunga-Wellenlänge dem außerordentlichen Brechungsindex fttr die zweite harmonisohe Strahlung s -Well anlange gleich sein muß, so daß die Fundamentaletrahlung und die harmonisohe Strahlung duroh den Kristall mit der gleichen Geschwindigkeit verlaufen. Dies· Geschwindigkeit oder Phasenangleiohbedingung ist temperaturabhängig, da Temperaturveränderungen die Werte fttr den außerordentlichen Brechungsindex ändern, woduroh die Doppelbrechung oder der Unterschied zwisohen ordentlioh und außerordentlichem Brechungsindex fttr jede gegebene Wellenlänge geändert wird. Die Phaeenttbereinstimmung einer spezifischen fundamentalen Strahlung, z.B. einer Strahlung alt

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einer Wellenlange von 1,06 Mikron und einer zweiten harmonischen Strahlung davon Bit einer Wellenlänge von 0,53 Mikron, kann bei Mthlumnlobat nur erreicht werden, wenn der Kristall bei einer Temperatur gehalten wird, die der Shasenanglelchtemperatur für diese Wellenlänge der Fundamental strahlung entspricht. Tatsächlich kann eine Phasenübereinstinuaung über einen Bereich von Phasenangleiehtemperaturen erreicht «erden durch Änderung der Winkelbeziehung der optischen Achse des Kristalle oder seiner c-Achse ait der Richtung des Strahle der Fundamentalstrahlung· Sevorsugt wird der Kristall mit seiner c-Aohse senkrecht zur g Richtung des Strahls der Fundamentalstrahlung orientiert, so daß die Fundamentalatrahlung und die harmonische Strahlung in der gleichen Sichtung verlaufen. Es ist aber auch möglich, den Kristall mit seiner c-Achae unter anderen Winkeln als 90° zur Richtung des Strahle der Fundamentalstrahlung anzuordnen. Die Pheaenangleichtemperatur besitzt ihrm höchsten Wert, wenn der Kristall senkrecht alt seiner c-Achse zvv Richtung der Fundamentalstrahlung angeordnet wird. Der hler benutzte Ausdruck "Phasenangleichtemperatur" (phase matching temperature) definiert den Temperaturbereich, bei dem die Fundamentalstrahlung und die zweite harmonische Strahlung mit der gleichen Geschwindigkeit in dem Kristall verlaufen« wenn der Strahl der Fundamentalstrahlung sich in einer Richtung senkrecht oder nahezu senkrecht zur c-Achse des Kristalle fortpflanzt. Das Symbol T gibt die höchste Temperatur an, bei der diese Geschwindlgkeitsttbereinstimmungsbedingungen erfüllt werden kennen unter Fortpflanzung des Fundamentalstrahls in einer ^ßichtung genau senkrecht zu der c-Achse des Kristalls, wobei Doppelbrechungaeffekte fehlen.

Die Phasenangleiehtemperatur von bekannten Llthiumniobatkristallen für die Fundamentaletrahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron ist veränderlich und liegt im allgemeinen bei etwa 60⁰C. Wenn derartige bekannte Lithiumniobatkristalle mit Neodymlasern als harmonische Generatoren verwendet werden, muß der Kristall bei seiner Htasenangleichtemperatur, z.B. bei 6O⁰C gehalten

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werden. Wie bereits angegeben wurde, ist das bekannte Lithiumniobat empfindlich gegen Strahlung und erleidet eine Schädigung, wenn höhere Energieniveaus erreicht werden. Ss wurde angenommen, daß Lithiumniobatkristalle nicht gesohädigt wurden, wenn sie bei höheren Temperaturen gehalten werden könnten, weil bei höheren Temperaturen offensichtlich die Schädigung so schnell beseitigt wird wie sie entsteht · Die bekannten Lithiumniobatkristalle konnten aber nicht als harmonische Generatoren bei derartigen höheren Temperaturen betrieben werden, weil sie auf ihren niedrigeren Phasenangleichtemperatüren gehalten werden mußten.

Sie Kristalle gemäß dieser Erfindung können aber so hergestellt werden, daß sie höhere PhasenangleIchtemperaturen besitzen und infolgedessen zur Erzeugung von harmonischer Strahlung bei höheren Temperaturen verwendet werden können, bei denen eine duroh Strahlung hervorgerufene Schädigung den Kristall nicht beeinträchtigt. Fach der Erfindung können Lithiumniobatkristalle hergestellt werden, die verschiedene Phasenangleiohtemperaturen besitzen, z.B. mit Phasenangleiohtemperatufⁿoberhalb von 100⁰C und Insbesondere mit einer Phasenangleiohtemperatur von 186⁰C. Fig. 2 zeigt ein Diagramm von Phasenangleiohtemperaturen von Llthiumniobatkristallen, die duroh Herausziehen eines Kristalle aus einer Schmelze mit einem Überschuß (y) an Lithiumoxyd In der Schmelze gegenüber der stöchlometrlsohen Zusammensetzung des Lithlumniobats (1 Mol Lithiumoxyd pro Mol Niobpentoxyd) hergestellt wurden.

Im folgenden wird der Mechanismus der Erfindung erklärt, wob·! aber diese Erklärung in keiner Weise die Erfindung beschränken soll. Es wird angenommen, daß die bekennten Kristall·, dl· la der Regel duroh die Formel Li¹NtO, bezeichnet werden und von denen angenommen wird, daß sie etöchioaetrisch zusammengesetzte Stoffe sind, tatsächlich duroh dl· folgende Formel genauer wiedergegeben werden:

Li₂O

(1 -

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In dieser Formel stellt Y den Mangel an Lithiumoxyd und Li⁺lonen in des Kristallgitter dar und ist eine Zahl la allgemeinen größer als 0,01· Gemäß der vorliegenden Erfindung «erden Kristalle mit sind es tens einen geringeren Hangel an Lithium hergestellt durch Erstarrenlassen eines Kristallee aus einer Schmelze, in der ein Überschuß an Li₂O gegenüber der stöchlometrisch für erforderlich gehaltenen Menge an Lithiumoxid enthalten ist· Sie so hergestellten Kristalle haben Ehasenangleichtemperaturen, die höher sind als diejenigen, die nor aal erweise gefunden «erden bei Kristallen, die aus stöcniooetrlachen Schmelzen hergestellt wurden. Zusätzlich wurde gefunden, daß die Phasentunwandlungstemperatur von Kristallin, die unter Verwendung dea Verfahrens dieser Erfindung hergestellt wurden, aus den Überschuß an Lithiumoxyd in der ScheelBe, aus der der Kristall gebildet wurde, vorhergesagt «erden kann und damit in Besiehung steht. Wie aus Pig· 2 hervorgeht, kann die Ihasenanglelchtemperatur (I) des Llthiumnlobatkri stall es erhöht «erden, indem man die Menge an Lithiumoxyd (1 + y) in der Sehmeise von Li₂O und Vb^Oc erhöht·

Aus der Kurve in ?ig.2 geht hervor, daß die Menge an erforderlichem überschüssigem Lithiumoxyd um einen Kristall mit der gewünschten fhaaenumwandlungstemperatur T (für eine fundamental-Strahlung mit einer Wellenlange von 1,06 Mikron) sich aus der folgenden Gleichung errechnen läßt:

y - 1,32 x 10"* T - 0,064, wobei T dl· Phasenangleiohtemperatur in ⁰C ist.

Ie «ird angenommen, daß die Zugab· von überschüssigem Lithiumoxjd wn der Schmelee «ur Bildung eines lithiumniobatkristalle führt, der einen außerordentlichen Brechungsindex hat« der niedrif·» 1st als derjenige «ines Kristalle aus einer etöchiometrieohen Schmelise. Dieeee Herabaetsen dee außerordentlichen Indexes duroh

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Erhöhung des Lithiumoxydgehalts der Schmelze führt dazu, daß der Kristall eine größere Doppelbrechung bei normalen Temperaturen hat. Ein derartiger Kristall fuhrt nioht mehr zur Phasenangleichung für die gewünschte Fundamentalstrahlung bei normalen Temperaturen und ist für eine Phasenangleichung und deshalb auch zur Erzeugung von harmonischen Strahlungen nur bei der erhöhten Temperatur T in der Lage.

Gemäß dieser Erfindung erhält man Lithiumnlobatkristalle, die zur Erzeugung von Harmonischen bei erhöhten Temperaturen verwendet werden können, ohne daß dabei eine Schädigung des Kristalles eintritt. Bei Verwendung des Verfahrens dieser Erfindung können Kristalle hergestellt werden, die jede gewünschte Phasenangleiohtemperatur haben. Spezifischer ausgedrückt erhält man Lithiumniobatkrlstalle mit Phaeenangleichtemperaturen oberhalb von 100⁰C₉ einschließlich von Kristallen mit Phasenangleichtemperaturen von etwa 186⁶C. Derartige Kristalle können sicher einer Strahlung mit extrem hoher Intensität ausgesetzt werden, ohne daß dabei eine Schädigung des Kristallee der vorhin beschriebenen Art eintritt.

Insbesondere können diese Kristalle als harmonische Generatoren für eine fundamentale Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron verwendet werden, wobei eine derartige Pundamentalstrahlung im allgemeinen mit Neodymlasern und insbesondere mit NdsYAO-Laserkristallen erhalten wird. Sie Kombination des Kristalls gemäß dieser Erfindung mit einem Heodymlaser ergibt ein besonders vorteilhaftes System für zahlreiche Anwendungsgebiete.

Obwohl das Verfahren dieser Erfindung 1« allgemeinen hier beeohrieben wird, um Lithiumniobatkriatalle mit Fhasenanglelohung zur Verwendung als harmonische Generatoren met #jtwJ^ strahlung mit einer Wellenlänge von 1»06 Mikron bei höheren Temperaturen herzustellen, gehört zu der Erfindung auch dl· Her-

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stellung von Kristallen mit vorhersagbaren optischen Eigenschaften für andere Anwendungen als die Erzeugung einer harmonischen Strahlung.

So kann z.B. durch Erhöhung des Lithiumoxydgehalts der Schmelze der außerordentliche Brechungsindex herabgesetzt werden, und die Doppelltfechung dee Kristalls erhöht werden· Es bildet ebenfalls einen Gegenstand dieser Erfindung, den Lithiumozydgehalt der Schmelze herabzusetzen und dadurch den außerordentlichen Brechungsindex zu erhöhen und somit die Doppelbrechung des Kristalle zu erniedrigen. Für die Verwendung als harmonischer Generator mit einer gewünschten fundamentalen Wellenlänge kann die !Temperatur, bei der der Kristall gehalten werden soll, so ausgewählt werden, daß die Doppelbrechung der Geschwindigkeit für die ausgewählte fundamentale Wellenlänge erreicht wird. Weiterhin können Kristalle, die außerordentliche Brechungsindizes und spezifische Werte für die Doppelbrechung bei spezifisch gewünschten Temperaturen be- . sitzen, für jede beliebige Anwendung hergestellt werden durch Anwendung einer Schmelzzusammensetzung gemäß der Lehre dieser Erfindung. Dieses Verfahren zur Einstellung des außerordentlichen Brechungsindex des Lithiumniobats von einem Wert bei einer gegebenen Temperatur erfordert das Wachsen dieses Kristallee durch

Erstarren von einer Schmelze, die (1+y) Mol Ii₉O pro Mol Hb 0_ .

« 2 5

enthält, wobei y eine Zahl zwischen -0,3 und +0,3 ist, und wobei höhere Werte von y niedrigere Werte für den außerordentlichen Brechungsindex und niedrigere Werte von y höhere außerordentliche Brechungsindizes geben. In ähnlicher Weise ist die Doppelbrechung des so gewachsenen Kristalls größer für höhere Werte von y und niedriger für niedrigere Werte von y.

Eine Vorrichtung für die Verwendung des Llthiumniobatkristalles gemäß dieser Erfindung als harmonische Generatoren ist sohematlsch. in Fig.3 dargestellt. Ein Laser-Kristall, z.B. ein NdιYAG-

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KrIstall 10 besitzt eine Pumpquelle 11 und erzeugt eine kohärente Strahlung 12 mit einer Wellenlange von 1,06 Mikron. Mn Lithium* niobatkriatall 13 gemäß dieser Erfindung wird von einem Krtetallhalter 14 so getragen, daß die Laserstrahlung 12 durch den Lithita niobatkriatall geht.

Der Kristallhalter 14 kann so ausgebildet sein, daß er eine Winkeleinstellung des Lithiumniobatkristalls erlaubt, um den Winkel der c-Achse des Kristalls zu der Richtung des Strahls der Fundamental-Laserstrahlung 12 zu ändern. In der Zeichnung wird der Kristall mit seiner c-Achse vertikal, rechtwinklig, zur Richtung des Laserstrahls gezeigt.

Hit dem Llthlumniobatkristall ist ein Temperaturregel-und Abtastmittel verbunden,das ein Teil des Kristallhalters 14 sein kann, um die Temperatur des Lithiumniobats bei seiner Phasenangleichtemperatur T⁰C zu halten. Sie aus dem Lithiumniobat austretende Strahlung 15 enthält eine grüne harraoniaohe Strahlung von einer Wellenlänge von 0,53 Mikron und alle Anteile der Laserstrahlung 12, die nicht in eine zweite harmonlsohe Strahlung umgewandelt worden sind. Wie in der Zeichnung angedeutet wird, sohreiten die harmonische Strahlung und die Fundamentalstrahlung beim Verlassen des Lithiumniobatkristalls in der gleichen Richtung fort, da der Kristall mit seiner c-Achse rechtwinklig zu dem Weg der fundamentalen Strahlung angeordnet worden ist.

Flg. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung der Kristalle, die einen Tiegel 20, vorzugsweise aus Fiatin, besitzt, der von einer Platte 21 getragen und von der Isolierung 22 umgeben ist. Eine Spule 23 ist außerhalb des Isoliermaterial« 22 für die Induktionsheizung des Metalltiegels angeordnet. Der Tiegel enthält einen geschmolzenen Ansatz 24 gemäß der Erfindung. Ein Impfkristall befand eich an dem Stab 25 und wurde in die Schmelze 24 eingeführt und dann abgezogen, um das Material an

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dem Impfkristall kristallisieren zu lassen und den gezeigten massiven Einkristallkörper 26 sich bilden zu lassen. Der Stab 25 kann während des Abziehens gedreht «erden. Der Impfkristall wurde so geschnitten und orientiert an dem Stab 25» daß der Kristeilkörper 26 seine c-Achsβ in einer vorbestimmten Sichtung besitzt. Ein Kristallkörper, wie der eine harmonische Strahlung erzeugende Kristall 13 der Fig. 3, wird aus dem Körper 26 geschnitten. Im allgemeinen wir.d der Kristall so geschnitten, daß eine Kante mit seiner ο-Achse parallel ist.

Sie folgenden Beispiele dienen der näheren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel I

Eine Änsatzmischung aus 223,9 g Lithiumcarbonat und 797,4 g Hlobpentozyd wird auf etwa 1000⁰C erwärmt, um das CO₂ auszutreiben und gesintertes kompaktes Llthiumniobat von stöchiometrischer Zusammensetzung herzustellen.

285 g dieses Materials wird granuliert und in einen Platintiegel alt 3*5 g von überschüssigen Lithiumcarbonat, entsprechend 5 Gewichtaprozent überschüssigem Lithiumoxyd, gegeben· Mese Mischung wird auf ihre Schmelztemperatur von etwa 126Q⁰Q er- ™ wärmt, um eine Schmelze von folgender Mol-Formel zu ergeben:

"S'

Ii₂O
^Z

'Bb₂O₅

W.· Schmelztemperatur wird erhöht auf eine Temperatur wenig oberhalb de« SohmelzpunktB, e.B» auf etwa 1.275⁰O, und ein geeignet orientierter Lithiumniobat-Impfkrietall in die Sohmelze •tligtfüiirt.})le Kristallisation dte Lithiumniobats auf dem Impfkristall «M initiiert und dtr Impfkristall mit einer Geeohwindlgkelt Ton etwa O₉82 om/Stundt bei einer Drehung von etwa 30 W0 sbfezogen, um einen massiven Binkrletallkörper au· Lithium-

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nlobat herzustellen. Im allgemeinen iat es bevorzugt, den Kristall in einer oxydierenden Atmosphäre, die über der Schmelze gehalten wird, wachsen zu lassen.

Ein Würfel alt einer Kantenlänge von etwa 5 mm wurde aus dem so erzeugten Stab hergestellt. Dieser Würfel wurde durch einen Kristallhalter gehalten und in dem Weg eines Strahle eines Nd:YAÖ-Laoers mit einer Strahlung von 1,06 Mikron Wellenlänge angeordnet. Die Temperatur des Kristalls wurde erhöht, bis eine Strahlung mit einer doppelten Frequenz und einer Wellenlänge von 0,53 Mikron als grünes Licht beobachtet werden konnte. Temperatur, 91⁰O, war die Phasenangleichtemperatur des Kristalls. Wie bereits bemerkt wurde, kann die Fhasenanglelchtemperatur eines doppelbredhenden Krisfalls durch Änderung der Wlxtelbezlehung zwischen dem einfallenden Strahl der Fundamentalstrahlung und der c-Achse des Kristalls variiert werden. Bei diesem Versuch war 91⁰O die Phasenangleichtemperatur für den Kristall, der alt seiner opitiechen oder cJ-Achse genau rechtwinklig zu der Richtung des einfallenden Lichtes angeordnet war. Wenn das Winkelverhältnis von 90° zu Werten niedriger als 90° geändert wurde, sank auch die Fhasenangleichtemperatur auf Temperaturen unterhalb von 91⁰O. Da es im allgemeinen wünschenswert ist, den Kristall als harmonischen Generator bei höheren Temperaturen au betreiben, wird der Kristall im allgemeinen mit seiner ο-Achse vertikal angeordnet und bei der Spitzentemperatur von 91⁰C gehalten.

Der so beschriebene Kristall wurde hinsiohtlich einer eventuellen Strahlungsschädigung untersucht, wobei gefunden wurde, daß eine geringere Schädigung von einer hoohintensiven Strahlung auftrat gegenüber bekannten Kristallen, die niedrigere Fhaaenangleiohteaperaturen hatten und die infolgedessen als harmonische Generatoren bei Temperaturen unterhalb von 91⁰O betrieben wurden.

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•h *

Beispiel II

Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrene nach dieser Erfindung wurde ein Lithiumniobatkristall mit einer Phaaenangleichtemperatur von 186⁰C in folgender Weise hergestellt! 285 g der vorgesinterten stöchlometrischen Mischung, die vorher schon beschrieben wurde, und 14,6 g lithiumcarbonat wurden in einen Platintiegel gegeben und erwärmt, um das COg auszutreiben. Se bildete sich eine Schmelze, die einen Überschuß an Lithiumoxyd gegenüber der stöchiometrischen Menge an Lithiumoxyd enthielt und der folgenden Formel entsprach:

² (1,20) ^{2 5}

Diese Schmelze wurde auf eine Temperatur von etwa 15° oberhalb ihres Schmelzpunkts erwärmt, und nach dem Einführen eines Impfkristalle s wurde ein massiver Kristall aus Lithiumnlobat aus der Schmelze in der bereits beschriebenen Weise abgezogen·

Ein Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 5 mm wurde' aus diesem Stab hergestellt. Dieser Würfel wurde dann in einem Kristallhalter wie in ^Fig.3 angeordnet und in den Strahl einer Nd:YAG-Laserstrahlung von einer Wellenlänge von 1,06 Mikron gegeben. Die Temperatur des Kristallee wurde erhöht,bis eine Strahlung von grünen Licht mit einer Wellenlänge von 0,53 Mikron beobachtet werden konnte. Diese harmonische Strahlung trat nicht auf, bis der Kristall nicht auf eine Temperatur von etwa 186⁰C erwärmt wurde. Der Kristall war sit seiner c-Achse rechtwinklig zu dem einfallenden Laserstrahl angeordnet,und die harmonische Strahlung alt einer Wellenlänge von 0,53 Mikron hatte eine Portpflanzungsrichtung, die im wesentlichen konzentrisch mit der austretenden infraroten Laserstrahlung war.

Der Kristall wurde nicht beschädigt; seine Strahlung mit verdoppelter frequenz war nicht verzerrt oder geschwächt, wie es

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der Fall gewesen sein würde, wenn bekannte Llthiumnlobatkristalle verwendet worden wären als harmonische Generatoren bei niedrigen Temperaturen, die aufgrund der niedrigeren Phaeenangleichtemperatur erforderlich gewesen wären·

Die vorstehenden Beispiele beschreiben ein Verfahren, bei dem die Kristalle durch Ziehen aus einer Schmelze wachsen gelassen werden« Bs ist aber auch möglich, diese Kristalle auch durch andere "Verfahren, z.B. durch Plammschmelzen, Zonenschmelzen und dergl. zu erzeugen, wobei der Kristall durch Erstarren aus einer geschmolzenen Masse oder einem geschmolzenen Körper der erfindungsgemäßen Zusammensetzung erzeugt wird·

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Einkristall aus Lithiumniobat der Zusammensetzungt

   wobei V eine positive Zahl von größer als Null und kleiner als etwa 0,01 ist.

   2.1 Einkristall aus Lithiumniobat mit einer höheren Phasenangleichtemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall durch Erstarren einer Schmelze, die (1 + y) Mol Li₂O pro Mol Fb₂O₅ enthält, wachsen gelassen wurde, wobei y eine positive Zahl größer als Null ist.

   3. Einkristall aus Lithiumniobat mit einer Phasenangleichtemperatur oberhalb von 100⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall duroh Erstarren einer Schmelze, die (1 + y) Mol Li₂O pro Mol Hb₂Oe enthält, wachsen gelassen wurde, wobei y eine positive Zahl größer als etwa 0,03 und bis zu etwa 0,3 ist. ^

   4· Einkristall aus Lithiumniobatolt einer gewünschten Phasenangleiohtemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall durch Erstarren einer Schmelze, die (1 + y) Mol Li₂O pro Mol Nb₂Oc enthält, wachsen gelassen wurde, wobei y aus der Gleichung

   y * 1,32 x 10""³T - 0,064

   ermittelt wurde und wobei T die gewünschte Phaaenangleiohtemperatur in °0 1st.

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   - 18 -

   Verfahren zur Herstellung von Lithlumniobat-Kristallen mit Phasenangleichtemperaturen oberhalb Raumtemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schmelze der Zusammensetzung (1 + y) Mol Li₂O pro Mol Ni> ₂°c » wobei y eine Zahl von größer al3 Null bis etwa 0,3 ist, erzeugt und daraus durch Kühlen einen Einkristall wachsen läßt.

   6„₇ Verfahren zur Herstellung von Lithiuasnlobat-Kristallen mit bestimmten Fhasenangleichtemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß raaa eine Schmelze der Zusammensetzung (1 + y) Mol Li₂O pro MoI ftb₂O_r erzeugt, wobei y sich ergibt aus der Gleichung

   y - 1,32 x 10"⁵ T - 0,064 .

   und wobei T die gewünschte Fhasenangleichtamperatur in ⁰C ist, und aua dieser Schmelze durch Kühlen einen Einkristall wachsen läßt.

   7. Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Lithiumniobat mit einer Fhaeenangleichtemperatur von mindestens 100⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß man elno Schmelze erzeugt, die otwa 1,05 bis 1,3 Mol Li₂O pro Mol Nb₂Oe enthält,,diese Schmelze auf eine Temperatur bringt, boi der eich der Kristall bilden kann, einen Impfkristall in diese Schmelze einführt und diesen Impfkristall aus der Schmelze abzieht, wobei man das Lithiumniobat auf dem Impfkristall kristallisieren läßt, und das Abziehen fortsetzt, um einen massiven Einkristall aus Lithluuniobat zu bilden.

   β. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein· oxydierte Atmosphäre über der Schmelze wahrend des Kristallwaohetums aufrecht erhalten wird,

   9. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Kristalle aus Llthiumniobat mit einem vorherbestiaabaren außerordentlichen Brechungsindex, dadurch gekennzeichnet, daß man diesen Kristall durch Erstarren aus einer Senats·, dl· (1 + y) Mol

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   Li₂O pvo Mol Nb₃O₅ enthält, wachsen läßt, wobei y eine Zahl «wischen -O, ^ und +0,3 1st und wobei höhere Werte von 7 einen nledri geren außerordentlichen Brechungsindex und niedrigere Werte von y einen höheren außerordentlichen Brechungsindex ergeben.

   10· Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Kristalls aus Lithiuraniobat Kit einer vorherbeatimmbaren Doppelbrechung, dadurch ^kennzeichnet» daß man diesen Kristall Surch Erstarren aus einer Schmelze, die {'\ + y) Mol Li₂O pro Mol Nb₂O₅ enthält, wachsen lUßt, wobei y ein« Zahl zwischen -0,3 und ■4-0,3 ist und *>ob«i höhere V/arte von y zu einer höheren Doppelbrechung führen. · ™

   11. Verfahren zur Herstellung eines doppelbrechenden Kristalls aus Lithiumniobat mit einer vorherbestimmbaren Doppelbrechung, dadurch gekennzeichnet, daß man diesen Kristall durch Erstarren einer Schmelze, die (1 + y) Hol Li₂O pro Mol Hb₂O₅ enthält, wachsen läßt, wobei y eine Zahl zwischen.+0,05 und +0,3 ist, und wobei höhere Werte /on y zu einer höheren Doppelbrechung führen.

   12. Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten harmonischen Generation ans einer Fundaaentalstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron unter Verwendung eir.es mit Neodym dotierton Λ TAG—Leaera zur Erzeugung der Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron und eines Lithluaniobata-Kristails als Generator für die harmonisohe Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der ^rIetall eine Zusammensetzung entsprechend der Formel

   hat,wcbei / eine Zahl von größer ale ITuIl bis zu 0,01 ist..

   BAD

   13. Vorrichtung zur Erzeugung einer zweiten harmonischen Generation aus einer Fundamentalaxrahlung mit einer Wellenlänge von 1,05 Mikron unter Verwendung eines mit Neodym dotierten YAG-Laser», der in der Lage iut, eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron zu erzeugen, und »Ines Lithiumniobat 'Kristalls »In Generator für die harmonische Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Lithlunar.lo"bat~Krisfcall durch Erstarren aua einer Schmelzet die (1 +y) Mol Li₀O pro Mol Mb₀O^ enthielt» wachsen gelassen wurde, wobei y eine Zahl von größer ale etwa 0,05 bis f,u etra O₁3 ist.

   i4» Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, das ;f nach der Gleichung

   Y= 1,32 χ 10~⁵ χ Τ - 0,064

   emdttelt wurde, wobei T die Temperatur in ⁰C ist, bei denen dor Kristall harmonische Strahlung erseugt, ohne asu einer Schädigung dieses Kristalle durch din Strahlung :su ftthren.

   f5o Vorrichtung zur Erzeugung einer sTiei ten harmonise)*en Generalien aus einer Puridementalfitreblung mit einer Wellenlänge vetf 1^06 Mikron unter Verwendung uinee mit Neodyu dotierten Yttriuii Aluminiuüi~Graiiti--Lß8exe, der in der Lage ist, ein« kohärente Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron zu erzeugen, und einem In dem Weg der Laserstrahlung angeordneten Lithiunniobat-Kristall, dadurch gekennzeichnet, das dieser Kristall durch Eratarrenlasθen einer Sohnelse, die (1 + y) Mol Li₂O pro Mol Nb₂Oc enthielt, wachsen gelassen wurde, wobei y sich aus der Gleiohung

   y = 1,32 χ 10""³ T - 0,064

   errechnet, und wobei T die Phasentinglelchtemperatur des Kristalle in ⁰G ist, und die Vorrichtung Mittel zur Regelung der Kris tall toaperatur enthält, uti <!is Temperatur des Kristalls bei T⁰C zu halten.

   16. Verfahren zum Betreiben eines Lithlumniobat-Kristails fur die Erzeugung einer zweiten harmonischen Strahlung aus einer fundamentalstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron bei einer höheren Temperatur T, ohne Beeinträchtigung des Betreibens des Kristalls durch eine durch die Strahlung hervorgerufene innere Schädigung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kristall verwendet wird, der für eine Fundamentaletrahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 Mikron für die Temperatur T phasenangeglichen ist, durch Wachsenlassen dieses Kristalls durch Erstarrung einer Schmelze, die die Zusammensetzung (1 + y) Mol Li₂O pro Mol Nb₂ ⁰S fceeltat, wobei y sich aus der Gleichung

   y s 1,32 χ 1O~³ T - 0,064

   ergibt, und diesen Kristall als harmonischen Generator bei einer Tempeatur von T⁰C betreibt.

   17»Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß T mindestens 100% ist»

   18. Verfahren zum Betreiben eines Lithiumniobat-Kristails für die Erzeugung einer zweiten harmonischen Strahlung aus einer hand aaet al strahlung im Bereich der Wellenlängen von 0,9 bis 1,2 Mikron bei einer Temperatur des Kristalls T oberhalb von 100⁰C, dadurch gekennzeichnet, daS ein Lithiumniobat-Kristall verwendet wird, dessen Phaeenangleiohtemperatur gleich mit der Temperatur T ist und wobei dieser Kristall erhalten wurde duroh Erstarrenlassen einer Schmelze der Zusammensetzung (1 + y) Mol Li₂O pro Hol Nb₂Oi-, wobei y eich aus der Gleichung

   y m 1,32 x ΙΟ"*³ Τ - 0,064

   ergibt, und T die Temperatur in ⁰C ist, und man diesen Kristall als harmonischen Generator bei einer Temperatur ▼on T⁰C betreibt.

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