DE1796140B2

DE1796140B2 - Mit Nd tief 2 O tief 3 dotiertes Laserglas auf der Basis von SiO tief 2 -BaO

Info

Publication number: DE1796140B2
Application number: DE1796140A
Authority: DE
Inventors: Haynes Alexander Sylvania Lee Jun.; Charles Frederick Toledo Rapp
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1966-04-28
Filing date: 1968-09-07
Publication date: 1974-07-18
Also published as: FR1586197A; GB1176296A; DE1796140A1; US3457183A; NL6813000A; DE1796140C3

Description

12. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 473

₃₇;₇

_7j6

₂₎₅

}*° 1.85 _ao

Ce₂O₃ i₅o

Nd₂O₃ 2,0

Die Erfindung betrifft ein mit Nd₂O₃ dotiertes Laserglas auf der Basis von SiO₂-BaO.

Aus der britischen Patentschrift 1 015 057 ist ein mit Nd₂O₃ dotiertes Laserglas bekannt, dessen Grundglas aus 57,4% SiO₂, 14,9% K₂O, 24,3% BaO, 1,0% Sb₂O₃ (Gewichtsprozent) besteht und das mit 2,4% Nd₂O₃ dotiert ist. _3S

Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 3 270 290 ein mit Nd₂O₃ dotiertes Laserglas bekannt, dessen Grundglas aus 70% SiO₂, 15% Na₂O, 12% CaO, 1% Al₂O₃ und 0,5% Sb₂O besteht.

In der USA.-Patentschrift 3 422 025 ist ein anderes mit Nd₂O₃ dotiertes Laserglas beschrieben, das folgende Zusammensetzung aufweist: 69% SiO₂, 10% K₂0,10% Rb₂O, 5% BaO, 1 % Sb₂O₃ und 5% Nd₂O₃.

In der USA.-Patentschrift 3 471 408 werden laserfähige Silikatgläser beschrieben. Diese sind aus SiO₂, Na₂O, K₂O, Sb₂O₃ und aus Nd₂O₃ als aktivierender Substanz aufgebaut und enthalten außerdem mindestens eines der nachstehenden Oxide: Rb₂O, Cs₂O, PbO und BaO. Das Bariumoxid liegt in diesen Gläsern in Mengen von 5 Gewichtsprozent vor.

Beim Betrieb einer Laseranordnung, bei dem ein Laserglas als laserfähiges Element verwendet wird, werden innerhalb kurzer Zeiten durch die Pumpstrahlung große Energiemengen auf das Laserglas aufgebracht, die zu einem erheblichen Teil in Wärmeenergie umgesetzt werden. Die aus den oben angeführten Patentschriften bekannten Grundgläser besitzen einen so großen Wärmeausdehnungskoeffizienten, daß durch Verformung der verwendeten Laserglaskörper die optischen Parameter der Laseranordnung in großem Maße geändert werden und damit der Betrieb der Anordnung gestört wird. Wenn aber die aufgebrachte Strahlungsenergie verringert werden muß, um eine allzu große Erwärmung des Laserglaskörpers zu vermeiden, fällt die Ausgangsleistung der Laseranordnung entsprechend ab. Auch die Beständigkeit gegen die bei Impulsbetrieb der Laseranordnung schockartig aufgebrachte Wärme

50 reicht nicht aus, so daß Rißbildung im Laserglaskörper auftreten kann.

Gemäß der britischen Patentschrift 1 015 057 werden die Lasergläser vorzugsweise in sehr dünne Stäbe ausgezogen, um zur Herabsetzung der thermischen Belastung des Glaskörpers ein günstiges Verhältnis Oberfläche zu Volumen zu erreichen. Aus optischen Gründen und zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit wird der dünne Stab mit einer außenliegenden Hilfsglasschicht überzogen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Laserglas zu schaffen, das einen relativ kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, so daß Pumpstrahlung von wesentlich höherer Intensität verwendet werden kann.

Das erfindungsgemäße Laserglas ist dadurch gekennzeichnet, daß es zur Erzielung einer relativ niedrigen Wärmeausdehnung und damit geringen Hitzeverformung und einer hohen Wärmeschockbeständigkeit folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 40 bis 65

BaO 10,5 bis 40

ZrO₂ 7 bis 10

Al₂O₃ O bis 5

IJ₂O O bis 5,5

Na₂O O bis 2,3

K₂O O bis 7

MgO O bis 2

CaO O bis 2

SrO O bis 7,5

Ce₂O₃ O bis 1

Sb₂O₅ O bis 1

Nd₂O₃ 1 bis 8,

in welcher (3 Li₂O + 2 Na₈O) mindestens 5,5 Gewiclitsprozent und der Gesamt-RO-Gehalt mindestens 15 Gewichtsprozent sein muß, wobei R Ca, Mg, Sr oder Ba bedeutet.

Während bei den bekannten Lasergläsern die Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 95 bis 110 -1O^-V⁰C liegen, weisen die erfindungsgemäßen Lasergläser im Mittel einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 65 · 10~'/°C auf. Dieser Unterschied ist insbesondere hinsichtlich der Volumenausdehnung von entscheidender Bedeutung. Weil das beanspruchte Laserglas thermisch in höherem Maße belastbar ist, können aus ihm im Vergleich zum Stand der Technik relativ dicke Stäbe hergestellt werden, die selbst hinreichend fest sind.

Die beanspruchten Grundgläser unterscheiden sich von den bekannten Grundgläsern im wesentlichen durch den hohen Anteil an Bariumoxid und den relativ hohen Anteil an Zirkoniumdioxid.

Durch den hohen Anteil an Bariumoxid werden Zerfallszeiten erreicht, die gegenüber den bei Grundgläsern mit hohem Kaliumoxidanteil bekannten Zerfallszeiten kürzer sind.

Der hohe Anteil an Zirkoniumdioxid vergrößert die Festigkeit des Grundglases gegenüber chemischer Zersetzung, und zwar insbesondere die Alkalifestigkeil: des Grundglases, so daß normalerweise in der Laseranordnung keine besonderen Maßnahmen zum Schutz des Laserglaskörpers ergriffen werden müssen.

Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Laserglases sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Es

5 6

soll nur hier darauf hingewiesen werden, daß Gläser in welcher (3 Li₂P + 2 Na₂O + K₂O) mindestens mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Be- 5,5 Gewichtsprozent und der Gesamt-RO-Gehalt minreich von etwa 50 bis 65 · 10^-7/°C verwendet werden destens 15 Gewichtsprozent sein müssen, wobei R Ca, sollen. Die Menge des Neodymoxids, die in das Grund- Mg, Sr oder Ba bedeutet.

glas eingearbeitet wird, ist nicht kritisch und kann 5 Bevor nun einzelne Beispiele beschrieben werden, — wie vorstehend aufgeführt — im Bereich von 1 bis soll darauf hingewiesen werden, daß die Rohmate-Gewichtsprozent liegen. rialien, die zum Erschmelzen der gewünschten Glas-Folgende Zusammensetzungen, die durch prak- Sorte im Gemenge zusammengegeben werden, in vertische Beispiele gedeckt sind, werden bevorzugt ver- schiedenen Formen vorliegen können, z. B. als Oxide, wendet: io Carbonate u. dgl. Die Komponenten werden er-Bevorzugte Zusammensetzung A schmolzen und das Neodymoxid in der Schmelze di^{s e} spergiert. Kleinere Mengen anderer Bestandteile Bestandteil Gewichtsprozent ^{können auch in der} Schmelze vorhanden sein, jedoch

₄g 5 .j £3 ^ darf sich ihre Anwesenheit nicht auf d>e fertige Zu-

205 bis 380 ^I5 sammensetzung des Laserglases und dessen ge-

7 bis 9 wünschte Eigenschaften auswirken. Insbesondere ist

Q Q . -g , wichtig, daß der Eisengehalt sehr niedrig bleibt, denn

^²Q³ Q JjJ₃ 2 Eisenoxid hat eine Absorptionsbande, die die Laser-

| Q Q J₃J_{5 9 7} wellenlänge von 1060 nm von Neodymlaserglas über-

q Q.- g'j 2o deckt. In den Gläsern gemäß dieser Erfindung sollte

Q J₃J₅ -j's daher der Eisengehalt von 100 ppm Fe₂O₃ nicht über-

QQ 0 bis o'5 schritten werden. Im allgemeinen ist zu bevorzugen,

5I₃ ²Q³ Q J₃J₅ g'5 den Fe₂O₃-Gehalt unter 50 ppm zu halten.

_N(j Q 2 _bis 4^? Die in der folgenden Tabelle zusammengefaßten

²³ ' 25 Beispiele I bis IX dienen zur weiteren Veranschau-

in welcher (3 Li₂O + 2 Na₂O + K₂O) mindestens lichung der vorliegenden Erfindung. In der Tabelle

5,5 Gewichtsprozent und der Gesamt-RO-Gehalt min- sind die Bestandteile der einzelnen Lasergläser in

destens 15 Gewichtsprozent sein müssen, wobei R Ca, Gewichtsprozent angegeben. Am Schluß der Tabelle

Mg, Sr oder Ba bedeutet. findet sich eine Zeile, in der die gemessenen Wärme-

30 ausdehnungskoeffizienten der Lasergläser aufgeführt

Bevorzugte Zusammensetzung D ^smd· ^Die angegebenen Werte für die Wärmeausdehnungskoeffizienten sind mit einem Fehler von

Bestandteil Gewichtsprozent ±2 ■ 10~⁷/⁰C behaftet.

SiO₂ 46,5 bis 63,5 Die Gläser wurden aus Rohmaterialien von Ana-

BaO 20 bis 38 35 iysenqualität erschmolzen. Aus der Schmelze wurden

ZrO₂ 7 bis 9 Stäbe hoher optischer Qualität hergestellt (z. B. für

Al₂O₃ 1 bis 3 die Beispiele I und III mit einem Durchmesser von

Li₂C 0 bis 1,85 1,27 cm und einer Länge von 101,6 cm). Die Stab-

Na₂O 0 bis 2,2 enden wurden auf genaue Toleranz poliert, dann

K₂O 0 bis 6,5 40 wurden die Laser in einer Laseranordnung eingesetzt.

Ce₂O₃ O bis 0,5 Während des Betriebs trat keine Veränderung der

Sb₂O₅ O bis 0,5 optischen Parameter auf, und die Wärmefestigkeit

Nd₂O₃ 1 bis 4, der Stäbe war ausreichend.

Bestandteil

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
63,25	61,07	60,42	49,9	47,3	48,3	47,8	50,3
10,68	20,64	20,40	36,6	37,0	37,7	37,7	37,7
8,58	8,29	8,20	7,4	7,4	7,6	7,6	7,6
2,84	2,74	2,72	2,4	2,5	2,5	2,5	—
—				0,9	1,85	1,85	1,85
2,16	2,09	—	1,9	—-	—.
3,28	3,17	6,26	2,8	2,8	—	—-	—
7,21	—	—■	—	—	—	—	—·
	—	—	—	—	—	0,5	0,5
—		.—-		—	—		0,5
2,00	2,00	2,00	2,00	2,00	2,00	2,00	2,0
54	52	56	76	73	69	69	68

IX

SiO₂

BaO

ZrO₂

Al₂O₃

Li₂O

Na₂O

K₂O

MgO

CaO

SrO

Ce₂O₃

Sb₂O₅

Nd₂O₃

Wärmeausdehnungskoeffizient ( -IO-⁷/⁰C)

47,3 37,7

7,6

2,5

1,85

1,0 2,0

69

Claims

1 Patentansprüche:

1. Mit Nd₂O₃ dotiertes Laserglas auf der Basis von SiO₂-BaO, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Erzielung einer relativ niedrigen 'Wärmeausdehnung und damit geringen Hitzeverformung und einer hohen Wärmeschockbeständigkeit folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 40 bis 65

BaO 10,5 bis 40

ZrO, 7 bis 10

AUO₃ O bis 5

LLO O bis 5,5

NaX) O bis 2,3

K₂O O bis 7

MgO O bis 2 ao

CaO O bis 2

SrO O bis 7,5

CeX)₃ O bis 1

Sb₂O₅ O bis 1

Nd₂O₃ 1 bis 8,

in welcher (3Li₂O + 2Na₂O) mindestens 5,5 Gewichtsprozent und der Gesamt-RO-Gehalt mindestens 15 Gewichtsprozent sein müssen, wobei R Ca, Mg, Sr oder Ba bedeutet.

2. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus den nachstehenden Bestandteilen, die in den in Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung, angegebenen Mengen vorliegen:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 46,5 bis 63,5

BaO 10,5 bis 38,0

ZrO₂ 7 bis 9

Al₂O₃ O bis 3

Li₂O' O bis 2

Na₂O O bis 2,2

K₂O O bis 6,5

SrO O bis 7,5

Ce₂O₃ O bis 0,5

Sb₂O₆ O bis 0,5

Nd₂O₃ 1 bis 4

3. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der 1 olgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 46,5 bis 63,5

BaO 20 bis 38

ZrO₂ 7 bis 9

Al₂O₃ 1 bis 3

Li₂O O bis 1,8

Na₂O O bis 2,2

K₂O O bis 6,5

Ce₂O₃ O bis 0,5

Sb₂O₅ O bis 0,5

Nd₂O₃ 1 bis 4

4. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtspiozent

SiO₅. 63,25

BaO 10,68

ZrO₂ 8,58

Al₂O₃ 2,84

140

Na,0 ²,16

K.Ö ³,28

SrO 7,21

Nd₂O₃ 2,00

5. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO, 61,07

BaO' 20,64

ZrO, 8.29

AUO₃ 2,74

NaX) 2,09

K₂O 3,17

Nd₂O₃ 2,00

6. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO, 60,42

BaO' 20,40

ZrO, 8,20

Al₂O₃ 2,72

K₂O 6,26

Nd₂O₃ 2,00

7. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 46,9

BaO 36,6

ZrO₂ 7,4

Al₂O₃ 2,4

Na₂O 1,9

K₂O 2,8

Nd₂O₃ 2,0

8. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 47,3

BaO 37,0

ZrO₂ 7,4

Al₂O₃ 2,5

Li₂O 0,9

K₂O 2,8

Nd₂O₃ 2,0

9. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 48,3

BaO 37,7

ZrO₂ 7,6

AUO₈ 2,5

Li₂O 1,85

Nd₂O₃ 2,0

10. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ 47,8

BaO 37,7

ZrO₂ 7,6

Al₂O₃ 2,5

Li₂O 1,85

Ce₂O₃ 0,5

Nd₂O₃ 2,0

1

11. Laserglas nach Anspruch 1, bestehend aus der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bestandteil Gewichtsprozent

50,3

37,7

? 7,6

^Ll2° 1,85

Ce₂O_{3 05}

Sb₂O₅ 0 5

Nd₂O₃ ;; ₂;o