DE1796157C - Glaslaser hoher Leistung und geringer Solansation auf der Basis eines Lithiumoxid enthaltenden SiIi katglases mit Neodymoxid als aktiver Substanz - Google Patents

Description

9 Glaslaser nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß das die Solarisation inhibierende Oxid Titandioxid ist.

10 Glaslaser nach einem der Ansprüche 4 bis 6. gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Molprozent:

Al₁O,

Nd₁O₃
CeO, .

0.16

StO₁
AI₂O₃
Li₂O .

11. Glaslaser nach einem der Ansprüche 4 bis o. gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Molprozent:

50

2.5

27,5

CaO 20

Nd₂O₃ 0,5

CeO₂ 0.16

12. Glaslaser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Molprozent:

SiOj 50.8

AI₂O₃ 2,1

Li₂O 23,3

CaO 23,2

Nd₂O₃ 0,42

CeO₂ 0,14

13. Glaslaser, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Glasstab einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 ist.

14. Glaslaser, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Glasstab einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 4 ist.

Die Erfindung betrifft eine Glaslaser hoher Leistung und geringer Solarisation auf der Basis eines Lithiumoxid enthaltenden Silikatglases mit Neodymoxid als aktiver Substanz.

Die Leistungsfähigkeit der bekannten Glaslaser hat bisher das erwünschte Verhältnis von aufgenommener zu abgegebener Leistung erreicht. Bei Anwendung von Hochleistungsimpulscn hat das Problem der Solari-' sation den Einsatz von Glaslasern beschränkt.

Es ist: z. B. aus den Glastechnischen Berichten, 40 (1967), S. 231 und 232, und aus der britischen Patent schrift 1111 857 bekannt, daß mit Ncodymoxid aktivierte Glaslaser eine verbesserte natürliche Fluoreszenz haben, wenn sie schwere Alkaliionen und schwere zweiwertige Metallionen, wie Barium·, Blei- und Cadmium-Ionen enthalten. Als nachteilig haben sich aber deren relativ starke Expansion und Kontraktion bei Temperaturänderungen erwiesen. Diese bekannten Glaslaser können wegen ihres ungünstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten für viele Verwendungszwecke nicht eingesetzt werden. Außerdem soll bei diesen bekannten Glaslasern ein Zusatz von CaO möglichst vermieden werden, weil die Ansicht besteht, daß dieses

Metalloxid eine ungünstige Wirkung auf die Fluoreszenz hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Glaslaser einer solchen Zusammensetzung zu schaffen, daß sie auch bei Anwendung hoher Energie relativ hohe Wirksamkeit zeigen. Die Glaslaser sollen in einem Hochleistungsimpulslaser relativ hohe Wirksamkeit und geringe Solarisation aufweisen. Sie sollen ferner günstige Wärmeausdehnungseigenschaften besitzen und zugeführte Energie nur zu einem Minimum i:i Wärme umwandeln.

Die Aufgabe wird gelöst durch Glaslaser der eingangs genannten Art, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in MoLprozent: 45 bis 75 Siliziumdioxid, 15 bis 35 Lithiumoxid, 0.5 bis 30 Calciumoxid, 0.1 bis 2 Neodymoxid und 0 bis 8 Aluminiumoxid. wobei die Summe von Lithiumoxid und Calciumoxid nicht wesentlich höher als 50 Molprozent ist. und, wenn Li₂O in einer Menge von 15 Molprozent anwesend ist, die Menge CaO mindestens 10 Molprozent beträgt, und, wenn ferner der CaO-GehaU 0,5 Molprozent beträgt, die Menge Li₂O mindestens 24 Molprozent ist.

Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung noch genauer dargelegt.

Die Erfindung schafft verbesserte Glaslaserzusammensetzungen des Lithiumoxid-Siliziumdioxid-Systems, die wesentliche Mengen Calciumoxid enthalten und cicnen Neodymoxid zugesetzt ist; die daraus hergestellten Glaslase sind bei Anwendung hoher Energien wirksamer und besser als die bisher bekannten Glaslaser. Die hocl· virksamen Glaslaserzusammensetzungen geringer Solarisation der vorliegenden Erfindung enthalten im allgemeinen die nachstehenden Bestandteile in den angegebenen Be reichen :

gangsenergie in Ausgangsenergie: die resultierenden Glaslaser besitzen höhere Wirksamkeit und nur sehr geringe Solarisaüon. im allgemeinen kann Calciumoxid in Mengen bis zu 2-3 bis 30 Molprozent eingesetzt werden, wobei noch ein gutes Glaslasermuterial erhalten wird, wobei die Gesamtmenge von Calciumoxid und Lithiumoxid jedoch nicht mehr als 50 Molprozenl ausmachen soll.

Die bevorzugten und optimalen GldNlaserzusam-■.o mensetzungen sind nachstehend aufgeführt:

B.'itandiiil

Vorzugsweise j Οριιπυπι Molprozent

SiO, .
ALO₃
Li,O .
Ca'O .
Nd,O₃
Ceo, .

48 bis 65 0 bis S

20 bis 30 5 bis 25 0,1 bis 2 0,1 bis 0,3

49 bis 62 2 bis 5

25 bis 30 8 bis 22 0,1 bis 1 0,1 bis 0.2

Bestandteil	Molprozent	Gewichtsprozent
SiO4 AI2O, Li2O CaO Nd1O3	45 bis 75 Obis8 15 bis 35 0,5 bis 30 0,1 bis 2	50 bis 80 0 bis 15 8 bis 20 0.5 bis 30 0,5 bis 8

Die hoch wirksamen Glaslaser nach der Erfindung enthalten mindestens 0,5 bis 30 Molprozent Calciumoxid. Es wird angenommen, ohne sich auf irgendeine Theorie festlegen zu wollen, daß die bessere Wirksamkeit der Lithiumoxid-Siliziumdioxidgläser aus dem kleineren Durchmesser des Lithiumions und seinem Platz in der Glasstruktur resultiert. Das Lithiumion ist klein genug in der Struktur, um 6fach koordiniert zu sein, und jedes Sauerstoffatom kann eine größere Menge Energie zu seiner Bindung an das Lithiumatom beisteuenj als ein Sauerstoffatom, das ein Teil einer 8fachen Koordination ist. Dies polarisiert das Sauerstoffion in größerem Ausmaß, was zu einer stärkeren Polarisation des Neodymions führt. Die Einführung der Calciumionen in die Glasstruktur scheint die Leistungsfähigkeit der Lithiumoxid-Siliztumdioxidgläser noch zu verstärken, so daß sie hoch wirksame Laserwirtmaterialien sind.

Wie weiter vorn bereits angegeben, bringt eine geringe Menge von etwa 0,5 Molprozent Calciumoxid eine Verbesserung der Eigenschaft des Glases in bezug auf die Umwandlung von aufgenommener oder EinWenn die untere Grenze des Siliziumdioxids unter 45 Molprozent liegt, neigt die Zusammensetzung dazu, etwas instabil zu werden, indem sie schwieriger zu handhaben ist und leichter entglast. Wenn die SiIiziumdioxidmenge 75 Molprozent oder mehr ist. fällt die Laser*irksamkeit ab, insbesondere wenn entweder Lithiumoxid oder Calciumoxid in der minimalsten

Menge anwesend ist.

Wo Calciumoxid in der geringsten Dosierung oder nahe der untersten Grenze vorliegt, werden im allgemeinen 24 Molprozent Lithiumoxid benötigt. Wenn der Lithiumoxidgehalt bei der untersten Grenze von 15 Molprozent liegt, sind mindestens 10 Molprozent Calciumoxid erforderlich, damit eine wesentliche Verbesserung der Laserwirksamkeit gewährleistet ist.

Wahlweise können bis zu 8 Molprozent Aluminiumoxid eingesetzt werden. Allgemein ist zu bevorzugen, daß, wenn es eingesetzt wird, mindestens 2 Molprozent verwendet werden, um die ungewöhnliche Eigenschaftskombination des Laserglases, einschließlich chemischer Haltbarkeit, hoher Wirksamkeit und geringer Solarisaüon, zu gewährleisten.

Wie weiter oben bereits gezeigt, wird Neodymoxid im allgemeinen in Mengen von 0,1 bis 2 Molprozent oder darüber eingesetzt, wobei der bevorzugte Bereich 0,1 bis 1 Molprozent ist. Allgemein besonders bevorzugt ist das Vorliegen von mindestens 0,1 Molprozent Neodymoxid in der Zusammensetzung, die optimale Menge liegt für gewöhnlich zwischen 0,1 bis 0,8 oder 1,0 Molprozent.

Allgemein beträgt die Menge des die Solarisaüon inhibierenden Oxids, das vorzugsweise CeO₁ ist, 0.1 bis 0,5 oder mehr Molprozent. Die Verwendung von mindestens 0,1 Molprozent CeO₁ trägt dazu bei. die Solarisation wesentlich zu inhibieren, die den Stab verdunkelt und zu einem beträchtlichen Abfall der Wirksamkeit fuhrt. Vorzugsweise wird die Menge CeOt relativ niedrig gehalten, so daß andere erwünschte Eigenschaften des Glaslasers nicht verändert werden. In gewissen Fällen kann ein Teil oder das gesamte CeO₁ durch andere inhibierend wirkende Oxide, wie Antimonoxid oder Titandioxid, ersetzt werden, aber vorzugsweise sind mindestens SO Molprozent des inhibierenden Oxids CeO₁ erforderlich. Selbstverständlich ist das in den Gläsern anwesende Ceroxid, das hier mit der Formel CeO₁ angegeben ist.

für gewöhnlich ein Gemisch \on Ce*¹. und Ce.O₁. v.obei wahrscheinlich Ce₁Oi den H.iuntanteil bildet. Durch die folgenden Bci-.picle soll die Ertinrlun:: ri"Ch besser ·. eranschaulicht werden.

Beispiel !

I s wurde eine Schmelze durch Mischen von Rohmaterialien von p.-a.-Qualität unter Bildung einer (ikoschmel/e nachstehender Zusammensetzung '-on -.o hoher optischer Qu.il'tät Hergestellt.

4.6«

ill	id..M
0.5 I	3,09
0.16 !	0.51

Beispiel 2

In gleicher SVeise. wie im Beispiel 1 beschrieben, wurde eine Glasschmelze der nachstehenden Zusamrnenset/unc hereesteilt:

Nd₁O₁
CcO,

Stäbe von 1.27 cm Durchmesser und 10.16 cm Länge wurden aus der Schmelze hergestellt und die Lnden der Stäbe auf genaue Toleranz poliert.

Jeder Stab wurde in einen zylindrischen Hohlraum mit einer inneren Oberfläche aus hochpoliertem Aluminium eingelegt. Es wurde eine spiralförmige Xenon-Blitzlichtlampe \envendet. Der Lampe wurde Energie einer Stromquelle konstanter Kapazität zugeführt.

Bei diesem Versuch lag die Kapazität konstant bei 200 F, und die Spannung variierte von etwa 2.5 bis 4.0 kV. In diesem Test zeigte der oben beschriebene Glaslaserstab eine 35° ₀ größere Wirksamkeit der Zuwachsenergieumwandlung als irgendein bekanntes Laserglas.

Außer der oben beschriebenen wesentlich verbesserten Energieumwandlung änderten die Stäbe die Färb" nicht und verschlechterten sich auch in anderer Hinsicht nicht, wenn sie dem intensiven Licht der Xenon-Blitzlichtlampen-Pumpeinheit auch mehreren Lichtimpulsen ausgesetzt waren.

BoMndteil	Molpro/ent	Gewichtsprozent
SiO,	50	55.65
Al.,0;.	2.5	4.72
Li"()	27.^	15.22
CaO	20	20.78
Nd. O,	0.5	3.12
CeO	0.16	0.51

15 Aus der Schmelze wurden Stäbe hergestellt, und diese wurden auf ihre Wirksamkeit hin in einem Hochleisuings-Lichtirpuls-Svsiem. wie im Beispiel 1 beschrieben, getestet. Die Stäbe zeigten wesentlich bessere Wirkung in bezug auf Zusatzenergieumwandlung als die bekannten glasstäbe. Sie zeigten auch keine Solarisation (Farbänderung), wenn sie intenshem Licht der Pumpstrahl-Blitzlichtlampe ausgesetzt waren.

Beispiel 3

W ie im Beispiel 1 beschrieben, wurden eine Schmelze der nachstehend aufgeführten Zusammensetzung und daraus Stäbe hergestellt.

Bestandteil	SiO,	Molprozent	Gewichtsprozent
ALO,	50,84	56,23
Li,0 CaO	2.12 23,31 23.17	3,98 12,82 23,92
Nd,O,	0,42 0,14	2,62 0,43
CeOj

Die Stäbe wurden, wie im Beispiel 1 beschrieben, getestet; sie besaßen relativ hohe Wirksamkeit und geringe Neigung zur Solarisation.

Claims (8)

796 Patentansprüche:

1. Glaslaser hoher Leistung und geringer Solarisation auf der Basis eines Lithiumoxid enthaltenden Silikatglases mit Neod\mo\id ah akti\er Substanz. gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Molprozent

SiO, 45 bis 75.

Li,Ö i 5 his 35.

CaO 0.5 bis 30.

Nd.,O, 0.1 bis 2.

Ai₂O₃ 0 bis X,

wobei die Gesamtmenge \on Li..O — CaO nicht is wesentlich über 50 Molprozent liegt, und, wenn Li,O in einer Menge \on 15 Molprozent anwesend ist, die Menge CaO mindestens 10 Molprozent beträgt, und, wenn ferner der CaO-Gehalt 0,5 Molprozent beträgt, die Menge Li₄O mindestens *o Molprozent ist.

2. Glaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Molprozent

SiO_ä 48 bis 65, *⁵

Li₁O 20 bis 30,

CaO 5 bis 25.

Nd₂O₃ 0.1 bis 2,

AI₂O₃ O bis 8.

3. Glaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Molprozent

510₁ 49 bis 62,

Li₂O 25 bis 30,

CaO 8 bis 22.

Nd₄Oj 0,1 bis 1.

Al₂O₃ 2 bis 5.

4. Glaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine kleine, aber wirksame Menge Ceroxid enthält.

5. Glaslaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Molprozent

510₂ 48 bis 65,

Li₂O 20 bis 30,

CaC) 5 bis 25,

Nd₁O₃ 0,1 bis 2,

CeO₁ 0,1 bis 0,3,

Al₁O₃ O bis 8.

6. Glaslaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung in Molprozent

SiO, 49 bis 62,

Li₁O 25 bis 30,

CaO 8 bis 22,

Nd₁O₃ 0,1 bis 1,

CeO, 0,1 bis 0,2,

AI₁O₃ 2 bis 5.

7. Glaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn· zeichnet, daß er ein die Solarisation inhibierendes Oxid enthält.

8. Glaslaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Solarisation inhibierende Oxid Antimonoxid ist.

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