DE1949025B2 - Erbiumoxyd/Ytterbiumoxyd-dotierter optischer Sender - Google Patents

Erbiumoxyd/Ytterbiumoxyd-dotierter optischer Sender

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DE1949025B2 DE1949025A DE1949025A DE1949025B2 DE 1949025 B2 DE1949025 B2 DE 1949025B2 DE 1949025 A DE1949025 A DE 1949025A DE 1949025 A DE1949025 A DE 1949025A DE 1949025 B2 DE1949025 B2 DE 1949025B2
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sender für kohärente Strahlung mit einem stimulierbaren Medium aus einem Lithium-Erdalkali-Silikatglas, das mit Erbium- und Ytterbi-^-Ionen dotiert ist.
Wegen ihrer einmaligen Eigenschaften können optische Sender für kohärente Strahlung, auch als Laser bezeichnet, für die verschiedensten Zwecke eingesetzt werden, wie wissenschaftliche Untersuchungen, als Nachrichtenträger und zum Schweißen. Für einige dieser Einsatzzwccke ist eine Laserglaszusammensetzung außerordentlich erwünscht, die bei einer EmissionsweilenlänfTP von 1,5 μπι eine relativ hone Wirksamkeit aufweist.
Die Verwendung von Glaszusammensetzungen für Laser wird durch das Problem der Solarisation begrenzt, denn viele Glaslaser besitzen eine hohe Solarisation.' Obwohl Sonnenlicht nicht dabei beteiligt ist, wird der Ausdruck »Solarisation« zur Beschreibung der Verschlechterung, wie Dunkelwerden und Verfärben, des Glases infolge der Verwendung einer Lichtquelle, wie z. B. einer Xenon-Blitzlichtröhre, benutzt.
Es sind bereits optkc'.e Sender für kohärente Strahlung mit einem stimulierbaren Medium aus einem Lithium-Erdalkali-Silikatglas, das mit Erbium- und Ytterbium-Ionen dotiert ist, bekanntgeworden (französische Patentschrift 1461043). Diese Glaszusammensetzungen weisen neben SiO2, Na2O, K2O, BaO, Sb2O3, Al2O3, ZnO einen geringen Anteil an Li2O auf. Die Gläser haben den Nachteil, daß sie eine relativ geringe Lichtausbeute und eine hohe Solarisation be-.itzen.
Es sind des weiteren bereits optische Sender für kohärente Strahlung vorgeschlagen worden, bei denen der Laserstab aus Neodymiumoxid dotierten Lithium-Erdalkali-Silikatgläsern besteht (Patentanmeldung P 17 64 976.2-33). Dabei ist die Zusammensetzung in Molrozent 45 bis 75% SiO2, 15 bis 35% Li2O, 0 bis 30% CaO, 0 bis 8% Al2O3, 0,2 bis 0,7% Nd2O, und 0 bis 0,5% CeO2, Sb2O3 oder TiO2.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sender für kohärente Strahlung mit einem stimulierbaren Medium aus einem Lithium-Erdalkali-Silikatglas, das mit Erbium- und Ytterbium-Ionen dotiert ist, zu schaffen, das eine sehr geringe Solarisation und gleichzeitig eine relativ hohe Wirksamkeit besitzt.
Diese Aufgabe wird ertindungsgemäß durch einen eingangs erwähnten optischen Sender gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Glas in Molprozent die nachstehende Zusammensetzung hat: 45 bis 75/' SiO2, 15 bis 35% Li2O, 0,5 bis 30% CaO, O bis 8% Al2O3, 0,03 bis 0,3% Er2O3, 1,0 bis 5,0% Yb2O3, wobei die Summe von Li,O und CaO nicht wesentlich über 50% liegt.
Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung weist eine Emissionswellenlänge von etwa 1,5 μπι auf. Sie zeichnet sich durch eine relativ hohe Wirksamkeit, geringe Solarisation und eine minimale Umwandlung von eingepumpter Energie in Wärme aus. Die aus dem erfindungsgemäßen Glas hergestellten Glaslaser besitzen den großen Vorteil, daß sie gegenüber der Solarisation, die durch Pumplicht erzeugt wird, das zur Zerstörung der meisten Gläser führt, sehr resistent sind.
Im allgemeinen weisen Gläser, die zweiwertige Metalle und Alkalimetalle enthalten, eine geringe Solarisation auf. Die Lithiumoxid-Siliziumdioxid-Gläser der vorliegenden Erfindung, welche etwas Calciumoxid aufweisen, besitzen jedoch eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber Solarisation.
In den oben beschriebenen Lithiumoxid-Silizium- »5 dioxid-G lasern ist Er2O;; eingesetzt, um das Laser-Ion bereitzustellen, und Yb2O3 dient als Sensibilisierungsmittel zur Absorption der Pumpenergie von z. B. einer Xenon-Entladungslampe, um die Energie auf das Er2O3 zu übertragen, wie dies aus der französischen Patentschrift 1 461 043 bekannt ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das stimulierbare Medium aus 48 bis 65% SiO2, 20 bis 30% Li2O, 0,5 bis 30% CaO, 0 bis 8% Al2O1,, 0,03 bis 0,3% Er2O3, 1 bis 5% Yb2O3, ausgedruckt in Molprozent.
Nach einer anderen Ausführungsform besteht das stimulierbare Medium aus 48 bis 65% SiO2, 20 bis 30% Li2O, 5 bis 25% CaO, 1 bis 5% Al2O3, 0,03 bis 0,3% Er2O3, 1 bis 5% Yb2O3, ausgedrückt in Molprozent.
Nach noch einer anderen Ausführungsform besteht das stimulic-bare Medium aus 49 1:* 62% SiO2, 25 bis 30% Li2O, 8 bis 22% CaC, 2 bis 5% Al2O3, 0,03 bis 0,2% Er2O3, 1 bis 5% Yb2O3, ausgedrückt in Molprozent.
Weitere bevorzugte Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen Glases sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
50
Bestandteile Glas
(Molprozent)		 57,0
27,5
10,0
2,5
0,1
3,0		 57,0
27,5
10,0
2,5
0,05
3,0		 57,9
27,5
10,0
2,5
0,15
2,0
SiO2
Li2O
CaO
ALO3
Er2O3
Yb2O3
Wenn das Siliziumdioxid in der Zusammensetzung in einer Menge unter etwa 45 Molprozent vorliegt, neigt die Zusammensetzung dazu, etwas instabil zu werden, indem sie schwer zu handhaben ist und leichter entglast.
Wenn die Menge SiO2 über etwa 75 Molprozent liegt, wird die Schmelze leicht viskos, und es ist schwierig, ein Glas guter optischer Qualität zu erhalten.
Wahlweise können bis zu 8 Molprozent Aluminiumoxid eingesetzt werden, allgemein wird bevorzugt, wenn es verwendet wird, dann mindestens etwa 2 Molprozent einzusetzen, um dazu beizutragen, die ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften des Laserglases, einschließlich chemische Beständigkeit; relativ hohe Wirksamkeit und niedrige Solarisation, zu erhalten. Kleinere Mengen Aluminiumoxid können verwendet werden, wenn wesentliche Mengen Calciumoxid anwesend sind, und noch die gewünschte chemische Beständigkeit aufrechterhalten.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Senders enthält dessen stimulierbares Medium ein die Solarisation unterdrückendes Oxid, vorzugsweise Ceroxid.
In gewissen Fällen kann das stimulierbare Medium als die Solarisatiun unterdrückendes Oxid Antimonoxid bzw. Titandioxid enthalten.
Vorzugsweise sind mindestens 50 Molprozent der inhibierenden Oxide Ceroxid. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß das in den Gläsern vorliegende Ceroxid mit CeO2 angegeben ist, aber gewöhnlich liegt das Oxid sowohl als CeO2 als auch als Ce2O3 vor, wobei das Ce2O3 wahrscheinlich den Hauptanteil ausmacht.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Senders besteht dessen stimulierbares Medium daher aus 48 bis 65% SiO2, 20 bis 30% Li2O, 5 bis 25% CaO, 0 bis 8% Al2O3, 0,03 bis 0,2% Er2O3. 1,5 bis 5% Yb2O3, 0,1 bis 0,3% CeO2, ausgedrückt in Molprozent.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das stimulierbar Medium aus 49 bis 62% SiO2, 25 bis 30% Li2O, 8 bis 22% CaO, 2 bis 5% Al2O3, 0,05 bis 0,20% Er2O3, 1,5 bis 5% Yb2O3, 0,1 bis 0,2 % CeO2, ausgedrückt in Molprozent.
Eine weitere bevorzugte und optimale Glaszusammensetzung ist in der nachstehend aufgeführten Tabelle enthalten:
Bestandteile
SiO2 .
Li2O .
CaO .
Al2O3
Er2O3
Yb2O3
CeO2 .
Bevorzugt
48 bis 65
20 bis 30
5 bis 25
0 bis 8
0,03 bis 0,30
1,0 bis 5,0
0,1 bis 0,3
Optimal
49
25
bis 62
bis 30
bis 22
bis 5
0,05 bis 0,15
2,0 bis 4,0
0,1 bis 0,2
Wie durch die bevorzugten Ausführungsformen gekennzeichnet, wird Erbiumoxid in Mengen von etwa 0,03 bis etwa 0,3 Molprozent eingesetzt, wobei sich der optimale Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,15 MoI-prozent erstreckt.
Es werden etwa 1 bis 5 Molprozent Yb2O3 verwendet, wobei der optimale Bereich von etwa 2 bis 4 Molprozent reicht. Damit werden beste Sensibilisierungswirkungen erzielt, insbesondere wenn die optimale Menge Er2O3 verwendet wird.
Das die Solarisatiori inhibierende Oxid, vorzugsweise CeO2, wird vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 0,3 Molprozent eingesetzt. Die Verwendung von mindestens 0,1 Molprozent CeO2 trägt wesentlich dazu bei. die Solarisation, welche den Stab verdunkelt und zu einem wesentlichen Abfall der Wirksamkeit führt, zu inhibieren. Vorzugsweise werden die Mengen CeO2 relativ niedrig gehalten, so daß andere er-
wünschte Eigenschaften des Glaslasers nicht beeinflußt werden.
Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, sie stellen keine Begrenzung derselben dar.
Beispiel 1 Beispiel 3
Es wurde eine Schmelze hergestellt und daraus Stäbe gezogen, wie im Beispiel 1 beschrieben. Die Schmelze hatte etwa folgende Zusammensetzung:
Es wurde eine Glasschmelze hoher optischer Qualität nachstehender Zusammensetzung durch Mischen der RohmRtiirialien in den in Molprozent und Gewichtsprozent angegebenen Mengen hergestellt.
Bestandteile Molprozent Gewichtsprozent
SiO,
Al2O3
Li,O
CaO
Er2O3
Yb2O3 		57,0
2,5
27,5
10,0
0,1
3,0		 54,51
4,06
13,08
8,93
0,61
18,82
Bestandteile Molprozent Gewichtsprozent
SiO,
Al2O3
Li2O
CaO
Er2O3
Yb2O3 		57,9
2,5
27,5
10,0
0,15
2,0		 58,36
4,28
13,78
9,41
0,96
13,22
Aus der Schmelze wurden Stäbe von 6,5 mm Durchmesser und 76,2 mm Länge hergestellt und die Enden der Stäbe auf enge Toleranz poliert. Der Stab wurde in einen elliptischen Hohlraum gelegt, der eine innere Oberfläche aus hochpoliertem Silber aufwies. Es wurde eine gerade Xenon-Entladungslampe verwendet. Die Energie, die der Lampe zugeführt wurde, wurde einer Kondensatoren aufweisenden Stromquelle entnommen. In diesem Versuch war die Kapazität konstant 2250 Mikrofarad, und die Spannung schwankte von etwa 400 bis 1000 V. Die Glaslaserstäbe bei diesem Versuch zeigten einen Laserschwellenwert von nur 180 Joule elektrischer Energie in der Lampe.
Zusätzlich zu dem relativ niedrigen Schwellenwert für die Laserfunktion zeigten die Stäbe Leine Farbänderung oder andere Verschlechterungen, wenn sie dem intensiven Anregungslicht der Xenon-Entladungslampen — selbst vielen Impulsen — ausgesetzt waren.
Die Stäbe wurden, wie im Beispiel 1 beschrieben, getestet; sie zeigten einen Schwellenwert von 340 Joule und hatten nur geringe Tendenz zur Solarisation. In den vorstehenden Arbeitsbeispielen können im wesentlichen gleiche Ergebnisse hinsichtlich der Laserkapazität erhalten werden, wenn den aufgeführten Glaszusammensetzungen Ceroxyd zugesetzt wird, wie z. B. in der Tabelle, welche die bevorzugten und optimalen Glaslaser-Zusammensetzungen wiedergibt, angegeben ist.
B e i s ρ i e 1 4
Es wurde eine Schmelze hergestellt und Stäbe daraus gezogen, wie im Beispiel 1 beschrieben. Die Schmelze hatte annähernd folgende Zusammensetzung:
Bestandteile Molprozent Gewichtsprozent
35
SiO2
Al2O3
Li2O
CaO
40 Er2O3
Yb2O3
CeO2 		57,79
2,5
27,5
10,0
0,05
2,0
0,16		 58,41
4,29
13,82
9,43
0,32
13,26
0,46
Beispiel 2
Wie im Beispiel 1 beschrieben, wurde eine Glasschmelze nachstehender annähernder Zusammensetzung hergestellt:
Bestandteile Molprozent Gewichtsprozent
SiO2
Al2O,
Li2O
CaO
Er2O3
Yb2O3 		57,0
2,5
27,5
10,0
0,05
3,0		 54,68
4,07
13,12
8,95
0,31
18,87
Die Stäbe wurden, wie im Beispiel 1 beschrieben, getestet; sie zeigten einen Schwellenwert von 180 Joule und hatten nur geringe Tendenz zur Solarisation.
Beispiel 5
Es wurde eine Schmelze hergestellt und Stäbe daraus gezogen, wie im Beispiel 1 beschrieben. Die Schmelze hatte etwa folgende Zusammensetzung:
Aus dieser Schmelze wurden Stäbe gezogen und auf den Schwellenwert, wie im Beispiel 1 beschrieben, getestet. Die Stähe hatten einen relativ niedrigen Schwellenwert von nur 2iil Joule. Sie zeigten auch, wie die im Beispiel 1, keine Solarisation, wenn sie der intensiven Anregungsstrahlung ausgesetzt wurden.
Bestandteile Molprozent Gewichtsprozent
55
SiO2
Al2O3
Li2O
CaO
60 Er2O3
Yb2O3
CeO2 		56,79
2,5
27,5
10,0
0,05
3,0
0,16		 54.35
4,06
13,09
8,93
0,31
18,83
0,44
Die Stäbe wurden, wie im Beispiel 1 beschrieben, getestet und zeigten einen Schwellenwert von 405 Joule. Sie solarisierten nicht, selbst wenn sie dem intensiven Licht der Entladungslampe ausgesetzt waren.

Claims (15)

Patentansprüche:
1. Optischer Sender fiL kohärente Strahlung mit einem stimulierbaren Medium aui einem Lithium-Erdalkali-Silikatglas, das mit Erbium- und Ytterbium-Ionen dotiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas in Molprozent die nachstehende Zusammensetzung hat: 45 bis 75% SiO,, 15 bis 35% Li,O, 0,5 bis 30% CaO, 0 bis 8% Al2O3, 0,03 bis 0,3% Er2O3, 1,0 bis 5,0% Yb2O3, wobei die Summe von Li2O und CaO nicht wesentlich über 50% liegt.
2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 48 bis 65% SiO2, 20 bis 30% Li2O, 0,5 bis 30% CaO, 0 bis 8% Al2O3, 0,03 bis 0,3% Er2O3, 1 bis 5% Yb2O3, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
3. Optischer Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 48 bis 65% SiO2, 2u bis 30% Li2O, 5 bis 25% CaO, 1 bis 5% Al2O3, 0,03 bis 0,3% Er2O3, 1 bis 5% Yb2O3, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
4. Optischer Sender r.zch Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimuHerba -cs Medium aus 49 bis 62°,, SiO2, 25 bi« 30% Li2O, 8 bis 22% CaO, 2 bis 5% Al2O3, 0,03 bis 0,2% Hr2O3, 1 bis 5% Yb2O3, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 57,0% SiO2, 27,5% Li2O, 10,0% CaO, 2,5% Al2O3, 0,1% Er2O3, 3,0% Yb2O3, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
6. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 57,0% SiO2, 27,5% Li2O, 10,0% CaO. 2,5% Al2O3, 0,05% Er2O3, 3,0% Yb2O3, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
7. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 57,9%, SiO2, 27,5% Li2O, 10,0% CaO, 2,5% Al2O3, 0,15% Er2O3, 2,0% Yb2O3, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
8. Optischer Sender nach einem cL:- Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß dessen stimulierbares Medium ein die Γ-oIarisation unterdrückendes Oxid enthält.
9. Optischer Sender nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulieibares Medium als die Solarisation unterdrückendes Oxid Ceroxid enthält.
10. Optischer Sender nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium als dit Polarisation unterdrückendes Oxid Antimonoxid enthält.
11. Optischer Sender nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium als die Solarisation unterdrückendes Oxid Titandioxid enthält.
12. Optischer Sender nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 48 bis 65% SiO2, 20 bis 30% Li2O, 5 bis 25%, CaO, 0 bis 8% Al2O3, 0,03 bis 0,2% Er2O3, 1,5 bis 5% Yb2O3, 0,1 bis 0,3% CeO2, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
13. Optischer Sender nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierb::res Medium aus 49 bis 62% SiO,, 25 bis 30% Li2O, 8 bis 22% CaO 2 bis 5% ALO3, 0,05 bis 0,20% Er2O3, 1,5 bis 5% Yb2O3, 0,1 bis 0,2% CeO2, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
14 Optischer Sender nach Anspruch 9, dadurch sekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium ?!s 48 bis 65% SiO2, 20 bis 30% Li2O, 5 bis 25% CaO 0 bis 8% Al2O3, 0,03 bis 0,30% Er2O3, 1.0 bis 5,0% Yb2O3, 0,1 bis 0,3% CeO2, ausgedrückt in Molprozeni, besteht.
15 Optischer Sender nach Anspruch 9, dadurch sekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium Ls 49 bis 62% SiO2, 25 bis 30% Li2O, 8 bis 22% CaO 2 bis 5% AI2O3, 0,05 bis 0,15% Er2O3, 2,0 bis 4,0% Yb2O3, 0.1 bis 0,2% CeO2, ausgedrückt in Molprozent, besteht.
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