DE1949025C3

DE1949025C3 - Erbiumoxyd/Ytterbiumoxyd-dotierter optischer Sender

Info

Publication number: DE1949025C3
Application number: DE1949025A
Authority: DE
Inventors: Haynes Alexander Sylvanio Lee Jun.; Charles Frederick Toledo Rapp
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1968-10-04
Filing date: 1969-09-27
Publication date: 1974-12-05
Also published as: FR2019949A1; NL6914441A; DE1949025B2; US3663474A; GB1277068A; DE1949025A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sender für kohärente Strahlung mit einem stimulierbaren Medium aus einem Lithium-Erdalkali-Silikatglas, das mit Erbium- und Ytterbium-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 Einsalzzwecke ist eine Laserglaszusammcnsetzung außerordentlich erwünscht, die bei einer Emissionswellenlängc von 1,5 μηι eine relativ hohe 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 7. B. einer Xcnon-Blitzlichtröhrc, henutzt.

Es sind bereits optische Sender für kohärente Strahlung mit einem stimulierbaren Medium aus einem Lithium-Erdalkali-Silikalglas. das mit Erbium- und Ytterbium-Ionen dotiert ist, bekanntworden (französische Patentschrift I 461 043). Diese ülaszusammcnset/ungcn weisen neben SiO₂. Na₂O, K₂O, BaO, SbX),.

AI₂O₃, ZnO einen geringen Anteil an Li₂O auf. Die Gläser haben den Nachteil, daß sie eine relativ geringe Lichtaiisbculc und eine hohe Solarisation besitzen.

Es sind des weiteren bereits optische Sender für kohärente Strahlung vorgeschlagen worden, bei denen der Laserstab aus Ncodymiumoxid dotierten Lithium-Erdalkali-Silikaigläsern besteht (Patentanmeldung P 17 64 976.2-33), Dabei ist die Zusammensetzung in Molprozent 45 bis 75",, SiO₂. 15 is 35°,, Li.,O, 0 bis 30% CaO, 0 bis 8% Al₂O₁. 0,2 hs 0,7% Nd₂O₃ 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 erfindungsgemaß durch einen eingangs erwähnten optischen Sender gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Glas in Molprozent die nachstehende Zusammensetzung hat: 45 bis 75% StO., 15 bis 35% LiA 0,5 bis 30% CaO₁ 0 bis 8% Al₈O₃, 0,03 bis 0,3% Er₈O₃, 1,0 bis 5,0 % Yb₂O₃. wobei die Summe von Ü..O und CaO nicht wesentlich über 50% liegt.

Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung weist eine Emissionswellenlänge von etwa 1,5 μ-m 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 Me talle und Alkalimetalle enthalten, eine geringe Solari- lation auf. Die Lilhiumoxid-Siliziumdioxid-Gläser der vorliegenden Erfindung, welche etwas Calciumoxid aufweisen, besitzen jedoch eine ausgezeichnete Widerttandsfähigkeit gegenüber solarisation.

In den oben beschriebenen Lithiumoxid-Siliziumtlioxid-GIäsem ist ErX);) eingesetzt, um das Laser-Ion bereitzustellen, und Yb₂O., dient «ls Sensibilisierungs- rnittel zur Absorption der Pumpenerpie von z. B. einer Xenon-Entladungslampe, um die Energie auf das Er₂O₃ zu übertragen, wie dies aus der französischen Patentschrift 1 4Ll 043 bekannt ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das stimulierbar*. Medium aus 48 bis 65% SiO₂, 20 bis 30% Li .0, 0.5 ' is 30% CaO. 0 bis 8% Al₂O₃, 0,03 bis 0,3% Er₂O₁₁, 1 bis 5% Yb₂O,, ausgedrückt in Molprozent.

Nach einer anderen Ausführungsforrn besieht das stimulierbare Medium aus 48 bis 65",, SiO.,, 20 bis 30% Li₂O, 5 bis 25% CaO, 1 bis 5% Al₂O₃,"0,03 bis 0,3% Er₂O₃, 1 bis 5% YbA„ ausgedrückt in Molprozent.

Nach noch einer anderen Ausführungsform besteht das stimulierbare Medium aus 49 bis 62% SiO,. 25 bis 30% Li₂O, 8 bis 22% CaO, 2 bis 5% AI₂O,, 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:

Bestandteile

SiO₂ .
Li₂O .
CaO .
AI₂O,
Er₂O₃
Yb₂O₃

Glas
(Molpmzcnt)

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

Wenn das Siliziiimdioxid in der Zusammensetzung in einer Menge unter etwa 45 Molpro/ent 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 unge-

wohnliche 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 CaI- ciumoxid 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

Vj unterdrückendes Oxid, vorzugsweise Ceroxid.

In gewissen Fällen kann das stimulierbare Medium als die Solarisation unterdrückendes Oxid Antimonoxid bzw. Titandioxid enthalten. Vorzugsweise sind mindestens 50 Molprozent der

ϊο inhibierenden Oxide Ceroxid. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß das in den Gläsern vorliegende Ceroxid mil CeO₂ angegeben ist, aber gewöhnlich liegt das Oxid sowOhl als CeO₂ als auch als Ce₂O₃ vor, wobei das Ce₂O₃ wahrscheinlich den Hauptanteil ausmacht.

»5 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 ois 8% Al₂O₃, 0,03 bis 0,2 % Er₂O₃, 1,5 bis 5% Yb₂O₁₁, 0,1 bis 0,3% CeO₂, ausgedrückt in Molprozent.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das stimulierbare Medium aus 49 bis 62% SiO,, 25 bis 30% Li.,O, 8 bis 22% CaO₁ 2 bis 5% AI₂O₃, 0,05 bis 0.20";, Er₂O,, 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 .

Li,O .
CaO . Al₁O₃ Er.,O₃
Yb₂O₃
CeO, .

Bevorzugt

Optimal

48

20

bis 65
bis 30
bis 25
bis 8

0,03 bis
1,0 bis
0,1 bis

0,30

5,0

0,3

49

25 hi>

8 hi-

2 bi>

0,05 bis

2,0 bis

0,1 bis

br, 62
hi> 30

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-pro/ent erstreckt.

Es werden etwa 1 bis 5 Molpro/cnt Yb₂O₃ verwendet, wobei der optimale Bereich von etwa 2 bis 4 Molprozent reicht. Damit werden beste Scnsibilisierungswirkungcn erzielt, insbesondere wenn die optimale Menge Er₂O₃ verwendet wird.

Das die Solarisation inhibierende Oxid, vorzugsweise CcC)₂, 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, weiche den Slab verdunkelt und zu einem wesentlichen Abfall der Wirksamkeit führt, zu inhibieren. Vorzugsweise werden die Mengen CcO₂ 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 Rohmaterialien in den in Molprozent und Gewichtsprozent angegebenen Mengen hergestellt.

Bestandteile	Molprozent	Gewichtsprozent
SiO₂ ALO, Li.,O CaO Er-O₁ Yb.,O,	57,0 2.5 27,5 10,0 ο. ι 3,0	54,51 4,06 13,08 8.93 0,61 18.82

Aus der Schmelze wurden Stäbe von 6,5 mrn 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-F.ntladungslampe verwendet. Die Energie, die der Lampe zugeführt wurde, wurde eher 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 keine Farbänderung oder andere Verschlechterungen, wenn sie dem intensiven Anregungslicht der Xcnon-Kntladungslampcn ■— selbst vielen Impulsen ausgesetzt waren.

Beispiel 2

Wie im Beispiel 1 beschrieben, wurilc eine Glasschmelze nachstehender annähernder Zusammensetzung hergestellt:

Bestandteile	Molpro/cnl	Gcwichtspio/ent
SiO.,	57.0 2.5 27.5 10.0 0.05 3.0	54.68 4.07 13.12 8.95 0.31 18.87
Al.,6., Li,0 CaO
Er₂O, Yb₂O.,

Aus dieser Sclimel/e wurden Sliibe gezogen und auf den Schwcllcnwci t, wie im Beispiel I beschrieben, getestet. Die Stäbe hatten einen rcl.itiv niedrigen Schwellenwert von nrr 281 Joule. Sie zeigten auch, wie die im Beispiel 1. keine Solarisation, wenn sie der intensiven Anrcgimgs trahlung ausgesetzt wurden.

Bestandteile	Molprozent	Gewichtsprozent
Al₂O, LuO CaO Er₂O₃ Yb-O₃	57,9 2,5 27,5 10,0 0,15 2,0	58,36 4,28 13,78 9,41 0,96 13,22

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 Arbeiisbeispielen 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.

Beispiel 4

Es wurde eine Schmelze hergestellt und Stäbe daraus gezogen, wie im Beispiel 1 besclnieben. Die Schmelze hatte annähernd folgende Zusammensetzung:

Bestandteile	Molprozent	Gewichtsprozent
SiOo ΛΙ.,Ο, Li₂O CaO FZr,O₁ . . Yb.O, CcÖ.	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

Die Stäbe wurden, wie im Ikispiel 1 beschrieben. getestet: mc zeigten einen Schwellenwert von 1 SO 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 ciwa folecnde Zusammensetzung:

Bestandteile	Mi'ijT'/ent
55 SlO ΛΙ..Ο., ι i.o	5i'.79 27 s
Ca() ...	10.0
6o Fr₁O₁	0.05
Yb,O,	3.0
CeO,	0,16

Gewichtsprozent

54.35

4.06

13.09

0.31

18.83
0.44

Die Stäbe wurden, wie im Beispiel 1 beschrieben. j'clestct und zeigten einen Schwellenwert sun 405 Joule. Sie solarisicrtcn nicht, selbst wenn sie dem intensiven Licht der Enlliulungshimpc ausgesetzt waren.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender für kohärente Strahlung mit einem stimulierbaren Medium aus 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% SiO₈, 15 bis 35% Li_sO, 0,5 bis 30% CaO, 0 bis 8% Al₂O₃, 0,03 bis 0,3% Er₈O₃, 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% LLO, 0,5 bis 30% CaO, 0 bis 8% Al₂O₃, 0,03 bis 0,3% Er₂O₃, 1 bis 5% Yb₂O₃₁ ausgedrückt in Molprozent, besteht.

3. Optischer Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 48 bis 65% SiO.,, 20 bis 30";, Li.O. 5 bis 25% CaO, 1 bis 5% AI₂O₃, 0,03 bis 0,3% Er₂O₃, 1 bis 5% Yb₂O₃, ausgedrückt in Molprozent, besieht.

4. Optischer Sender nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 49 bis 62% SiO.,, 25 bis 30% Li,O. 8 bis 22",, CaO, 2 bis 5% Al₂O₃, 0,03 bis 0,2% Er₂O₃. 1 bis 5% Yb₂O₃, ausgedrückt in Molprozeni. besteht.

i. 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% Vb₂O₃, ausgedrückt in Molprozent, besteht.

6. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 57,0% SiO₂, 27,5% Li.,O, 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 Molprozcnt, besteht.

8. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium ein die Solarisation unterdrückendes Oxid enthält.

9. Optischer Sender nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium als die Solarisation unterdrückendes Oxid Ceroxid enthält.

10. Optischer Sender nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulicrharcs Medium als die Solarisation unterdrückendes Oxid Antimonoxid enthält.

11. Optischer Sender nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß dessen Mimulicrbarcs 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% AI₂O₃, 0,03 bis 0,2",, Er₂O,, 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 siimulierbares Medium

aus 49 bis 62% SiO₈, 25 bis 30% Li₈O, 8 bis 22% CaO, 2 bis 5% AI₈O₉, 0,05 bis 0,20% ErA- 1.5 bis 5% Yb₂O₃, 0,1 bis 0,2% CeO₂, ausgedrückt in Molprozent, besteht.

14. Optischer Sender nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 48 bis 65% SiO., 20 bis 30% Li₂O, 5 bis 25% CaO, 0 bis 8% AI₂O₃, 0,03 bis 0,30% Er₂O₃, 1,0 bis 5,0% Yb₂O₃, 0,1 bis 0,3% CeO₂, ausgedrückt in Molprozent, besteht.

15. Optischer Sender nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dessen stimulierbares Medium aus 49 bis 62% SiO₂, 25 bis 30 % Li,O, 8 bis 22% CaO, 2 bis 5% AUO₃, 0,05 bis 0,15% ErX)₃. 2,0 bis 4,0% Yb₂O₃, 0,1 bis 0,2% CeO₂, ausgedrückt in Molprozent, besteht.