DE19517380A1

DE19517380A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht

Info

Publication number: DE19517380A1
Application number: DE19517380A
Authority: DE
Inventors: Seong-Joon Kim; Aleksander V Belov; Won-Ha Choe
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1994-05-11
Filing date: 1995-05-11
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2015-05-12
Also published as: JPH08102565A; KR950034945A; GB9509598D0; GB2289369A; GB2289369B; KR100243313B1; DE19517380B4; US5638394A; FR2719951B1; FR2719951A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Laserlicht und eine Vorrichtung, die nach diesem Verfahren arbeitet, und insbesondere ein wirksames Verfahren zum Er zeugen von blauem und grünem Laserlicht sowie eine Vorrich tung, die nach diesem Verfahren arbeitet.

Wenn bei der Erzeugung von Laserlicht ein starkes Pump licht auf ein Atom trifft, dessen Elektronen auf den Grund energiestufen liegen, dann wird ein Elektron auf eine höhere Stufe aufgrund der Energie des Pumplichtes angehoben. Ein derartiges angehobenes oder angeregtes Elektron befindet sich nicht in einem stabilen Zustand und kehrt somit auf die Grundstufe zurück. Die absorbierte Energie wird als Licht energie ausgesandt, wenn das Elektron zurückspringt. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes ist ähnlich der oder länger als die des Pumplichtes, das das Elektron am Anfang angeregt hatte.

Lasereinrichtungen, die ein Licht mit einer kurzen Wellenlänge erzeugen, beispielsweise blaue und grüne Laser, haben eine breite Anwendung gefunden und es werden viele Untersuchungen gegenwärtig auf verschiedenen Gebieten be züglich dieser Laser durchgeführt. Vom optischen Standpunkt aus kann Licht mit kürzerer Wellenlänge stärker gebündelt werden. Aufgrund dieser Eigenschaften des Lichtes nimmt die Aufzeichnungsdichte einer Information zu, wenn die Wellen länge des zur optischen Aufzeichnung benutzten Lichtes kür zer wird. Es können auf einem begrenzten Bereich der beste henden Aufzeichnungsträger, die gegenwärtig benutzt werden, daher weitaus mehr Daten aufgezeichnet werden. Zu diesem Zweck ist Licht mit einer kurzen Wellenlänge und guter In terferenz wünschenswert. Als Lichtquelle werden daher haupt sächlich Laserdioden benutzt.

Laserdioden mit kurzer Wellenlänge sind in verschiede nen Arten entwickelt worden. Es werden jedoch in weitem Umfang Halbleiterlaserdioden benutzt, da eine optimale Mi niaturisierung gefordert wird.

Die gegenwärtig benutzten Halbleiterlaser arbeiten im Infrarotbereich und erzeugen Licht mit einer langen Wellen länge. Das hat zur Folge, daß die erzielbare Zunahme in der Aufzeichnungsdichte bezüglich eines gegebenen Aufzeichnungs trägers begrenzt ist. Um diese Begrenzung zu überwinden, ist es dringend erforderlich, eine Lasereinrichtung zu entwickeln, die Laserlicht mit einer kürzeren Wellenlänge erzeugt. Die Umsetzung derartiger blauer und grüner Laser in die Praxis ist zeitraubend und es sind diesbezüglich sehr viele Untersuchungen vorgenommen worden. In keinem Fall hat sich jedoch gezeigt, daß eine Halbleiterlaservorrichtung bei Raumtemperaturen für längere Zeitintervalle schwingt, was auf den besonderen Charakteristiken des Halbleitermaterials selbst beruht.

Um blaues und grünes Laserlicht zu erhalten, sind Ein richtungen entwickelt worden, die die zweite harmonische Oberwelle erzeugen, wobei ein Laserlicht mit langer Wellen länge von beispielsweise 800 nm bis 980 nm als Pumpenergie verwandt wird. Es sei daraufhin gewiesen, daß das blaue und das grüne Laserlicht nicht von der Lasereinrichtung selbst erzeugt wird, sondern bei der Erzeugung der zweiten harmoni schen Oberwelle die Wellenlänge des erzeugten infraroten Lichtes unter Verwendung eines nichtlinearen optischen Mate rials in einem Erzeugungsteilbereich halbiert wird, der von zwei Spiegeln begrenzt wird. Eine Vorrichtung zum Erzeugen der zweiten harmonischen Oberwelle hat einen komplizierten Aufbau, ihre Ausbildung im Kleinformat ist daher begrenzt. Bei einer Vorrichtung zum Erzeugen einer zweiten harmoni schen Oberwelle ändert beispielsweise ein nichtlinearer doppelbrechender Kristall, der dazu benutzt wird, die zweite harmonische Oberwelle zu erhalten, seine Eigenschaften in Abhängigkeit von Temperaturänderungen. Es wird daher eine Vielzahl von peripheren Bauteilen zur Temperaturkontrolle benötigt.

Eine andere Alternative, ein Laserlicht mit kurzer Wellenlänge zu erhalten, ist ein Laser mit Frequenzherauf setzung zum sekundären Anregen eines Elektrons in einem Zustand, in dem das Elektron durch ein Licht mit langer Wellenlänge angeregt ist, um Licht mit einer kurzen Wellen länge zu erzeugen.

Eine derartige Laservorrichtung mit Frequenzheraufset zung macht von einer zweiten Energieabsorption durch ein Pumplicht eines Elektrons im angeregten Zustand Gebrauch. Dieses Prinzip wird im folgenden erläutert.

Wie es in Fig. 14 dargestellt ist, werden dann, wenn ein äußeres Pumplicht auf ein Atom trifft, die Elektronen von der Grundstufe E₀ auf die erste Energiestufe E₁ angeho ben. Die in dieser Weise angeregten Elektronen werden zu sätzlich erneut auf eine zweite Energiestufe E₂ angehoben, die höher als die erste Energiestufe E₁ liegt, bevor sie auf den Zustand niedriger Energie der Stufe E₀ zurückkehren. Ein zweimal angeregtes Elektron kehrt direkt von der zweiten Energiestufe E₂ auf die Grundstufe E₀ zurück. Wenn in der oben beschriebenen Weise ein zweimal angeregtes Elektron auf die Grundstufe E₀ zurückkehrt, wird Licht erzeugt. Wenn eine passende Resonanzbedingung für das erzeugte Licht gegeben ist, wird dann Laserlicht erzeugt. Aufgrund der beiden Anre gungen des Elektrons ist dabei die Wellenlänge kürzer als die des Lichtes, das am Anfang auf das Atom gefallen ist.

Bei diesem Arbeitsprinzip sollten der erste und der zweite Energiestufenunterschied des Elektrons gleich sein, wenn das Pumplicht von einer langen Welle auf eine kurze Wellenlänge umgewandelt wird. Das bei diesem Vorgang erhal tene Licht ist ein Laserlicht mit einer kurzen Wellenlänge, beispielsweise der halben Wellenlänge des Pumplichtes mit langer Wellenlänge.

Wenn das in Fig. 14 dargestellte Prinzip angewandt wer den soll, muß ein Atom gefunden werden, das den gleichen Unterschied zwischen der ersten Energiestufe und der Grund stufe und zwischen der zweiten Energiestufe und der ersten Energiestufe hat. Je länger ein Elektron im ersten angereg ten Zustand (Stufe E₁) bleibt, umso größer ist die Wahr scheinlichkeit, das Elektron in den zweiten Energiezustand zu bringen. Es ist daher notwendig, dafür zu sorgen, daß das Elektron länger auf der ersten Energiestufe E₁ bleibt.

Eine Laservorrichtung mit Frequenzheraufsetzung, die nach diesem Prinzip arbeitet, wurde 1990 entwickelt und 1991 wurde ein erbiumdotierter Fluoridfaserlaser beschrieben. Es wurde daher erfolgreich Laserlicht mit einer Wellenlänge von 546 nm dadurch erzeugt, daß eine Infrarotlaserdiode mit einer Wellenlänge von 800 nm als Pumpenergiequelle benutzt wurde. Ausgehend davon wurden blaue und grüne Lasereinrich tungen untersucht, die Fluoridfasern verwenden. Im Fall einer Laservorrichtung mit Frequenzheraufsetzung, die mit einer Absorption auf einen zweiten angeregten Zustand arbei tet, wurden vom Standpunkt des Aufbaus oder des Wirkungs grades zahlreiche Entwicklungen durchgeführt, wie es in der US-PS 5 299 215 beschrieben ist. Es wurde jedoch als Grund material ein Fluormaterial verwandt, das schwierig in Faser form auszubilden ist, damit ein Elektron länger im ersten Anregungszustand bleibt. Was das Fluormaterial anbetrifft, so ist es schwierig, ein modifiziertes chemisches Aufdampfen zu verwenden, das als allgemeines Verfahren zum Herstellen einer Faser dient. Das allgemeine Verfahren zum Herstellen einer Faser unter Verwendung eines Fluormaterials ist aber ein Einsatzgießverfahren, das ein Schmelzverfahren ein schließt, um das Grundfasermaterial herzustellen. Die Steue rung der Stärke ist daher schwierig und es ist unmöglich, eine bestimmte Sauerstoffmenge zu dotieren. Das hat zur Folge, daß es schwer möglich ist, den Durchmesser eines Kerns fehlerfrei zu steuern, was die Laserlichtmode stark beeinflußt, oder den Kern zu miniaturisieren. Es ist weiter hin schwer, ein Laserlicht mit einer einzigen Mode unter Verwendung von Elementen zu erhalten, die ein derartiges Grundmaterial verwenden, was auf den strukturellen Beschrän kungen beruht, die oben beschrieben wurden.

Ziel der Erfindung ist daher ein neues Grundkonzept zum Erzeugen von blauem und rotem Laserlicht von einem Infrarot laser sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserlichtes und eine Vorrichtung, die nach dem oben erwähnten neuen Grundkonzept arbeitet.

Dazu umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zum Anregen von Laserlicht die folgenden Schritte: Pumpen eines Elek trons eines ersten Elementes auf eine erste Energiestufe unter Verwendung einer ersten Pumpenergie und Aussenden optoakustischer Energie entsprechend einer ersten Energie absorption und Pumpen eines Elektrons eines zweiten Elemen tes auf eine zweite Energiestufe, die über der ersten Ener giestufe liegt, indem die optoakustische Energie als Pump quelle verwandt wird, so daß blaues und grünes Laserlicht entsprechend einer zweiten Energieabsorption erhalten wird.

Durch die Erfindung wird weiterhin eine Laservorrich tung geschaffen, die mit einem bestimmten Element dotiert ist, um Licht in einem bestimmten Wellenlängenband durch Energieabsorption zu erzeugen, welche einen Kern, der einen bestimmten Brechungsindex hat, um eine Welle des erzeugten Lichtes in einen bestimmten Bereich zu führen, und eine Hüllschicht aufweißt, die um den Kern herum vorgesehen ist und einen Brechungsindex hat, der von dem Brechungsindex des Kernes verschieden ist, bei welcher Laservorrichtung der Kern mit wenigstens zwei Elementen dotiert ist und eines der beiden Elemente einen höheren Energiestufenunterschied als das andere hat und eine optoakustische Energie unter Aus nutzung eines äußeren Pumplichtes erzeugt, während das ande re Element auf eine höhere Energiestufe unter Verwendung der erzeugten optoakustischen Energie als Pumpquelle angeregt wird.

Durch die Erfindung wird weiterhin eine Laservorrich tung geschaffen, die eine optische Faser, die einen Kern der mit einem ersten Metallion und einem zweiten Metallion mit verschiedenen Energiestufenunterschieden dotiert ist, und eine Hüllschicht aufweist, die um den Kern herum vorgesehen ist, zwei Spiegel, die vor und hinter der optischen Faser vorgesehen sind, um einen Resonanzbereich des Lasers zu bilden, und eine Pumplichtquelle umfaßt, die vor den beiden Spiegeln vorgesehen ist, um Pumplicht in den Resonanzbereich zu werfen, wobei eine optoakustische Energie vom ersten Metallion erzeugt wird, das durch das Pumplicht angeregt wird, und ein Elektron des zweiten Elementes durch die er zeugte optoakustische Energie so angeregt wird, daß es blau es und grünes Licht entsprechend einer Energieabsorption des Elektrons des zweiten Elementes erzeugt, wobei das blaue und grüne Licht in blaue und grüne Lichtstrahlen infolge einer Resonanz umgewandelt wird, die im Resonanzbereich auftritt.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B Energiestufen zur Darstellung des Prin zips der Frequenzheraufsetzung bei einem Halbleiterlaser nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Laserlicht er zeugenden Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer Faser eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 in einer graphischen Darstellung die Brechungs indexunterschiede der jeweiligen Bereiche der Faser von Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer Faser eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6 in einer graphischen Darstellung die Brechungs indexunterschiede der jeweiligen Bereiche der Faser von Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Schnittansicht einer Faser eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Schnittansicht einer Faser eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht einer Faser eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 10 in einer graphischen Darstellung die Brechungs indexunterschiede der jeweiligen Bereiche der Faser von Fig. 9,

Fig. 11 die Energiestufen eines Terbiumions gegenüber einem Ytterbiumion (Tb³⁺: Yb³⁺),

Fig. 12 in einer graphischen Darstellung die Wellenlän genverluste gegenüber der Wellenlänge einer terbium- und ytterbiumdotierten Faser,

Fig. 13 in einer graphischen Darstellung das Ausgangs spektrum bei einem Pumpen mit Infrarot licht einer Wellen länge von 980 nm gemäß der Erfindung und

Fig. 14 Energiestufen zur Darstellung des Grundprinzips eines Lasers mit Frequenzheraufsetzung.

Die Fig. 1A und 1B zeigen Energiestufen zur Darstellung des erfindungsgemäßen Grundprinzips der Erzeugung von Laser licht.

Wenn gemäß Fig. 1A ein starkes Pumplicht auf ein Elek tron auf der Grundenergiestufe E₀ fällt, wird das Elektron eines ersten Atomes, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus den seltenen Erden besteht, angeregt und auf die erste Ener giestufe E₁ angehoben. Infolge des instabilen Energiezustan des geht das Elektron dann wieder nach unten auf die Ener giestufe E₀. Aufgrund einer Energieabsorption im Verlauf des Übergangs des Elektrons auf die Grundenergiestufe E₀ wird eine erste Energie abgegeben. Die abgegebene Energie liegt als optische Energie in Form eines Photons oder als nicht leuchtende Energie in Form eines Photons vor. Gemäß der Erfindung wird das erste Atom so gewählt, daß sich eine nicht leuchtende Energie in Form eines Photons ergibt, die im folgenden als optoakustische Energie bezeichnet wird. Wie es in Fig. 1B dargestellt ist, wird die abgegebene erste Energie dem Elektron auf der Grundenergiestufe E₀ eines zwei ten Atoms übertragen, das aus einer Gruppe gewählt ist, die aus seltenen Erdelementen besteht, die andere Energiestufen haben. Das Elektron wird auf eine zweite Energiestufe E₂ angeregt, die höher als die erste Energiestufe E₁ liegt.

Dabei wird als zweites Atom ein Atom, das einen Ener giestufenunterschied hat, der größer als der des ersten Atomes ist, beispielsweise ein Atom gewählt, dessen Energie stufenunterschied um ein Vielfaches größer als der des er sten Atomes ist. Wie es in Fig. 1B dargestellt ist, erzeugt das angeregte Elektron, das für eine bestimmte Zeit auf einer hohen Energiestufe bleibt, eine Lichtenergie mit einer kürzeren Wellenlänge als der des ursprünglichen Pumplichtes, wenn es auf eine niedrige Energiestufe zurückkehrt.

Nach der Quantentheorie der Energiestufen kann das Elektron des zweiten Elementes durch eine optoakustische Energie, die vom Elektron des ersten Elementes erzeugt wird, auf eine höhere Energiestufe E₂ nur dann angehoben werden, wenn der Energiestufenunterschied des Elektrons des zweiten Elementes um ein Vielfaches größer als der des ersten Ele mentes ist.

Die Umsetzung vom Element 1 auf das Element 2 einer derartigen optischen Energie hängt vom Energieübertragungs material, beispielsweise vom Wirtmaterial der Faser und weniger von den Eigenschaften des Elementes selbst ab. Es ist allgemein bekannt, daß Silica einen höheren optoakusti schen Energieübertragungs- und -erzeugungswirkungsgrad als ein Fluorverbindungsmaterial hat. Der Grund dafür besteht darin, daß der Energiestufenunterschied von Silica größer als der von Fluor ist, was zu einer höheren optoakustischen Energie aus der Energieresonanz führt. Die vorliegende Er findung zeichnet sich daher dadurch aus, daß Silica als Wirtmaterial der Faser anstelle von Fluor verwandt wird, das bei den herkömmlichen Vorrichtungen benutzt wird. Gemäß der Erfindung kann als Wirtmaterial jedoch auch Silica verwandt werden, das mit wenigstens einem Element dotiert ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium, Fluor, Germa nium und Phosphor besteht.

Ein Dotierungselement zum Abgeben von optoakustischer Energie ist Yb³⁺ unter den seltenen Erdelementen. Als ein Element zum Erzeugen einer sekundären Energie, d. h. des gewünschten Lichtes im kurzen Wellenlängenband, ist Tb³⁺ unter den seltenen Erdelementen.

Ein derartiges Prinzip ist neu und steht im Gegensatz zu dem herkömmlichen Konzept der Erzeugung von Laserlicht. Das heißt, daß bei dem herkömmlichen Konzept der Erzeugung von Laserlicht durch Frequenzumwandlung ein zuerst angereg tes Elektron auf einer hohen Energiestufe für ein langes Zeitintervall (einige Millisekunden) bleiben muß, um es zum zweiten Mal anzuregen. Bei der vorliegenden Erfindung ist der wichtigste Aspekt darin zu sehen, daß die Energie des zuerst angeregten Elektrons in eine optoakustische Energie umgesetzt wird, während dieses schnell in den stabilen Zu stand zurückkehrt.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung werden zwei Arten von Atomen und ein Material zum Über tragen der Energie zwischen den beiden Atomen benötigt. Die Energiestufen der beiden Atome sollten verschieden sein, wie es oben beschrieben wurde und der Unterschied sollte das Zweifache oder ein Mehrfaches betragen. Es ist darüber hin aus wichtig, dafür zu sorgen, daß das Elektron des ersten Elementes, das zuerst angeregt wird, eine optoakustische Energie abgibt, um die Energie auf das zweite Element zu übertragen.

Weiterhin muß der folgende Aspekt berücksichtigt wer den, um Laserlicht zu erzeugen und den Wirkungsgrad der Laserlichterzeugung zu erhöhen, wenn das erfindungsgemäße Konzept angewandt wird.

Es ist zunächst erforderlich, das Dotierungsverhältnis der Dotierungselemente, beispielsweise Yb:Tb zu erhöhen, und das Dotierungsverhältnis zwischen diesen beiden Elementen zu optimieren sowie ein entsprechendes Verfahren dafür zu ent wickeln. Wichtig ist dabei nicht die Erzeugung des Laser lichtes unter Verwendung eines einzelnen Elementes, sondern die Dotierung des Elements in einem Maße soweit es möglich ist, da der Energieübertragungswirkungsgrad zwischen den beiden Elementen den Laserwirkungsgrad bestimmt. Darüber hinaus ist die Optimierung des Dotierungsverhältnisses zwi schen den beiden Elementen von Bedeutung. Die Optimierung erfolgt nach Maßgabe der Größen des Streuwirkungsquerschnit tes und des Absorptionswirkungsquerschnittes jedes Elementes und eine Wahl des Verhältnisses von 1:1 bis 1:100 ist mög lich. Unter den Ionen der seltenen Erden haben Terbium (Tb³⁺), Samarium (Sm³⁺) und Europium (Eu³⁺) ein Spektrum im kurzen Wellenlängenbereich (ultraviolett, blau und grün), so daß diese Ionen als Dotierungselemente zum Erzielen von blauem und grünem Laserlicht verwandt werden können. Der artige Ionen haben darüber hinaus einen großen Energiestu fenunterschied bezüglich Silica und werden daher wenig durch die Erzeugung optoakustischer Energie durch Silica beein flußt. Das hat zur Folge, daß eine Erzeugung von Laserlicht mit hoher Leistungsfähigkeit möglich ist.

Es ist zum zweiten erforderlich, den Energieübertra gungswirkungsgrad eines Mediummaterials und eines Faserauf baus zu verbessern. Die Wahl des Energieübertragungsmateri als ist sehr wichtig, um den Übertragungswirkungsgrad der optoakustischen Energie zu erhöhen. Selbst wenn ein Element derselben Art verwandt wird, hängt der Energieerzeugungs wirkungsgrad vom Energieübertragungsmaterial ab. Versuche haben ergeben, daß aufgrund der Tatsache, daß Silica einen höheren Energiestufenunterschied als Fluor hat, eine große Menge an Energie in optoakustische Energie umgewandelt wird, bevor der angeregte Zustand auf den Grundzustand zurück kehrt, wodurch sich ein ausgezeichneter Übertragungswir kungsgrad der optoakustischen Energie ergibt. Im Fall eines zweiten Pumpens unter Verwendung eines ersten Pumpens nimmt darüber hinaus im allgemeinen der Pumpwirkungsgrad ab, so daß eine Faserstruktur benötigt wird, die ein so starkes Pumpen wie möglich erlaubt.

Im folgenden werden spezielle Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausfüh rungsbeispiels einer Anordnung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer Ein-Moden- Laservorrichtung, d. h. einer optischen Faser, die bei der obigen Anordnung verwandt wird. Fig. 4 zeigt den Brechungs index an jedem Teil der optischen Faser.

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, liegt eine optische Faser 30 auf einer optischen Achse und sind ein erster und ein zweiter Spiegel 20 und 40 auf deren beiden Seiten vor gesehen. Eine Laserdiode 10 zum Einstrahlen von Pumplicht ist vor dem ersten Spiegel 20 angeordnet. Der erste Spiegel 20 läßt nur das Pumplicht durch und hat ein hohes Refle xionsvermögen bezüglich einer bestimmten kurzen Wellenlänge. Der zweite Spiegel 40 reflektiert das Pumplicht und läßt nur Licht mit der bestimmten kurzen Wellenlänge durch. Die Spie gel können im übrigen durch Beschichtungen ersetzt werden, die auf beiden Endflächen der optischen Faser 30 vorgesehen sind.

Wenn bei dem oben beschriebenen Aufbau Pumplicht in den Resonanzbereich durch die Laserdiode 10 eingestrahlt wird, dann tritt das Pumplicht im Resonanzbereich in eine Reso nanz. Dann wird das Pumplicht in Licht einer kurzen Wellen länge nach dem oben beschriebenen Prinzip umgewandelt, wäh rend es durch die optische Faser hindurchgeht. Das erzeugte Licht kurzer Wellenlänge wandert weiter in Einstrahlrichtung des Pumplichtes, tritt in Resonanz zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel 20 und 40 und wandelt sich in Laserlicht um, das über den zweiten Spiegel 40 austritt.

Wie es oben beschrieben wurde, erzeugt die optische Faser 30 aus dem eingestrahlten Pumplicht blaues und grünes Laserlicht. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ist die opti sche Faser 30 aus einem Kern 31, an dem sich das Pumplicht und das blaue und das grüne Laserlicht, das daraus erzeugt wird, fortpflanzen, und einer Hüllschicht 32 aufgebaut, die den Kern 31 umgibt, der einen Durchmesser von annähernd 0,5 µm bis 2000 µm hat. Die Hüllschicht 32 hat weiterhin einen Durchmesser von annähernd 10 µm bis 20000 µm. Die Hüll schicht 32 besteht aus einer Silicaverbindung und der Kern 31 besteht aus einem bestimmten Element, so daß das Silica als Wirt einen Brechungsindexunterschied bezüglich der Hüll schicht zeigt.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, sind der Kern 31 und die Hüllschicht 32 so aufgebaut, daß der Brechungsindex des Kerns 31 um 0,001 bis 0,1 größer als der Brechungsindex der Hüllschicht 32 ist. Ein derartig großer Unterschied im Bre chungsindex beschränkt das auf den Kern 31 gestrahlte Pump licht und das daraus erzeugte blaue und grüne Laserlicht derart, daß es nur innerhalb des Kerns 31 wellengeführt wird.

Der Kern einer derartigen optischen Faser sollte einen Durchmesser von Mikrometern haben, so daß das Laserlicht in einer einzigen Mode erzeugt werden kann. Das Einstrahlen eines starken Pumplichtes in das Innere eines in kritischer Weise reduzierten Kernes ist jedoch begrenzt.

Um dieses Problem zu lösen, wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eine optische Faser vorgeschlagen, die den in den Fig. 5 bis 9 dargestellten Aufbau des Quer schnitts hat. Ein derartiger Aufbau ist für die Erzeugung einer einzigen Mode geeignet. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, sind als Kern 31a anstelle des herkömmlichen Einzel kerns ein zweiter Kern 312a mit einem größeren Durchmesser als der herkömmliche Kern und ein erster Kern 311a mit einem kleineren Durchmesser als der herkömmliche Kern vorgesehen. Der Durchmesser des ersten Kerns liegt dabei im Bereich annähernd von 0,5 µm bis 10 µm und der Durchmesser des zwei ten Kerns 312a, der den ersten Kern 311a einschließt, liegt im Bereich von annähernd 10 µm bis 2000 µm. Anschließend ist die äußere Hüllschicht vorgesehen. Wie es in Fig. 6 darge stellt ist, hat der erste Kern 311a einen höheren Brechungs index als der zweite Kern 312a.

Wie es in Fig. 7 dargestellt ist, kann der Kern 31b in einem gewissen Grad von der Mitte der Hüllschicht 32b ab weichen. Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, ist es auch mög lich, die Form der Hüllschicht 32c in irgendeine andere Form, beispielsweise eine elliptische Form zu ändern. Die Erzeugung einer einzigen Mode kann jedoch nicht über eine einfache Änderung des Durchmessers oder der Form des Kerns erzielt werden. Der Kern 31c muß daher aus einem ersten und einem zweiten Kern gebildet sein, um in der oben beschriebe nen Weise eine Lichterzeugung in einer einzigen Mode zu erzielen.

Wie es in Fig. 10 dargestellt ist, sollte weiterhin der zweite Kern 312d einen niedrigeren Brechungsindex als der erste Kern 311d und die Hüllschicht 32d haben, so daß der erste und der zweite Kern 311d und 312d aus reinem Silica als Grundmaterial bestehen können. Da Silica selbst mit einem bestimmten Mediummaterial dotiert, keinen höheren Brechungsindex zeigt, besteht der erste Kern 311d aus reinem Silica und besteht der zweite Kern 312d aus Silica, das ein Material enthält, das den Brechungsindex herabsetzt. Der reine erste Kern 311d gemäß der Erfindung hat einen hohen Übertragungseffekt optischer Energie verglichen mit der herkömmlichen optischen Faser, deren Kern aus Silica und Germanium besteht. Die Ein-Moden-Lichterzeugung wird daher überhaupt nicht beeinträchtigt, da das erzeugte Laserlicht sich verträglich im Kern der optischen Faser in jedem Fall fortpflanzt.

Wie es oben beschrieben wurde, kann eine Laservorrich tung gemäß der Erfindung in verschiedenen Typen auf der Grundlage des oben beschriebenen Konzeptes ausgebildet sein. Das heißt, daß beim Dotieren verschiedener Elemente die Dotierungselemente in einer Gasphase oder flüssigen Phase vorliegen können und somit leicht gesteuert werden können. Darüber hinaus kann die Art des Mediummaterials ohne weite res geändert werden. Im Fall einer allgemeinen optischen Faser wird Silica als Grundmaterial aufgrund der Einfachheit des Herstellungsverfahrens und der ausgezeichneten optischen Eigenschaften verwandt. Bei der vorliegenden Erfindung wird Silica als Grundmaterial aufgrund des Vorteils im Herstel lungsverfahren und seiner ausgezeichneten Verwendung als Mediummaterial für optoakustische Energieübertragungen ver wandt, was einen wesentlichen Aspekt der Erfindung bildet.

Was den Unterschied in der Charakteristik der Übertra gung optischer Energie zwischen Silica und Fluor anbetrifft, so hat Silica allgemein eine Energieabsorptionslinie im langwelligen Band. Dementsprechend ist die zuerst angeregte Energiestufe, an der ein großes Maß an optischer Absorption bei einer langen Wellenlänge auftritt, ähnlich der Energie stufe von Silica. Eine Resonanzübertragung von optoakusti scher Energie tritt somit ohne weiteres auf. Fluor hat Ener giestufen längerer Wellenlänge und somit Energiestufen mit engeren Abständen als die zuerst angeregten Energiestufen, was zu engen Abständen unter den Elektronen eines Atoms auf der ersten Anregungsstufe führt. Optoakustische Energie wird daher nur in geringem Maße erzeugt.

Das hat zur Folge, daß das zuerst angeregte Elektron länger auf seiner höheren Stufe bleibt und somit der Laser wirkungsgrad eines herkömmlichen Lasers mit sekundär ange regter Frequenzerhöhung verstärkt wird. Gemäß der Erfindung verhindert jedoch das lange Verbleiben der Elektronen auf der zuerst angeregten Stufe die Erzeugung von optoakusti scher Energie. Die vorliegende Erfindung gleicht somit den Nachteil optischer Fasern aus, die Silica als Mediummaterial verwenden und für einen Laser mit sekundär angeregter Fre quenzerhöhung aufgrund einer Verkürzung der Lebensdauer eines Elektrons nicht benutzt wurden. Die vorliegende Erfin dung ist darüber hinaus ein Verfahren zum Erzeugen von Ein- Moden-Laserlicht, das für die optische Datenaufzeichnung vorteilhaft ist, während herkömmliche blaue und grüne Laser, die mit Fluor arbeiten, in verschiedenen Moden schwingen.

Eine optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Grundaufbau, bei dem eine optische Faser aus Tb³+:Yb³⁺ durch Abscheiden aus einer Lösung und durch modifi ziertes chemisches Aufdampfen gebildet wird. Was die Her stellung der optischen Faser anbetrifft, so wird das in weitem Umfang benutzte modifizierte chemische Aufdampfen bei vorliegender Erfindung verwandt und werden Terbium und Yt terbium zur Erzeugung von Laserlicht in Lösung von 20 ppm und 500 ppm jeweils in einen Kern dotiert.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Terbi um Tb³⁺ durch die optoakustische Energie gepumpt, das vom Ytterbium Yb³⁺, d. h. einem der seltenen Erdelemente erzeugt wird. Dabei hat Ytterbium ein starkes Absorptionsspektrum im nahen Infrarotbereich von 900 nm bis 1000 nm. Wenn Ytterbium gepumpt wird, indem eine Infrarotlaserdiode mit einer Wel lenlänge von 980 nm verwandt wird, dann wird ein Elektron (ein sog. Übertragungselektron) auf einer niedrigeren Ener giestufe (²F_7/2 in Fig. 11) auf eine höhere Energiestufe (²F_5/2) angeregt, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Wenn dabei die beiden Übertragungselektronen Energie nur auf ein Elektron übertragen (das sog. Empfangselektron), das die niedrigere Energie (⁷F₆) von Terbium hat, dann wird das Empfangselektron direkt auf eine höhere Energiestufe (⁵D₂ in Fig. 11) von Terbium angeregt. Das in dieser Weise angeregte Empfangs elektron bleibt im angeregten Zustand für annähernd zwei bis drei Millisekunden und kehrt auf eine niedrigere Energiestu fe zurück, wie es in Fig. 11 dargestellt ist, um dadurch Licht auszusenden. Experimente haben gezeigt, daß zu diesem Zeitpunkt Licht mit einer Wellenlänge von 540 nm in größter Menge erzeugt wird. Die Erzeugung von Laserlicht mit einer Wellenlänge von 500 nm ist somit möglich, indem eine Laser diode mit einer Wellenlänge von 980 nm verwandt wird. Ver glichen mit dem herkömmlichen Aufbau der Absorption im ange regten Zustand (ESA), macht das Pumpverfahren, das nach dem ESA-Prinzip arbeitet, mehrere Pumpvorgänge erforderlich, während bei der vorliegenden Erfindung ein direktes Pumpen aus einem Grundzustand in einen bestimmten Anregungszustand erfolgt.

Fig. 12 und 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Wie es in Fig. 12 dargestellt ist, erfolgt ein Absorptionsprozeß an einem Absorptionswellenlängenband von Tb³⁺ und Yb³⁺ durch jedes Ion und kann die Menge des dotierten Elementes durch das Maß an Verlust abgeschätzt werden. Wie es in Fig. 13 dargestellt ist, erfolgt ein Pumpen mit einer Laserdiode einer Wellenlänge von 980 nm und wird das Spek trum des ausgesandten Lichtes analysiert. Fig. 13 zeigt, daß eine Luminanz in größter Stärke bei 540 nm auftritt.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von blauem und grünem Laser licht, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Pumpen von Elektronen eines ersten Elementes auf eine erste Energiestufe unter Verwendung einer ersten Pumpener gie, um dadurch optoakustische Energie gemäß einer ersten Energieabsorption zu erhalten, und
Pumpen der Elektronen eines zweiten Elementes auf eine zweite Energiestufe, die höher als die erste Energiestufe ist, unter Verwendung der optoakustischen Energie als Pump quelle, wodurch blaues und grünes Laserlicht gemäß einer zweiten Energieabsorption erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Infrarotlichtstrahl als erste Pumpenergie verwandt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das erste und das zweite Element aus den sel tenen Erdelementen gewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ytterbium (Yb³⁺) und Terbium (Tb³⁺) als erstes und zweites Element jeweils verwandt werden.

5. Laservorrichtung mit einem Kern, der einen bestimm ten Brechungsindex hat und mit einem Element zum Erzeugen von Licht in einem Band einer bestimmten Wellenlänge mittels einer Energieabsorption dotiert ist, und mit einer Hüll schicht, die um den Kern herum vorgesehen ist und einen anderen Brechungsindex als der Kern hat, dadurch gekenn zeichnet, daß
der Kern mit einem ersten und einem zweiten Element dotiert ist, wobei das zweite Element einen höheren Energie stufenunterschied als das erste Element hat und durch die Energie angeregt wird, die vom ersten Element abgegeben wird.

6. Laservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Energiestufenunterschied des zweiten Ele mentes um ein ganzzeiliges Vielfaches wenigstens gleich zwei größer als der des ersten Elementes ist.

7. Laservorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Element aus den seltenen Erdelementen gewählt sind.

8. Laservorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß Ytterbium (Yb³⁺) und Terbium (Tb³⁺) das erste und das zweite Element jeweils sind.

9. Laservorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einen ersten Kern in seiner Mitte und einen zweiten Kern umfaßt, der den ersten Kern umgibt.

10. Laservorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste und der zweite Kern koaxial um die Mitte der Hüllschicht ausgebildet sind.

11. Laservorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Kern koaxial um die Mitte der Hüll schicht ausgebildet ist und daß der erste Kern in einem bestimmten Maß von der Mitte abweicht.

12. Laservorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllschicht einen elliptischen Quer schnitt hat.

13. Laservorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kern mit wenigstens zwei ver schiedenen Metallionen dotiert ist, die aus den seltenen Erdmetallen gewählt sind, um dadurch einen Ein-Moden-Aufbau zu erzielen.

14. Laservorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Kern mit wenigstens zwei verschiede nen Metallionen dotiert ist, die unter den seltenen Erdme tallen gewählt sind, um dadurch einen Ein-Moden-Aufbau zu erzielen.

15. Laservorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kern Silica als Grundmaterial haben.

16. Laservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kern aus Silica besteht, das mit wenig stens einem Element dotiert ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium, Fluor, Germanium und Phosphor be steht.

17. Laservorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kern einen Durchmesser von 0,5 bis 10 µm hat.

18. Laservorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kern einen Durchmes ser von 10 bis 2000 µm hat.

19. Laservorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kern mit wenigstens zwei verschiedenen Elementen dotiert ist, die aus den seltenen Erdelementen gewählt sind.

20. Laservorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden seltenen Erdelemente ein Dotie rungsverhältnis im Bereich von 1:1 bis 1:100 haben.

21. Vorrichtung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht mit
einer optischen Faser, die einen Kern, der mit einem ersten Metallion und einem zweiten Metallion dotiert ist, die verschiedene Energiestufenunterschiede haben, und eine Hüllschicht aufweist, die um den Kern herum vorgesehen ist,
zwei Spiegeln, die vor und hinter der optischen Faser vorgesehen sind, um einen Laserresonanzbereich zu bilden, und
einer Pumplichtquelle, die vor einem der beiden Spiegel vorgesehen ist, um ein Pumplicht in den Laserresonanzbereich einzustrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß
optoakustische Energie vom ersten Metallion erzeugt wird, das durch das Pumplicht angeregt wird, und ein Elek tron des zweiten Elementes durch die erzeugte optoakustische Energie angeregt wird, um blaues und grünes Licht gemäß einer Energieabsorption des Elektrons des zweiten Elementes zu erzeugen, und
daß das blaue und grüne Licht in blaue und grüne Laser lichtstrahlen aufgrund der Resonanz im Resonanzbereich umge wandelt wird.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, daß der erste und der zweite Spiegel dadurch gebildet sind, daß eine Überzugsschicht jeweils auf beiden Endflächen der optischen Faser vorgesehen ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, daß der Energiestufenunterschied des zweiten Elementes um ein ganzzahliges Vielfaches von wenigstens zwei größer als der des ersten Elementes ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungselemente aus den seltenen Erdelementen gewählt sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern einen ersten Kern in seiner Mitte und einen zweiten Kern umfaßt, der den ersten Kern umgibt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich net, daß der erste und der zweite Kern koaxial um die Mitte der Hüllschicht ausgebildet sind.

27. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeich net, daß der zweite Kern koaxial um die Mitte der Hüll schicht ausgebildet ist und der erste Kern in einem bestimm ten Maß von der Mitte abweicht.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch ge kennzeichnet, daß die Hüllschicht einen elliptischen Quer schnitt hat.

29. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch ge kennzeichnet, daß der erste Kern mit wenigstens zwei ver schiedenen Metallionen dotiert ist, die aus den seltenen Erdmetallen gewählt sind, um dadurch einen Ein-Moden-Aufbau zu erzielen.

30. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeich net, daß der erste Kern mit wenigstens zwei verschiedenen Metallionen dotiert ist, die aus den seltenen Erdmetallen gewählt sind, um dadurch einen Ein-Moden-Aufbau zu erzielen.

31. Vorrichtung nach Anspruch 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kern Silica als Grundmaterial haben.

32. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, daß der Kern aus Silica gebildet ist, das mit wenig stens einem Element dotiert ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium, Fluor, Germanium und Phosphor be steht.

33. Vorrichtung nach Anspruch 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kern einen Durchmesser von 0,5 bis 10 µm hat.

34. Vorrichtung nach Anspruch 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kern einen Durchmesser von 10 bis 2000 µm hat.

35. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeich net, daß der Kern mit wenigstens zwei verschiedenen Elemen ten dotiert ist, die aus den seltenen Erdelementen gewählt sind.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeich net, daß die beiden seltenen Erdelemente ein Dotierungsver hältnis im Bereich 1 : 1 bis 1 : 100 haben.