DE19517380B4

DE19517380B4 - Vorrichtung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht

Info

Publication number: DE19517380B4
Application number: DE19517380A
Authority: DE
Inventors: Seong-Joon Kim; Aleksander V. Belov; Won-ha Suwon 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: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2015-05-12
Also published as: GB9509598D0; DE19517380A1; GB2289369B; US5638394A; KR950034945A; GB2289369A; JPH08102565A; FR2719951B1; KR100243313B1; FR2719951A1

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht mit
– einer einen Laserresonanzbereich bildenden optischen Faser, die einen Kern und eine Hüllschicht aufweist, die den Kern umgibt,
– einem vor und hinter der optischen Faser jeweils vorgesehenem Spiegel und
– einer Pumplichtquelle, die vor einem der Spiegel angeordnet ist und Pumplicht in den Laserresonanzbereich einstrahlt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Spiegel jeweils als eine Überzugsschicht auf der Endfläche der optischen Faser ausgebildet sind und
– der Kern der optischen Faser mit ersten Metallionen und zweiten Metallionen dotiert ist, die verschiedene Energiestufendifferenzen aufweisen, wobei
– durch das Pumplicht die ersten Metallionen angeregt werden und die dadurch entstehende Vibrationsenergie des Wirtsgitters auf die zweiten Metallionen übertragen wird, wodurch diese so angeregt werden, dass blaues und grünes Licht erzeugt wird, das im Laserresonanzbereich in blaues und grünes Laserlicht umgewandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung, nämlich ein Faserlaser ist aus der WO93/16511 A1 bekannt.

Wenn bei der Erzeugung von Laserlicht ein starkes Pumplicht auf ein Atom trifft, dessen Elektronen auf den Grundenergiestufen 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 Lichtenergie 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 bezüglich 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 Wellenlänge des zur optischen Aufzeichnung benutzten Lichtes kürzer wird. Es können auf einem begrenzten Bereich der bestehenden Aufzeichnungsträger, die gegenwärtig benutzt werden, daher weitaus mehr Daten aufgezeichnet werden. Zu diesem Zweck ist Licht mit einer kurzen Wellenlänge und guter Interferenz wünschenswert. Als Lichtquelle werden daher hauptsächlich Laserdioden benutzt.

Laserdioden mit kurzer Wellenlänge sind in verschiedenen Arten entwickelt worden. Es werden jedoch in weitem Umfang Halbleiterlaserdioden benutzt, da eine optimale Miniaturisierung gefordert wird.

Die gegenwärtig benutzten Halbleiterlaser arbeiten im Infrarotbereich und erzeugen Licht mit einer langen Wellenlänge. Das hat zur Folge, dass die erzielbare Zunahme in der Aufzeichnungsdichte bezüglich eines gegebenen Aufzeichnungsträgers 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 Einrichtungen entwickelt worden, die die zweite harmonische Oberwelle erzeugen, wobei ein Laserlicht mit langer Wellenlänge 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 harmonischen Oberwelle die Wellenlänge des erzeugten infraroten Lichtes unter Verwendung eines nichtlinearen optischen Materials 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 harmonischen 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 Frequenzheraufsetzung 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 Wellenlänge zu erzeugen.

Eine derartige Laservorrichtung mit Frequenzheraufsetzung macht von einer zweiten Energieabsorption durch ein Pumplicht eines Elektrons im angeregten Zustand Gebrauch.

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 Lasereinrichtungen untersucht, die Fluoridfasern verwenden. Im Fall einer Laservorrichtung mit Frequenzheraufsetzung, die mit einer Absorption auf einen zweiten angeregten Zustand arbeitet, wurden vom Standpunkt des Aufbaus oder des Wirkungsgrades zahlreiche Entwicklungen durchgeführt, wie es in der US-PS 5 299 215 beschrieben ist. Es wurde jedoch als Grundmaterial ein Fluormaterial verwandt, das schwierig in Faserform 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 einschließt, um das Grundfasermaterial herzustellen. Die Steuerung 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 weiterhin schwer, ein Laserlicht mit einer einzigen Mode unter Verwendung von Elementen zu erhalten, die ein derartiges Grundmaterial verwenden, was auf den strukturellen Beschränkungen beruht, die oben beschrieben wurden.

Derartige Anregungsmechanismen unter Ausnutzung von Vibrationsenergie des Gitters, auf das die optische Anregungsenergie über strahlungslose Prozesse übergeht, aus Seltenen-Erd-Stoff-Systemen mit verschiedenen aber auch mit gleichen Elementen sind aus der EP 0 549 899 A1 bekannt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, eine Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die es ermöglicht, ein starkes Pumplicht in den Kern einzustrahlen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Patentanspruch 1 angegeben ist.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 15.

Im Folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
1A und 1B Energiestufen zur Darstellung des Prinzips der Frequenzheraufsetzung bei einem Halbleiterlaser,
2 eine schematische Ansicht einer Laserlicht erzeugende Vorrichtung,
3 eine schematische Schnittansicht einer Faser für die in 2 dargestellte Vorrichtung,
4 in einer graphischen Darstellung die Brechungsindexunterschiede der jeweiligen Bereiche der Faser von 3,
5 eine schematische Schnittansicht einer Faser eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
6 in einer graphischen Darstellung die Brechungsindexunterschiede der jeweiligen Bereiche der Faser von 5,
7 eine schematische Schnittansicht einer Faser eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
8 eine schematische Schnittansicht einer Faser noch eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
9 eine schematische Schnittansicht einer Faser noch eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
10 in einer graphischen Darstellung die Brechungsindexunterschiede der jeweiligen Bereiche der Faser von 9 und
11 die Energiestufen eines Terbiumions gegenüber einem Ytterbiumion (Tb³⁺:Yb³⁺).
Die 1A und 1B zeigen Energiestufen zur Darstellung des Grundprinzips der Erzeugung von Laserlicht.
Wenn gemäß 1A ein starkes Pumplicht auf ein Elektron auf der Grundenergiestufe E₀ fällt, wird das Elektron eines ersten Atoms, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus den Seltenen-Erden besteht, angeregt und auf die erste Energiestufe E₁ angehoben. Infolge des instabilen Energiezustandes geht das Elektron dann wieder nach unten auf die Energiestufe E₀. Aufgrund einer Energieabsorption im Verlauf des Übergangs des Elektrons auf die Grundenergiestufe E₀ wird eine erste Energie abgegeben. Die abgegebene Energie liegt als Vibrationsenergie des Wirtsgitters vor. Wie es in 1B dargestellt ist, wird die abgegebene erste Energie dem Elektron auf der Grundenergiestufe E₀ eines zweiten Atoms übertragen, das aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Seltenen-Erd-Elementen 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 Energiestufenunterschied hat, der größer als der des ersten Atoms ist, beispielsweise ein Atom gewählt, dessen Energiestufenunterschied um ein Vielfaches größer als der des ersten Atoms ist. Wie es in 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 Vibrationsenergie, 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 Elementes ist.
Die Umsetzung vom Element 1 auf das Element 2 hängt vom Energieübertragungsmaterial, beispielsweise vom Wimaterial der Faser und weniger von den Eigenschaften des Elementes selbst ab. Es ist allgemein bekannt, dass Silica einen höheren 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 Vibrationsenergie aus der Energieresonanz führt. Es wird Silica als Wirtmaterial der Faser anstelle von Fluor verwandt, das bei den herkömmlichen Vorrichtungen benutzt wird. Als Wirtmaterial jedoch auch Silica verwandt werden, das mit wenigstens einem Element dotiert ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium, Fluor, Germanium und Phosphor besteht.
Ein Dotierungselement zum Abgeben von Vibrationsenergie ist Yb³⁺ unter den Seltenen-Erd-Elementen. Als ein Element zum Erzeugen einer sekundären Energie, d.h. des gewünschten Lichtes im kurzen Wellenlängenband, ist Tb³⁺ unter den Seltenen-Erd-Elementen.
Bei einem herkömmlichen Konzept der Erzeugung von Laserlicht durch Frequenzumwandlung muss ein zuerst angeregtes Elektron auf einer hohen Energiestufe für ein langes Zeitintervall (einige Millisekunden) bleiben, um es zum zweiten Mal anzuregen. Bei dem vorliegenden Konzept ist ein wichtigster Aspekt darin zu sehen, dass die Energie des zuerst angeregten Elektrons in eine Vibrationsenergie umgesetzt wird, während dieses schnell in den stabilen Zustand zurückkehrt.
Es werden zwei Arten von Atomen und ein Material zum Übertragen 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 hinaus wichtig, dafür zu sorgen, dass das Elektron des ersten Elementes, das zuerst angeregt wird, eine Vibrationsenergie abgibt, um die Energie auf das zweite Element zu übertragen.
Weiterhin muss der folgende Aspekt berücksichtigt werden, um Laserlicht zu erzeugen und den Wirkungsgrad der Laserlichterzeugung zu erhöhen.
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 entwickeln. Wichtig ist dabei nicht die Erzeugung des Laserlichtes unter Verwendung eines einzelnen Elementes, sondern die Dotierung des Elements in einem möglichst hohen Maß, da der Energieübertragungswirkungsgrad zwischen den beiden Elementen den Laserwirkungsgrad bestimmt. Darüber hinaus ist die Optimierung des Dotierungsverhältnisses zwischen den beiden Elementen von Bedeutung. Die Optimierung erfolgt nach Maßgabe der Größen des Streuwirkungsquerschnittes und des Absorptionswirkungsquerschnittes jedes Elementes und eine Wahl des Verhältnisses von 1:1 bis 1:100 ist möglich. 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. Derartige Ionen haben darüber hinaus einen großen Energiestufenunterschied bezüglich Silica und werden daher wenig durch die Erzeugung der Vibrationsenergie durch Silica beeinflusst. Das hat zur Folge, dass eine Erzeugung von Laserlicht mit hoher Leistungsfähigkeit möglich ist.
Es ist zum zweiten erforderlich, den Energieübertragungswirkungsgrad eines Mediummaterials und eines Faseraufbaus zu verbessern. Die Wahl des Energieübertragungsmaterials ist sehr wichtig, um den Übertragungswirkungsgrad der Vibrationsenergie zu erhöhen. Selbst wenn ein Element derselben Art verwandt wird, hängt der Energieerzeugungswirkungsgrad vom Energieübertragungsmaterial ab. Versuche haben ergeben, dass aufgrund der Tatsache, dass Silica einen höheren Energiestufenunterschied als Fluor hat, eine große Menge an Energie in Vibrationsenergie umgewandelt wird, bevor der angeregte Zustand auf den Grundzustand zurückkehrt, wodurch sich ein ausgezeichneter Übertragungswirkungsgrad der Vibrationsenergie 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.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht. 3 zeigt eine Schnittansicht einer Ein-Moden-Laservorrichtung, d.h., einer optischen Faser, die dabei verwandt wird. 4 zeigt den Brechungsindex an jedem Teil der optischen Faser.
Wie es in 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 vorgesehen. 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 Reflexionsvermögen bezüglich einer bestimmten kurzen Wellenlänge. Der zweite Spiegel 40 reflektiert das Pumplicht und lässt nur Licht mit der bestimmten kurzen Wellenlänge durch. Die Spiegel 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 Resonanz. Dann wird das Pumplicht in Licht einer kurzen Wellenlänge nach dem oben beschriebenen Prinzip umgewandelt, während 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 3 dargestellt ist, ist die optische 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 Hüllschicht 32 besteht aus einer Silicaverbindung und der Kern 31 besteht aus einem bestimmten Element, so dass das Silica als Wirt einen Brechungsindexunterschied bezüglich der Hüllschicht zeigt.
Wie es in 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 Brechungsindex beschränkt das auf den Kern 31 Bestrahlte Pumplicht 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 gemäß der Erfindung eine optische Faser vorgeschlagen, die den in den 5 bis 9 dargestellten Aufbau des Querschnitts hat. Ein derartiger Aufbau ist für die Erzeugung einer einzigen Mode geeignet. Wie es in 5 dargestellt ist, sind als Kern 31a anstelle des herkömmlichen Einzelkerns 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 zweiten 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 6 dargestellt ist, hat der erste Kern 311a einen höheren Brechungsindex als der zweite Kern 312a.
Wie es in 7 dargestellt ist, kann der Kern 31b in einem gewissen Grad von der Mitte der Hüllschicht 32b abweichen. Wie es in 8 dargestellt ist, ist es auch möglich, 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 beschriebenen Weise eine Lichterzeugung in einer einzigen Mode zu erzielen.
Wie es in 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 Laservorrichtung 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 weiteres geändert werden. Im Fall einer allgemeinen optischen Faser wird Silica als Grundmaterial auf Grund der Einfachheit des Herstellungsverfahrens und der ausgezeichneten optischen Eigenschaften verwandt. Bei der vorliegenden Erfindung wird Silica als Grundmaterial aufgrund des Vorteils im Herstellungsverfahren und seiner ausgezeichneten Verwendung als Mediummaterial für Vibrationsenergieübertragungen verwandt, was einen wesentlichen Aspekt der Erfindung bildet.
Was den Unterschied in der Charakteristik der Übertragung 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 Energiestufe von Silica. Eine Resonanzübertragung von Vibrationsenergie tritt somit ohne weiteres auf. Fluor hat Energiestufen 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. Vibrationsenergie 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 Laserwirkungsgrad eines herkömmlichen Lasers mit sekundär angeregter Frequenzerhöhung verstärkt wird. Das lange Verbleiben der Elektronen auf der zuerst angeregten Stufe verhindert die Erzeugung von Vibrationsenergie. Somit wird der Nachteil optischer Fasern ausgeglichen, die Silica als Mediummaterial verwenden und für einen Laser mit sekundär angeregter Frequenzerhöhung aufgrund einer Verkürzung der Lebensdauer eines Elektrons nicht benutzt wurden.
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 modifiziertes chemisches Aufdampfen gebildet wird. Was die Herstellung der optischen Faser anbetrifft, so wird das in weitem Umfang benutzte modifizierte chemische Aufdampfen verwandt und werden Terbium und Ytterbium zur Erzeugung von Laserlicht in Lösung von 20 ppm und 500 ppm jeweils in einen Kern dotiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Terbium Tb³⁺ durch die Vibrationsenergie gepumpt, die von Ytterbium Yb³⁺, d.h., einem der Seltenen-Erd-Elemente 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 Wellenlänge von 980 nm verwandt wird, dann wird ein Elektron (ein sog. Übertragungselektron) auf einer niedrigeren Energiestufe (²F_7/2 in 11) auf eine höhere Energiestufe (²F_5/2) angeregt, wie es in 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 11) von Terbium angeregt. Das in dieser Weise angeregte Empfangselektron bleibt im angeregten Zustand für annähernd zwei bis drei Millisekunden und kehrt auf eine niedrigere Energiestufe zurück, wie es in 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 Laserdiode mit einer Wellenlänge von 980 nm verwandt wird. Verglichen mit dem herkömmlichen Aufbau der Absorption im angeregten Zustand (ESA), macht das Pumpverfahren, das nach dem ESA-Prinzip arbeitet, mehrere Pumpvorgänge erforderlich, während bei dem vorliegenden Prinzip ein direktes Pumpen aus einem Grundzustand in einen bestimmten Anregungszustand erfolgt.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von blauem und grünem Laserlicht mit – einer einen Laserresonanzbereich bildenden optischen Faser, die einen Kern und eine Hüllschicht aufweist, die den Kern umgibt, – einem vor und hinter der optischen Faser jeweils vorgesehenem Spiegel und – einer Pumplichtquelle, die vor einem der Spiegel angeordnet ist und Pumplicht in den Laserresonanzbereich einstrahlt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spiegel jeweils als eine Überzugsschicht auf der Endfläche der optischen Faser ausgebildet sind und – der Kern der optischen Faser mit ersten Metallionen und zweiten Metallionen dotiert ist, die verschiedene Energiestufendifferenzen aufweisen, wobei – durch das Pumplicht die ersten Metallionen angeregt werden und die dadurch entstehende Vibrationsenergie des Wirtsgitters auf die zweiten Metallionen übertragen wird, wodurch diese so angeregt werden, dass blaues und grünes Licht erzeugt wird, das im Laserresonanzbereich in blaues und grünes Laserlicht umgewandelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestufenunterschied der zweiten Metallionen um ein ganzzahliges Vielfaches, wenigstens um das Zweifache, größer als der der ersten Metallionen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallionen aus den seltenen Erdelementen gewählt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern einen ersten Kernteil in seiner Mitte und einen zweiten Kernteil umfasst, der den ersten Kernteil umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kernteil koaxial um die Mitte der Hüllschicht ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kernteil koaxial um die Mitte der Hüllschicht ausgebildet ist und der erste Kernteil in einem bestimmten Maß von der Mitte abweicht.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllschicht einen elliptischen Querschnitt hat.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kernteil mit wenigstens zwei verschiedenen Metallionen dotiert ist, die aus den seltenen Erdmetallen gewählt sind, um dadurch einen Ein-Moden-Aufbau zu erzielen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kernteil mit wenigstens zwei verschiedenen Metallionen dotiert ist, die aus den seltenen Erdmetallen gewählt sind, um dadurch einen Ein-Moden-Aufbau zu erzielen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Kernteil Silica als Grundmaterial haben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus Silica gebildet ist, das mit wenigstens einem Element dotiert ist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium, Fluor, Germanium und Phosphor besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kernteil einen Durchmesser von 0,5 bis 10 μm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kernteil einen Durchmesser von 10 bis 2000 μm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern mit wenigstens zwei verschiedenen Elementen dotiert ist, die aus den seltenen Erdelementen gewählt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden seltenen Erdelemente ein Dotierungsverhältnis im Bereich 1:1 bis 1:100 haben.