DE19610433C2 - Luminescent glass and method of making and using this glass - Google Patents

Luminescent glass and method of making and using this glass

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Description

Die Erfindung betrifft lumineszierende Gläser, die insbesondere für Anwen­ dungen in der Optik, der integrierten Optik, der Optoelektronik und der Lasertechnik nutzbar sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to luminescent glasses, in particular for users applications in optics, integrated optics, optoelectronics and Laser technology can be used, according to the preamble of claim 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung dieser Gläser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The invention further relates to a method for producing these glasses according to the preamble of claim 6.

Die Erfindung betrifft weiterhin Anwendungen dieser Gläser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The invention further relates to applications of these glasses according to the Preamble of claim 11.

Die Möglichkeit der Erzeugung von Laserstrahlung mittels Selten-Erdion (SE)-dotierter Gläser ist seit 1961 bekannt (E. Snitzer; Optical Maser Action of Nd3+ in a Barium Crown Glass, Phys. Rev. Lett. 7, 444-446 (1961)). Außerdem ist bekannt, daß die Selten-Erdionen in Gläsern - im Gegensatz zu SE-dotierten Kristallen - eine inhomogene Platzverteilung besitzen (J. Wong, C. A. Angell, Glass - structure by spectroscopy, Marcel Dekker (1976)). Naturgemäß zeigen daher die SE-Absorptions- bzw. Emissionsübergänge eine inhomogene Verbreiterung (M. J. Weber (ed), CRC Handbook of Laser Science and Technology, Vol. IV, Optical Materials, CRC Press Boca Raton, FL (1986)). Dies führt wiederum zu kleineren stimulierten Emissions­ querschnitten und höherer Laserschwelle in Gläsern. Unter speziellen Umständen kann dieser Nachteil aber auch genutzt werden: eine breite inhomogene Laserlinie dient der Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse hoher Pulsleistung (W. Koechner; Solid State Laser Engineering, Springer New York (1992). The possibility of generating laser radiation by means of rare earth ion (SE) -doped glasses has been known since 1961 (E. Snitzer; Optical Maser Action of Nd 3+ in a Barium Crown Glass, Phys. Rev. Lett. 7, 444-446 ( 1961)). It is also known that the rare earth ions in glasses - in contrast to SE-doped crystals - have an inhomogeneous space distribution (J. Wong, CA Angell, Glass - structure by spectroscopy, Marcel Dekker (1976)). Naturally, therefore, the SE absorption or emission transitions show an inhomogeneous broadening (MJ Weber (ed), CRC Handbook of Laser Science and Technology, Vol. IV, Optical Materials, CRC Press Boca Raton, FL (1986)). This in turn leads to smaller stimulated emission cross sections and higher laser thresholds in glasses. This disadvantage can also be used in special circumstances: a broad inhomogeneous laser line is used to generate ultra-short laser pulses with high pulse power (W. Koechner; Solid State Laser Engineering, Springer New York (1992).

Gläser besitzen eine geringere Wärmeleitung als Kristalle, so daß Glaslaser üblicherweise nur im Impulsbetrieb eingesetzt werden können. Anderenfalls besteht die Gefahr des thermisch-mechanischen Bruchs. In Abhängigkeit von der Anregungsintensität, von der Pumpgeometrie und unter anderem von den jeweiligen Kühlungsbedingungen werden typischerweise Impulsfolge­ frequenzen nicht größer etwa 10 Hz erreicht. Es muß gewährleistet werden, daß der nicht als Laserenergie verwendbare Anteil der Anregungsenergie (Verlustwärme durch strahlungslose Deaktivierung) an das umgebende Medium abgegeben werden kann. Zum Beispiel spezielle Er3+-Glaslaser können auch kontinuierlich (cw) betrieben werden, wenn die strahlungslosen Deaktivierungsprozesse minimiert (D. Ehrt, W. Seeber, E. Heumann, M. Ledig; Sensibilisierte Erbiumgläser hoher Effizienz für die Lasertechnik, Patent DD C03C/260 18 A1 (16. 11. 1988)) und die Wärmeabführung optimiert ist. Auch ist z. B. der geringe Quantendefekt des Yb3+-Lasers (Absorptions­ bande um 970 nm, Emissionsbande um 1040 nm) gut bekannt und wurde jüngst zur Realisierung effizienter Yb-Laser auf der Basis von Fluorapatit- Kristallen genutzt. (z. B. L. D. DeLoach, S. A. Payne, L. K. Smith, W. L. Kway and W. F. Krupke; J. Opt. Soc. Am. B. 11 (1994) 269 und S. A. Payne, L. K. Smith, L. D. DeLoach, W. L. Kway, J. B. Tassan o and WF Krupke; IEEE J Quantum Eectron. QE-30 (1994) 170). Die Herstellung dieser Kristalle in hoher optischer Qualität und in Volumina < 1 cm3 bereitet Probleme. Bisher veröffentlichte Experimente nennen Kristallabmessungen < 1 cm (z. B. S. A. Payne, L. K Smith, L. D. DeLoach, W. L. Kway, J. B. Tassano and W. F Krupke; IEEE J. Quantum Eectron. QE-30 (1994) 170). Außerdem ist üblicherweise die Bearbeitung von Kristallen schwieriger als die von Gläsern. Laseraktivität bei Raumtemperatur wurde beispielsweise in Yb-dotierten Phosphatgläsern gezeigt (U. Griebner, R. Koch, H Schönnagel, S. Jiang, M. J. Myers, D. Rhonehouse, S. J. Hamlin, W. A. Clarkson, D. C. Hanna; Laser performance of new ytterbium doped phosphate laser glass, ASSL 1996). In diesen Materialien wurde als bisher höchster differentieller Wirkungsgrad 43% bei einer Schwelle von ca. 190 mW erreicht. Phosphatgläser zeigen allerdings naturgemäß eine verstärkte Neigung OH-Baugruppen einzubauen, die bekanntermaßen lumineszenzlöschende Eigenschaften besitzen. Bedingt durch eine vorteilhafte Fasergeometrie konnte mittels Yb-dotierter Silicatglasfasern 77% differentieller Wirkungsgrad erzielt werden (D. C. Hanna, R. M. Percival, I. R. Perry, G. S. Smart, P. J. Suni and A. C. Tropper; J. Mod. Opt. 37 (1990)), die Einkopplung von Anregungslicht in die Faser ist jedoch kompliziert und die erreichbare Laserausgangsleistung begrenzt. In Fluorid-Phosphatgläsern wurden bei Anregung mittels Ti-Saphirlaser und 3% Auskopplung ca. 41% differentieller Wirkungsgrad bei Schwellen­ energien um 145 mW erreicht (E. Mix, E. Heumann, G. Huber, D. Ehrt, W. Seeber; Adv. Solid State-Lasers, Memphis, TN, Tech. Dig., WB 5-1 (1995) 230).Glasses have less heat conduction than crystals, so that glass lasers can usually only be used in pulse mode. Otherwise there is a risk of thermal-mechanical breakage. Depending on the excitation intensity, on the pump geometry and, among other things, on the respective cooling conditions, pulse train frequencies are typically not greater than about 10 Hz. It must be ensured that the portion of the excitation energy that cannot be used as laser energy (heat loss due to radiation-free deactivation) can be released to the surrounding medium. For example, special Er 3+ glass lasers can also be operated continuously (cw) if the radiationless deactivation processes are minimized (D. Ehrt, W. Seeber, E. Heumann, M. Ledig; Sensitized erbium glasses with high efficiency for laser technology, patent DD C03C / 260 18 A1 (16. 11. 1988)) and the heat dissipation is optimized. Also z. B. the small quantum defect of the Yb 3+ laser (absorption band around 970 nm, emission band around 1040 nm) is well known and has recently been used to realize efficient Yb lasers based on fluoroapatite crystals. (e.g. BLD DeLoach, SA Payne, LK Smith, WL Kway and WF Krupke; J. Opt. Soc. Am. B. 11 (1994) 269 and SA Payne, LK Smith, LD DeLoach, WL Kway, JB Tassan o and WF Krupke; IEEE J Quantum Eectron. QE-30 (1994) 170). The production of these crystals in high optical quality and in volumes <1 cm 3 causes problems. Experiments published so far call crystal dimensions <1 cm (e.g. BSA Payne, L. K Smith, LD DeLoach, WL Kway, JB Tassano and W. F Krupke; IEEE J. Quantum Eectron. QE-30 (1994) 170). In addition, the processing of crystals is usually more difficult than that of glasses. Laser activity at room temperature has been shown, for example, in Yb-doped phosphate glasses (U. Griebner, R. Koch, H Schönnagel, S. Jiang, MJ Myers, D. Rhonehouse, SJ Hamlin, WA Clarkson, DC Hanna; Laser performance of new ytterbium doped phosphate laser glass, ASSL 1996). In these materials, the highest differential efficiency so far was 43% at a threshold of approx. 190 mW. However, phosphate glasses naturally show an increased tendency to incorporate OH assemblies, which are known to have luminescence-quenching properties. Due to an advantageous fiber geometry, 77% differential efficiency could be achieved using Yb-doped silicate glass fibers (DC Hanna, RM Percival, IR Perry, GS Smart, PJ Suni and AC Tropper; J. Mod. Opt. 37 (1990)), the coupling however, excitation light into the fiber is complicated and the achievable laser output is limited. In fluoride-phosphate glasses, excitation by means of Ti-sapphire laser and 3% decoupling achieved approx. 41% differential efficiency at threshold energies around 145 mW (E. Mix, E. Heumann, G. Huber, D. Ehrt, W. Seeber; Adv Solid State Lasers, Memphis, TN, Tech. Dig., WB 5-1 (1995) 230).

Durch Reduzierung des Phosphatgehalts in diesen Gläsern konnte der Wirkungsgrad in einem Glas mit 2 Mol-% Phosphat auf ca. 55% erhöht werden. Der reduzierte Phosphatgehalt verschlechterte jedoch die Glasbildungstendenz und die optische Qualität. Außerdem wurde ein Anstieg der Schwellenenergie auf ca. 230 mW beobachtet.By reducing the phosphate content in these glasses, the Efficiency in a glass with 2 mol% phosphate increased to approx. 55% become. However, the reduced phosphate content worsened the Glass formation tendency and the optical quality. There was also an increase the threshold energy observed at about 230 mW.

Der Einfluß der konkreten lokalen Struktur eingebauter Selten-Erdionen, das heißt deren ersten und zweiten Koordinationssphäre, auf die Lage von Energieniveaus, Übergangswahrscheinlichkeiten sowie letztlich auf Lasereigenschaften war und ist Gegenstand intensiver Forschung (z. B. S. E. Stokowski, R. A. Saroyan and M. J. Weber; Nd-doped laser glasses/ Spectroscopic and physical properties, LLL University of California, Livermore (1981) und L. D. De Loach, S. A. Payne, L. L. Chase, L. K. Smith, W. L. Kway and W. F. Krupke; IEEE J. Quantum Electron. QE-29 (1993) 1179). So wird die elektronische Lage des terminalen Yb-Laserniveaus in Fluorapatitkristallen in Zusammenhang mit Elektron-Phonon-Wechsel­ wirkungsprozessen unter Einbeziehung geeigneter Phononen gebracht. Über eine Variation der Lokalstruktur von Fluorid-Phosphatgläsern mit dem Ziel einer effektiven Ankopplung von Phononen an die elektronischen Übergänge, speziell des Ytterbiumions, gibt es jedoch keine Hinweise.The influence of the concrete local structure of built-in rare earth ions, the is called their first and second coordination sphere, based on the position of Energy levels, transition probabilities as well as ultimately on Laser properties was and is the subject of intensive research (e.g. S.E. Stokowski, R.A. Saroyan and M.J. Weber; Nd-doped laser glasses / Spectroscopic and physical properties, LLL University of California, Livermore (1981) and L.D. De Loach, S.A. Payne, L.L. Chase, L.K. Smith, W.L. Kway and W.F. Krupke; IEEE J. Quantum Electron. QE-29 (1993)  1179). The electronic position of the terminal Yb laser level in Fluorapatite crystals in connection with electron-phonon changes effects processes with the inclusion of suitable phonons. about a variation of the local structure of fluoride-phosphate glasses with the aim an effective coupling of phonons to the electronic transitions, especially of the ytterbium ion, however, there is no evidence.

Es ist z. B. gemäß DE-OS 36 34 676 bekannt, Spezialgläser auf Fluorid- Phosphat-Basis herzustellen. Diese Gläser sind durch Brechzahlen ne = 1,47 - 1,50 sowie Abbe-Zahlen ve = 85 - 80 gekennzeichnet und wurden mit dem Ziel einer extremen optischen Lage im ne-ve-Diagramm entwickelt. Eine gezielte Variation der Lokalstruktur zur Verbesserung von Lumineszenz- bzw. Lasereigenschaften dieser Gläser ist nicht erfolgt.It is Z. B. according to DE-OS 36 34 676 known to manufacture special glasses based on fluoride-phosphate. These glasses are characterized by refractive indices n e = 1.47 - 1.50 and Abbe numbers v e = 85 - 80 and were developed with the aim of an extreme optical position in the n e -v e diagram. There was no targeted variation of the local structure to improve the luminescence or laser properties of these glasses.

In Silikattechnik 41(1990), Heft 7, S. 230-233 wurden Lasermaterialien auf der Basis von Fluorid-Phosphat-Gläsern vorgestellt, indem über ein allgemeines Modell bezüglich der Hauptstrukturträger ((Fluorometallat- Ketten) in Fluorid-Phosphatgläsern berichtet wurde. In den dort untersuchten Gläsern kommt es jedoch ebenfalls nicht zur Ausbildung einer speziellen Lokalstruktur der SE-Ionen, verbunden mit einer angepaßten, vorteilhaften Elektron-Phonon-Wechselwirkung.Laser materials were found in Silikattechnik 41 (1990), No. 7, pp. 230-233 the base of fluoride-phosphate glasses presented by a general model regarding the main structural supports ((fluorometallate Chains) in fluoride-phosphate glasses. In those examined there However, glasses do not form a special one either Local structure of the SE ions, combined with an adapted, advantageous Electron-phonon interaction.

Es ist darüber hinaus bekannt (z. B. DD 262 017 A1, DD 262 018 A1), sogenannte Sensibilisator-Ionen (z. B. Cr3+, Mn2+) in Fluorid-Phosphat-Gläser definierter Zusammensetzung einzubauen, um über Energietransferprozesse vom Sensibilisatorion zum Laserion die Lasereffizienz zu erhöhen. Diese verbesserte Ausnutzung des Pumplichtes von Laseranordnungen wirft aber andererseits auch Probleme auf, da gegenläufige Deaktivierungsprozesse zur Lumineszenzlöschung führen können.It is also known (e.g. DD 262 017 A1, DD 262 018 A1) to incorporate so-called sensitizer ions (e.g. Cr 3+ , Mn 2+ ) in fluoride-phosphate glasses with a defined composition in order to Energy transfer processes from sensitization to laser ion to increase laser efficiency. On the other hand, this improved utilization of the pump light from laser arrangements also poses problems, since opposing deactivation processes can lead to quenching of the luminescence.

In der DE 38 01 844 A1 wird ein Verfahren vorgestellt, mit dessen Hilfe ein Fluorphosphatglas mit einem Gesamtoxidgehalt von 5 bis 30% (kationischer Prozentsatz) hergestellt werden soll. Unter dem Terminus Fluorphosphatglas wird allgemein ein Material verstanden, dessen Struktur durch Fluorophosphate, z. B. PO3F-, geprägt ist, d. h. es existieren P-F-Bindungen in diesem Glas. Für die Realisierung einer SE-Lokalstruktur mit vorteilhafter Elektron-Phonon-Wechselwirkung sind diese Bindungen ungeeignet und müssen vermieden werden. Hierfür ist ebenfalls der Einbau von YF3 nachteilig.DE 38 01 844 A1 presents a method by means of which a fluorophosphate glass with a total oxide content of 5 to 30% (cationic percentage) is to be produced. The term fluorophosphate glass is generally understood to mean a material whose structure is influenced by fluorophosphates, e.g. B. PO 3 F - , is embossed, ie there are PF bonds in this glass. These bonds are unsuitable for the realization of an SE local structure with an advantageous electron-phonon interaction and must be avoided. The installation of YF 3 is also disadvantageous for this.

Ferner sind optische Gläser mit extrem hoher anomaler Teildispersion bekannt (z. B. DE 30 44 240 C2), die keinerlei Laserionen (z. B. Yb3+ oder Nd3+) enthalten. Damit können diese Gläser auch keine SE-Ionen- Lumineszenz oder Laseraktivität zeigen und sind daher als lumineszierendes Material ungeeignet.Furthermore, optical glasses with extremely high anomalous partial dispersion are known (e.g. DE 30 44 240 C2) which do not contain any laser ions (e.g. Yb 3+ or Nd 3+ ). This means that these glasses cannot show any SE ion luminescence or laser activity and are therefore unsuitable as a luminescent material.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung von lumineszierenden Ytterbiumgläsern hoher Effizienz für die Optik, integrierte Optik, Optoelektronik und Lasertechnik, die auch als kompakte aktive Materialien bei Raumtemperatur, sowohl im Impuls- als auch im kontinuierlichen (cw) Betrieb eingesetzt werden können und die einen breiten Durchstimmbereich der Laserwellenlänge gewährleisten. Sie sollen ökonomisch günstig und in guter Qualität herstellbar sein. Ihre Anwendung soll auf verschiedensten Gebieten der Naturwissenschaft und Technik Vorteile bringen.The object of the invention is to develop luminescent High efficiency ytterbium glasses for optics, integrated optics, Optoelectronics and laser technology, also called compact active materials at room temperature, both in impulse and in continuous (cw) Operation can be used and the wide tuning range ensure the laser wavelength. They are supposed to be economical and in be of good quality. Your application is intended for a wide variety Bring advantages to areas of science and technology.

Insbesondere sollen für die Lasertechnik Gläser entwickelt werden, die den Vorteil einer angepaßten Elektron-Phonon-Wechselwirkung eingebauter Selten-Erdionen mit den Vorzügen eines optimierten Glassystems verbinden.In particular, glasses are to be developed for laser technology, which the Advantage of a built-in electron-phonon interaction Combine rare earth ions with the advantages of an optimized glass system.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem lumineszierenden Glas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 1. According to the invention the task with a luminescent glass Features of claim 1 solved. The sub-claims 2 to 5 are advantageous embodiments of main claim 1.  

Die Erfindung des neuartigen lumineszierenden Glases beruht darauf, daß es gelungen ist, spezielle lokale Strukturen um eingebaute Ionen der Seltenen Erden - nachfolgend SE genannt - insbesondere des Ytterbiums (Yb3+), zu erzeugen, wobei diese speziellen Strukturen durch weitgehend isolierte, clusterförmige Gruppierungen tetraedrischer Anionen um die SE-Ionen erzeugt werden.The invention of the novel luminescent glass is based on the fact that special local structures around built-in rare earth ions - hereinafter referred to as SE - in particular of ytterbium (Yb 3+ ) have been created, these special structures being formed by largely isolated, cluster-shaped groups tetrahedral anions around the SE ions are generated.

Es werden Wirtsgläser verwendet, die neben Kationen und Fluoridanionen insbesondere tetraedrische Anionen besitzen, die sich um eingebaute Selten- Erdionen, insbesondere Ytterbium (Yb3+) gruppieren, wodurch - vom übrigen Glasnetzwerk weitestgehend isolierte - Cluster entstehen.Host glasses are used which, in addition to cations and fluoride anions, in particular have tetrahedral anions, which are grouped around built-in rare earth ions, in particular ytterbium (Yb 3+ ), which results in clusters which are largely isolated from the rest of the glass network.

Diese Wirtsgläser werden vorrangig aus Erdalkaliphosphaten und -fluoriden, Aluminiumfluorid, Verbindungen der Selten-Erden sowie Verbindungen mit tetraedrischen Anionen erschmolzen, wobei im Gemenge der Glasschmelze: als Kationen
Mg2+ 0-60 Mol-%
Ca2+ 3-57 Mol-%
Sr2+ 0-39 Mol-%
Ba2+ 0-15 Mol-%
Al3+ 2-39 Mol-% und
0,001-20 Mol-% in der Summe
Ionen des Lanthaniums, Ceriums, Praseodymiums, Samariums, Neodymiums, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums und/oder Ytterbiums,
weiterhin als Anionen
1-35 Mol% in der Summe tetraederförmige Anionen als Phosphate, Sulfate, Vanadate, Niobate und/oder
Antimonate mit:
kleiner/gleich 15 Mol-% in der Summe Sulfate, Vanadate, Niobate und/oder Antimonate und
65-99 Mol-% in der Summe Fluorid vorliegen.
These host glasses are primarily melted from alkaline earth phosphates and fluorides, aluminum fluoride, compounds of rare earths as well as compounds with tetrahedral anions, whereby in the mixture of the glass melt: as cations
Mg 2+ 0-60 mol%
Ca 2+ 3-57 mol%
Sr 2+ 0-39 mol%
Ba 2+ 0-15 mol%
Al 3+ 2-39 mol% and
0.001-20 mol% in total
Lanthanium, cerium, praseodymium, samarium, neodymium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium and / or ytterbium ions,
continue as anions
1-35 mol% in total tetrahedral anions as phosphates, sulfates, vanadates, niobates and / or
Antimonates with:
less than or equal to 15 mol% in total sulfates, vanadates, niobates and / or antimonates and
65-99 mol% in total fluoride are present.

Es wurde festgestellt, daß der Einbau tetraederförmiger Anionen in fluoridische Glasschmelzen unter bestimmten Herstellungsbedingungen die Erzeugung spezieller lokaler Selten-Erdion-Strukturen ermöglicht. Das resultiert vor allem aus der clusterförmigen Anordnung von tetraederförmigen Anionen um Selten-Erdionen (vergleiche schematische Darstellung in Fig. 1). Die entstehenden Gruppierungen sind weitestgehend von Gruppie­ rungen der gleichen Art separiert.It has been found that the incorporation of tetrahedral anions in fluoridic glass melts enables the production of special local rare earth ion structures under certain manufacturing conditions. This results above all from the cluster-like arrangement of tetrahedral anions around rare earth ions (compare schematic representation in FIG. 1). The resulting groups are largely separated from groups of the same type.

Es wurden Elektron-Phonon-Kopplungen der Schwingungen der tetraederförmigen Anionen mit elektronischen Übergängen im Selten-Erdion nachgewiesen. In Fig. 2 wird am Beispiel eines elektronischen Übergangs im Selten-Erdion Gd3+, eingebaut in Fluorid-Phosphatgläser mit unterschied­ lichem Gehalt an tetraederförmigen Anionen (hier: Phosphate), die Existenz dieser Kopplungen demonstriert. Diese Kopplungen bewirken eine Verbesserung der Lumineszenz- bzw. Lasereigenschaften des Materials. Durch geeignete Synthesezusammensetzungen, insbesondere durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses von tetraederförmigen Anionen zur Summe der Fluoride sowie der Fluoride untereinander, gelingt der Aufbau derartiger Cluster, wobei gleichzeitig eine glasstabilisierende Wirkung durch Verminderung der Kristallisationsneigung der Fluoride eintritt. Bei einem Gehalt von in der Summe 1-25 Mol-% tetraederförmiger Anionen wird eine gute amorphe Erstarrung erreicht. Das ist auf die erfindungsgemäße Konzentration der Fluoride zueinander, den dazu passenden Einsatz von Erdalkali-, Selten-Erdion- und/oder Aluminiumphosphat sowie des Einsatzes von Erdalkalisulfat und/oder -vanadat und/oder -niobat und/oder -antimonat zurückzuführen. Als Fluoride werden vorwiegend MgF2, CaF2, SrF2, BaF2 und AlF3 und als Verbindungen mit tetraederförmigen Anionen Strontium-, -Sulfat, -Vanadat, -Niobat, -Antimonat und/oder Metaphosphat eingesetzt. Gemäß der Erfindung können jedoch auch die Kationen von Phosphaten, Sulfaten, Vanadaten, Niobaten, Antimonaten und Fluoriden unter Bei­ behaltung der Mol-% ausgetauscht, sowie auch Oxide des Vanadiums, Niobiums und/oder Antimons eingesetzt werden.Electron-phonon couplings of the vibrations of the tetrahedral anions with electronic transitions in the rare earth ion were detected. In Fig. 2, the existence of these couplings is demonstrated using the example of an electronic transition in the rare earth ion Gd 3+ , built into fluoride-phosphate glasses with different content of tetrahedral anions (here: phosphates). These couplings improve the luminescence or laser properties of the material. Appropriate synthesis compositions, in particular the choice of a suitable ratio of tetrahedral anions to the sum of the fluorides and the fluorides among one another, enable the formation of such clusters, with a glass-stabilizing effect occurring at the same time by reducing the tendency to crystallize of the fluorides. With a total content of 1-25 mol% of tetrahedral anions, good amorphous solidification is achieved. This is due to the concentration of the fluorides with respect to one another, the appropriate use of alkaline earth metal, rare earth ion and / or aluminum phosphate and the use of alkaline earth metal sulfate and / or vanadate and / or niobate and / or antimonate. Mainly MgF 2 , CaF 2 , SrF 2 , BaF 2 and AlF 3 are used as fluorides and strontium, sulfate, vanadate, niobate, antimonate and / or metaphosphate as compounds with tetrahedral anions. According to the invention, however, the cations of phosphates, sulfates, vanadates, niobates, antimonates and fluorides can be exchanged while maintaining the mol%, and oxides of vanadium, niobium and / or antimony can also be used.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe weiterhin dadurch gelöst, daß nach den Schritten des Anspruchs 6 lumineszierende Gläser hergestellt werden. Die Schritte bestehen darin, daß
According to the invention the object is further achieved in that 6 luminescent glasses are produced according to the steps of claim. The steps are that

  • 1. Gemenge aus Komponenten der jeweiligen Synthesezusammensetzung werden bei Temperaturen im Bereich 400 K bis 700 K oberhalb der entsprechenden Transformationstemperatur Tg vorzugsweise im Tiegel (z. B. aus Platin oder Kohlenstoff) eingeschmolzen. Der zeitlich begrenzte Einsatz von reaktiven Gasen entsprechend international bekannter RAP-Technologie (reactive atmospheric processing) kann vorteilhaft sein.1. Mixtures of components of the respective synthesis composition are preferably melted in the crucible (for example made of platinum or carbon) at temperatures in the range from 400 K to 700 K above the corresponding transformation temperature T g . The temporary use of reactive gases in accordance with internationally known RAP technology (reactive atmospheric processing) can be advantageous.
  • 2. Läuterung und Homogenisierung der Glasschmelze bei Temperaturen 50 K bis 150 K oberhalb der bei Schritt 1) verwendeten maximalen Temperatur.2. Purification and homogenization of the glass melt at temperatures 50 K to 150 K above the maximum used in step 1)  Temperature.
  • 3. Abkühlung der Schmelze auf Temperaturen 200 K bis 300 K oberhalb des jeweiligen Transformationspunktes.3. Cooling the melt to temperatures 200 K to 300 K above of the respective transformation point.
  • 4. Guß des Glases in auf ungefähr Transformationstemperatur Tg vorgewärmte Formen, die vorzugsweise aus Graphit bestehen.4. Cast the glass into molds preheated to approximately transformation temperature T g , which preferably consist of graphite.
  • 5. Abkühlung der mit Glas gefüllten Formen auf Raumtemperatur.5. Cool the molds filled with glass to room temperature.
  • 6. In Abhängigkeit vom Glastyp kann gegebenfalls auch ein erneutes Ein­ schmelzen des Glases (Remelting) erfolgen.6. Depending on the type of glass, a new on may also be required melting of the glass (remelting).
  • 7. Gegebenenfalls kann eine Feinkühlung der Gläser durch Erwärmung auf Temperaturen ca. 20 K über den jeweiligen Transformationspunkt, Halten dieser Temperatur für ca. 30 Minuten und kontrollierte Abkühlung mit Kühlraten < 15 K/h erfolgen.7. If necessary, the glasses can be cooled down by heating them up Temperatures about 20 K above the respective transformation point, Hold this temperature for about 30 minutes and controlled Cool down with cooling rates <15 K / h.

Die Erfindung betrifft weiterhin Anwendungen der lumineszierenden Gläser nach Anspruch 11 für
The invention further relates to applications of the luminescent glasses according to claim 11

  • a) aktive durchstimmbare Lasermaterialien in kompakter Form (bulk- Geometrie) zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm bei Raumtemperatur,a) active tunable laser materials in compact form (bulk Geometry) for the generation of laser radiation in the wavelength range from about 1020 nm to 1085 nm at room temperature,
  • b) aktive durchstimmbare Lasermaterialien in Faserform zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm bei Raumtemperatur,b) active tunable laser materials in fiber form for generation from laser radiation in the wavelength range from approximately 1020 nm to 1085 nm at room temperature,
  • c) Verstärkungsmedien für Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm, insbesondere zum Aufbau von Verstärker­ ketten für Riesenimpulse,c) amplification media for laser radiation in the wavelength range of about 1020 nm to 1085 nm, especially for building amplifiers chains for giant impulses,
  • d) Medien zur Erzeugung ultrakurzer Impulse, insbesondere für Anwen­ dungen der Kommunikationstechnik, Meßtechnik und Spektroskopie und weiterhind) Media for generating ultra-short pulses, especially for users communications technology, measurement technology and spectroscopy and Farther
  • e) Medien zur optischen Kühlung von Festkörpern.e) Media for optical cooling of solids.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is intended to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments are explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1: Schematisches Strukturmodell zur Bildung einer clusterförmigen Gruppierung aus einem Selten-Erdion (hier Yb3+) und jeweils 3 tetraederförmigen Anionen in einer fluoridischen Glasmatrix. Fig. 1: Schematic structural model for forming a cluster-like grouping from a rare earth ion (here Yb 3+ ) and 3 tetrahedral anions each in a fluoridic glass matrix.

Fig. 2: Nachweis von Elektron-Phonon-Kopplungen in Fluorid-Phosphat­ gläsern durch Aufnahme von Gd3+-Phonon-Seitenbandspektren bei Raumtemperatur. Fig. 2: Detection of electron-phonon couplings in fluoride-phosphate glasses by recording Gd 3+ -phonon sideband spectra at room temperature.

Fig. 3: Schwellenenergie und differentieller Wirkungsgrad verschiedener erfindungsgemäßer Gläser. Fig. 3: threshold energy and slope efficiency of various inventive glasses.

Fig. 4: Zusammensetzungen der Gemenge erfindungsgemäßer Gläser in Mol-Prozent und charakteristische optische Eigenschaften. FIG. 4 shows compositions of the mixture according to the invention glasses in mole percent and optical characteristics.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Strukturmodell zur Bildung einer clusterförmigen Gruppierung aus einem Selten-Erdion 1, im Beispiel Yb3+, und jeweils drei tetraederförmigen Anionen 2, eingebettet in einer fluoridischen Glasmatrix. In Abhängigkeit von dem Ionenradius des jeweiligen Selten-Erdions 1 erfolgt aus sterischen Gründen eine Verschiebung der Tetraeder entlang der angegebenen Raumrichtungen a, b, c. Fig. 1 shows a schematic structural model to form a cluster-like array of a rare-earth ion 1, in the example Yb 3+, and three tetrahedral anions 2, embedded in a fluoridic glass matrix. Depending on the ion radius of the respective rare earth ion 1 , the tetrahedra are displaced along the specified spatial directions a, b, c for steric reasons.

Diese Lokalstruktur des Seltenen-Erdions 1 bildet die Grundlage für wirksame Kopplungen von Schwingungen des tetraederförmigen Anions 2 mit elektronischen Übergängen am Seltenen-Erdion 1, welche für die Lichterzeugung auf Grundlage des Laser-Effekts sowie für die optische Kühlung auf Grundlage der Anti-Stokes Lumineszenz nutzbar sind. This local structure of the rare earth ion 1 forms the basis for effective coupling of vibrations of the tetrahedral anion 2 with electronic transitions on the rare earth ion 1 , which are used for light generation based on the laser effect and for optical cooling based on the anti-Stokes luminescence are usable.

Fig. 2 stellt den Nachweis von Elektron-Phonon-Kopplungen in Fluorid- Phosphatgläsern durch Aufnahme von Gd3+-Phonon-Seitenbandspektren bei Raumtemperatur dar. Es werden Emissionsspektren bei einer Anregungs­ wellenlänge λexc = 273 nm gezeigt. Neben rein elektronischen Übergängen, hier im Beispiel 6P7/28S7/2 und 6P5/28S7/2 treten Phonon-Seitenbanden bei etwa 323 nm auf, im Beispiel 6P7/28S7/2 + ν3(PO4 3-). Sie sind auf Schwingungen des PO4-Tetraeders zurückzuführen, die aus der IR/Raman- Spektroskopie bekannt sind (G. Blasse; Vibrational Structure in the Luminescence Spectra oflons in Solids, in Topics in Current Chemistiy, 171, Springer Verlag Berlin (1994)). Fig. 2 illustrates the detection of electron-phonon couplings in phosphate fluoride glasses by incorporation of Gd 3+ -Phonon sideband spectra at room temperature. There are emission spectra at an excitation wavelength λ exc = 273 nm shown. In addition to purely electronic transitions, here in the example 6 P 7/28 S 7/2 and 6 P 5/28 S 7/2 , phonon sidebands occur at around 323 nm, in the example 6 P 7/28 S 7/2 + ν 3 (PO 4 3- ). They are due to vibrations of the PO 4 tetrahedron, which are known from IR / Raman spectroscopy (G. Blasse; Vibrational Structure in the Luminescence Spectra oflons in Solids, in Topics in Current Chemistiy, 171, Springer Verlag Berlin (1994) ).

Diese Phonon-Seitenbanden basieren auf der sterischen Anordnung der tetraederförmigen Anionen 2 um das Selten-Erdion 1 und auf der effizienten Ankopplung der tetraederförmigen Anionen 2 an die elektronischen Übergänge des Selten-Erdions 1. Sie sind für die Lumineszenzeigenschaften dieser Gläser maßgebend.These phonon sidebands are based on the steric arrangement of the tetrahedral anions 2 around the rare earth ion 1 and on the efficient coupling of the tetrahedral anions 2 to the electronic transitions of the rare earth ion 1 . They are decisive for the luminescent properties of these glasses.

In Fig. 2 sind Emissionsspektren des Glases Nr. 6 (aus Tabelle in Fig. 4) mit 20% Phosphat, des Glases Nr. 5 mit 3% Phosphat, als tetraeterförmiges Anion, und eines Fluorid-Vergleichsglases ohne Phosphatanteil dargestellt. Das Glas ohne Phosphatanteil zeigt keine Phonon-Seitenbande im Bereich um 323 nm. Die Gläser mit Phosphatanteil zeigen mit steigendem Phosphatanteil ein Anwachsen der Phonon-Seitenbande. Im Beispiel nach Fig. 2 beträgt der energetische Abstand zwischen dem elektronischen Übergang 6P7/28S7/2 und der Phonon-Seitenbande in Abhängigkeit vom Phosphatgehalt ca. 1050 cm-1 bei Glas Nr. 5 sowie ca. 1200 cm-1 bei Glas Nr. 6.In FIG. 2, emission spectra of the glass Nr. 6 (from Table in FIG. 4) with 20% phosphate, the glass no. 5 with 3% phosphate, as tetraeterförmiges anion, and a fluoride Comparison glass without phosphate content. The glass without a phosphate component shows no phonon sideband in the range around 323 nm. The glasses with a phosphate component show an increase in the phonon sideband with an increasing phosphate component. In the example according to FIG. 2, the energetic distance between the electronic transition 6 P 7/28 S 7/2 and the phonon sideband, depending on the phosphate content, is approx. 1050 cm -1 for glass No. 5 and approx. 1200 cm -1 for glass No. 6.

Die erfindungsgemäßen Gläser besitzen gegenüber den bekannten Gläsern verbesserte Lasereigenschaften. So wurden bei Experimenten mittels Diodenanregung von Yb-dotierten Gläsern Schwellenenergien bis kleiner 80 mW sowie differentielle Wirkungsgrade bis 69% erreicht (siehe auch Fig. 3).The glasses according to the invention have improved laser properties compared to the known glasses. In experiments using diode excitation of Yb-doped glasses, threshold energies of up to less than 80 mW and differential efficiencies of up to 69% were achieved (see also FIG. 3).

Der Umfang der Erfindung wird an den in Fig. 4 tabellarisch aufgelisteten Beispielen demonstriert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die angeführten Beispiele beschränkt. Es werden einige Zusammensetzungen der Gemenge erfindungsgemäßer Gläser in Molprozent und charakteristische optische Eigenschaften angegeben.The scope of the invention is demonstrated by the examples listed in table 4 in FIG . However, the invention is not restricted to the examples given. Some compositions of the mixture of glasses according to the invention are given in mole percent and characteristic optical properties.

BezugszeichenlisteReference list

11

Selten-Erdion
Rare earth ion

22nd

tetraederförmiges Anion
a, b, cRaumrichtungen entsprechend D3
tetrahedral anion
a, b, c spatial directions according to D 3

-Symmetrie
-Symmetry

Claims (11)

1. Lumineszierende Selten-Erdion-dotierte Gläser hoher Effizienz für die Optik, integrierte Optik, Optoelektronik und Lasertechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokalstruktur der in diesen Gläsern eingelagerten Selten-Erdionen (1) durch clusterförmige Koordination mit tetraederförmigen Anionen (2) geprägt ist.1. Luminescent rare earth ion-doped glasses of high efficiency for optics, integrated optics, optoelectronics and laser technology, characterized in that the local structure of the rare earth ions ( 1 ) embedded in these glasses is shaped by cluster-shaped coordination with tetrahedral anions ( 2 ) . 2. Lumineszierende Gläser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ytterbium als Selten-Erdion in Wirtsgläser vom Fluorid-Phosphattyp eingebaut ist, weiterhin diese Gläser zu
  • 1. 99,0 bis 65,0 Mol-% aus Fluoriden, vorwiegend MgF2, CaF2, SrF2, BaF2 und AlF3, sowie aus
  • 2. 1,0 bis 35,0 Mol-% Phosphaten erschmolzen sind und
  • 3. die Konzentration sämtlicher eingebauter Selten-Erdionen La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm und/oder Yb kleiner/gleich 20 Mol-% ist.
2. Luminescent glasses according to claim 1, characterized in that ytterbium is incorporated as a rare earth ion in host glasses of the fluoride-phosphate type, these glasses too
  • 1. 99.0 to 65.0 mol% of fluorides, predominantly MgF 2 , CaF 2 , SrF 2 , BaF 2 and AlF 3 , and from
  • 2. 1.0 to 35.0 mol% of phosphates are melted and
  • 3. the concentration of all incorporated rare earth ions La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and / or Yb is less than or equal to 20 mol%.
3. Lumineszierende Gläser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 15 Mol-% Sulfate zu Lasten des Phosphatanteils eingesetzt sind.3. Luminescent glasses according to claim 2, characterized in that up to 15 mol% sulfates are used at the expense of the phosphate content. 4. Lumineszierende Gläser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Summe bis zu 15 Mol-% Vanadate und/oder Niobate und/oder Antimonate zu Lasten des Phosphatanteils eingesetzt sind.4. Luminescent glasses according to claim 2, characterized in that in total up to 15 mol% of vanadates and / or niobates and / or Antimonates are used at the expense of the phosphate content. 5. Lumineszierende Gläser gemäß Ansprüchen 2, 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Kationen
Mg2+ 0-60 Mol-%
Ca2+ 3-57 Mol-%
Sr2+ 0-39 Mol-%
Ba2+ 0-15 Mol-%
Al3+ 2-39 Mol-% und
0,001-20 Mol-% in der Summe
Ionen des Lanthaniums, Ceriums, Praseodymiums, Samariums, Neodymiums, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums und/oder Ytterbiums,
weiterhin als Anionen
1-35 Mol% in der Summe tetraederförmige Anionen als Phosphate, Sulfate, Vanadate, Niobate und/oder Antimonate mit:
kleiner/gleich 15 Mol-% in der Summe Sulfate, Vanadate, Niobate und/oder Antimonate und
65-99 Mol-% in der Summe Fluorid vorliegen.
5. Luminescent glasses according to claims 2, 3 and 4, characterized in that as cations
Mg 2+ 0-60 mol%
Ca 2+ 3-57 mol%
Sr 2+ 0-39 mol%
Ba 2+ 0-15 mol%
Al 3+ 2-39 mol% and
0.001-20 mol% in total
Lanthanium, cerium, praseodymium, samarium, neodymium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium and / or ytterbium ions,
continue as anions
1-35 mol% in total tetrahedral anions as phosphates, sulfates, vanadates, niobates and / or antimonates with:
less than or equal to 15 mol% in total sulfates, vanadates, niobates and / or antimonates and
65-99 mol% in total fluoride are present.
6. Verfahren zur Herstellung von lumineszierenden Selten-Erdion-dotierten Gläsern, gekennzeichnet durch die folgenden Herstellungsschritte:
  • a) Gemenge aus Komponenten der jeweiligen Synthesezusammensetzung werden bei Temperaturen im Bereich 400 K bis 700 K oberhalb der entsprechenden Transformationstemperatur Tg eingeschmolzen,
  • b) Läuterung und Homogenisierung der Glasschmelze bei Temperaturen 50 K bis 150 K oberhalb der bei Schritt a) verwendeten maximalen Temperatur,
  • c) Abkühlung der Schmelze auf Temperaturen 200 K bis 300 K oberhalb des jeweiligen Transformationspunktes,
  • d) Guß des Glases in auf ungefähr Transformationstemperatur Tg vorgewärmte Formen und
  • e) Abkühlung der gefüllten Formen auf Raumtemperatur.
6. Process for the production of luminescent rare earth ion-doped glasses, characterized by the following production steps:
  • a) mixtures of components of the respective synthesis composition are melted at temperatures in the range from 400 K to 700 K above the corresponding transformation temperature Tg,
  • b) refining and homogenization of the glass melt at temperatures 50 K to 150 K above the maximum temperature used in step a),
  • c) cooling the melt to temperatures 200 K to 300 K above the respective transformation point,
  • d) casting the glass into molds preheated to approximately transformation temperature T g and
  • e) cooling the filled molds to room temperature.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zeitlich begrenzter Einsatz von reaktiven Gasen gemäß der RAP-Technologie erfolgt.7. The method according to claim 6, characterized in that a temporally limited use of reactive gases according to RAP technology. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom Glastyp ein erneutes Einschmelzen des Glases (Remelting) erfolgt.8. The method according to claim 6, characterized in that depending of the glass type, the glass is melted again (remelting). 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feinküh­ lung der Gläser durch Erwärmung auf Temperaturen ca. 20 K über den jeweiligen Transformationspunkt, Halten dieser Temperatur für ca. 30 Minuten und kontrollierte Abkühlung mit Kühlraten < 15 K/h erfolgt.9. The method according to claim 6, characterized in that a Feinküh the glasses by heating to temperatures about 20 K above the respective transformation point, hold this temperature for approx. 30 Minutes and controlled cooling with cooling rates <15 K / h. 10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschmelzen des Glases in einem Tiegel aus Graphit (Kohlenstoff) oder aus Platin erfolgt.10. The method according to claim 6, characterized in that the Melt the glass in a crucible made of graphite (carbon) or out Platinum is done. 11. Anwendungen der lumineszierenden SE-dotierten Gläser mit spezieller Lokalstruktur als
  • a) aktive durchstimmbare Lasermaterialien in kompakter Form (bulk- Geometrie) zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm bei Raumtemperatur,
  • b) aktive durchstimmbare Lasermaterialien in Faserform zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm bei Raumtemperatur,
  • c) Verstärkungsmedien für Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm, insbesondere zum Aufbau von Verstärkerketten für Riesenimpulse,
  • d) Medien zur Erzeugung ultrakurzer Impulse, insbesondere für Anwendungen der Kommunikationstechnik, Meßtechnik und Spektrosko­ pie, und weiterhin
  • e) Medien zur optischen Kühlung von Festkörperlasern.
11. Applications of the luminescent SE-doped glasses with a special local structure as
  • a) active tunable laser materials in a compact form (bulk geometry) for generating laser radiation in the wavelength range from approximately 1020 nm to 1085 nm at room temperature,
  • b) active tunable laser materials in fiber form for generating laser radiation in the wavelength range from approximately 1020 nm to 1085 nm at room temperature,
  • c) amplification media for laser radiation in the wavelength range from approximately 1020 nm to 1085 nm, in particular for the construction of amplifier chains for giant pulses,
  • d) media for generating ultra-short pulses, especially for applications in communication technology, measurement technology and spectroscopy, and further
  • e) Media for optical cooling of solid-state lasers.
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