DE2030345A1

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Info

Publication number: DE2030345A1
Application number: DE19702030345
Authority: DE
Priority date: 1969-06-20
Filing date: 1970-06-19
Publication date: 1970-12-23
Also published as: GB1314854A; NL7008992A; LU61130A1; BE751862A; FR2050703A5; CH514244A

Description

PATENTANWÄLTE

DR-MOLLER-BORe-DR-MANITZ-DR₁DEUFEt 9 ΓΠ Π TA R

DIPL-INQ. FINSTERWALD · DIPL-ING. GRÄMKOW .■..-..£ U O. U O H. ?

8 MÖNCHEN 22, ROBERT-KOCH-STa 1 , TELEFON 225110

19. Juni 1970 Gs/Sv - C 2194

COMPAGHIE GESESAToE D· ELECTRICITE 54, rue La Boetie, Paris 8, Frankreich

Verfahren zur Aktivierung der Emissionseigenschaften von als kohärente Lichtquelle verwendeten Einkristallen -

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung der Emissionseigenschaften von Einkristallen, und zwar im Hinblick auf die Erhöhung des Wirkungsgrades und als Folge davon der Ausgangsleistung von Systemen mit kohärentem Licht, beidenen derartige Einkristalle verwendet werden.

Es ist bekannt, daß der Gesamtv/irloingsgrad von Systemen und Vorrichtungen j bei denen kohärentes Licht eingesetzt wird, zum großen Teil von der Qualität der dabei verwendeten Einkristalle abhängt > Versuche haben gezeigt, daß auf diesem Gebiet eindrucksvolle Gewinne erwartet werden können, wenn die Einkristalle für den Verwendungszweck, für den sie bestimmt sind, besser angepaßt werden»

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Die Ausgangsleistung eines Syßtemes oder einer Vorrichtung, bei der kohärentes Licht verwendet wird, kann aufgrund dieser Tawüche UC einen bedeutenden Paktor,. z.B. zehnfach»;

und mehr, erhöht sein.

Bei der Erfindung wird von folgender überraschender Erscheinung Gebrauch gemacht: die Emissionseigenschaften eines einkristallinen Stabes können durch eine oder mehrer· thermische Behandlungsphasen beträchtlich verbessert werden.

Diese Behandlungen können auf fertige Kristalle angewendet werden, oder noch bei der Synthese der Ausgangsmaterialien oder noch bei der Verarbeitung der Einkristalle.

Vorteilhafterweise werden diese thermischen Behandlungen mit chemischen Behandlungen kombiniert, indem man sie z.B. unter einer kontrollierten Atmosphäre mit bestimmten chemischen Eigenschaften durchführt.

Die kontrollierte Atmosphäre kann.eine oxydierende oder eine reduzierende Atmosphäre sein, oder in bestimmten Fällen sogar eine neutrale Atmosphäre, wobei letzterer Pail eine Zusatzdiffusion von geeignet gewählten Atomen umfassen kann.

Gemäß der Erfindung wird der Stab der Wirkung einer erhöhten temperatur unterworfen, die zwischen zwei Grenzen liegt: einer oberen Grenze, die sehr nahe an der Schmelztemperatur des den Einkristall bildenden Körpers liegen kann, die aber unterhalb einer Temperatur liegt, die eine Änderung seiner inneren Struktur oder seiner physikalischen Stabilibäb erzeugen kann; einer unteren Grenze, deren genauer Wert von geringerer Bedeutung ist, da sie schließlich nur einen Einfluß auf dia Festlegung der Dauer der vorgenommer nen Behandlung hat; denn diese Dauer ändert sich Timgekehrt, zur gewählten unteren Grerase, wobei bei einer zu nMrig

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liegenden Grenze die Gefahr besteht, daß die besagte Behandlung zu lange dauert.

Der thermischen Behandlung gehen Untersuchungen voraus, die es erlauben, die Art der durchzuführenden Reaktion zu bestimmen, d.h. zu entscheiden, ob man eine thermische Behandlung unter einer oxydierenden oder unter einer reduzierenden Atmosphäre vornimmt. Es erweist eich bein Versuch tatsächlich als richtig, daß das Verhalten verschiedener, aus dem gleichen Material bestehender Stäbe verschieden sein kann, und zwar entsprechend der Art der Behandlungen, denen der Stab bereits unterzogen worden sein kann. So , \ gilt für bestimmte dieser Stäbe , daß bei einem Aufenthalt bei hoher Temperatur und unter einer oxydierenden Atmosphäre die deutlichste Zunahme der Emissionseigenschaften erhalten wird, während für andere Stäbe die deutlichste Zunahme unter einer reduzierenden Atmosphäre gewonnen wird.

Es wurde gefunden, daß eine derartige Behandlung, wie sie oben definiert wurde, die gesuchte Verbesserung der Emissionseigenschaften von Stäben gemäß einem Gesetz erzeugt, das zu Beginn eine zunehmende Funktion der Behandlungsdauer ist und dann einen Maximalwert für eine bestimmte kritische Dauer dioeer Behandlung erreicht. Für eine über die kritische ■ _

Dauer hinausgehende Zeitspanne kann der erhaltene Gewinn ™

in bestimmten ,Fällen unter seinem Maximalwert liegen.

Veiter wurde gefunden, daß eine neue Erhöhung des vorhergehenden Gewinnes oder die Wiederherstellung des maximalen Wertes des Gewinnes (für den Fall, daß die erste Behandlung während einer zu großen Dauer ausgeführt wurde, was dazu fuhren kann, daß der Gewinn wieder abnimmt) erhalten werden kann, indem man die Behandlung über die dem Maximum des bereits erhaltenen Gewinnes entsprechende Dauer hinaus fortsetzt, aber die Art der Atmosphäre des Raumesdadurch ändert,daß nan die Behandlung durchführt. Wurde diese in ihrer ersten

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Phase unter einer oxydierenden Atmosphäre ausgeführt, so setzt man aie unter einer reduzierenden Atmosphäre oder umgekehrt fort. . .

Die Temperatur, der der Stab im Verlauf eines Aktivierungsvorganges unterliegt, sollte konstant gehalten werden. Dennoch muß diese Temperatur nicht notwendigerweise von einem Arbeitsgang aum anderen beim Wechsel der Art der Reaktionsatiaosphäre; den gleichen Wert haben. Die Erfindung beruht ferner auf der Tatsache, daß man die Möglichkeit entdeckt hat, das Verhalten eines gegebenen Stabes hinsichtlich der Behandlung gemäß der Erfindung vorauszusehen, und dies erlaubt es, die Etaissionseigenschaften dieses Stabes zu optimieren, indem man die für diesen Zweck am geeignetsten Arbeitsverfahren einsetzt.

Eine thermische Behandlung unter einer reduzierenden oder oxydierenden Atmosphäre bringt eine Erhöhung, der Emissionsqualität des Kristalls, aber die einfache Kenntnis der Struktur des Kristalles ist im allgemeinen nicht ausreichend, um die Behandlungsparameter (Art der Atmosphäre, Dauer, Temperatur) zu bestimmen, die es gestatten, die optimale Erhöhung der Emissionsqualitäten zu erhalten. Die notwendigen Parameter hängen streng von all den Faktoren ab, die bei der Herstellung des Kristalls (Art der Basismaterialien, verschiedene Behandlungen, usw.) auftreten. Man hat jedoch festgestellt und dies bildet einen der wesentlichen Gesichtspunkte der Erfindung, daß für eine gegebene Herstellung, deren Faktoren auf gewöhnliche Art festgelegt sind (gleiche Basiaiiaterialien, Wiederholung der gleichen Behandlungen bei is wesentlichen den gleichen Herstellungsbedingungen), sich die erhaltenen Kristalle in gleicher Weise hinsichtlich der Behandlungen gemäß der Erfindung verhalten. Für eine gleiche Herstellung genügt es folglich, eine "Probenannte auszuführen und die Proben einer Folge von thermischen '

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Behandlungen zu unterwerfen, indem man die Parameter verändert, nämlich die Behandlungsdauer, die Behandlungstemperatur und die Art der Atmosphäre» Die so gewonnenen Daten können durch das herkömmliche Verfahren der graphischen Darstellungen in drei Dimensionen dargestellt werden« Aufgrund der Entdeckung der !Tatsache, daß die Behandlungen gemäß der Erfindung es erlauben, für eine gegebene Herstellung reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, kann man durch die ermittelten topographischen Flächen im voraus die Größenordnung des maximalen Gewinnes feststellen, der I bei einem bestimmten Stab erwartet werden kann.

Ferner ist es möglich, eine optimale Behandlung festzulegen, indem man, falls notwendig, nach und nach die oxydierenden oder reduzierenden Behandlungsphasen abwechselt.

Im folgenden werden beispielsweise die besonderen Eigenschaften der Behandlungen gemäß der Erfindung beschrieben, die man auf Stäbe aus dotiertem Ttrium-Aluminium-Granat (TAG) anwendet, um ihre Emissionseigenschaften zu optimieren.

Vas die !Temperatur betrifft, so liegt diese notwendigerweise λ unterhalb der Schmelztemperatur des Materials, d.h. unter 197O⁰O. Was die mögliche Behandlungsdauer betrifft, so liegt diese zwischen Grenzen, die für die Praxis möglich sind* z.B. zwischen einem Tag und zehn Tagen, was übrigens für die Temperatur bedeutet, daß sie nicht unter 800⁰O absinken darf, um die Behandlungsdauer nicht über die festgesetzten zehn Tage zu verlängern.

Beispielswa.se können sehr zufriedenstellende Resultate durch Behandlungen gewonnen werden, deren Dauar zwischen 12 und 24-Stunden liegt und die bei Temperaturen durchgeführt v&rdez&_£. die den Umständen entsprechend zwischen IiOO uad 130O⁰O abgestuft sind,. .

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Die an den Herstellungaproben ausgeführten Voruntersuchungen erlauben es, die Art des Gasmilteus zu bestimmen, unter dem die Anfangsphase der Behandlung vorgenommen werden soll, wobei die topographische Fläche die notwendigen Angaben über die Temperatur und die Dauer dieser Anfangsphase liefert.

Erweist sich eine zweite Behändlungsphase als notwendig, liefert die topographische Fläche' den Wert der Behandlungsparameter, die sich auf das andere Gasmilieu bezieht (reduzierende Atmosphäre, wenn die erste eine oxydierende Atmosphäre war und umgekehrt).

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigtϊ

Pig. 1 ein schematisches Diagramm einer Behandlungsphase ,

gemäß der Erfindung und
Pig. 2 eine graphische Darstellung der in" einem besonderefi Fall als Folge einer Behandlung gemäß der Erfindimg erhaltenen Ergebnisse.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, das die Erhöhung dee Aktivierungsgewinnes G der EmissionseigenscliaXteEi eines Ttrium-Aluoinium-Granat-Einkristalles als Funktion der Behandliaiigsdaiier "d" zeigt. Die betrachtete Phase dieser Behandlung wurde bei konstant er Temperatur durchgeführt«. Dieser Gewinn G ist definiert als Verhältnis au3 der Leistung F, die durch den mit 1000 W optisch gepumpten, behandelten Stab emittiert wird, und der Leistung P_Q, die durch den nicht behandelten Stab mit einer gleichen Pumpenergie emittiert wird«,

Der AnfangBgewinn mit dem Wert g1 weist eine mit 4er Zunahm© der Behandlungsdauer sehr regelmäßig verlaufende Erhöhung auf und erreicht für eine Behaodlimgsdamer d2 ein Haxiiäua g2»

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Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung zweier Kurven, die beide für einen Ytrium-Aluminium-Granat-Einkristall daa Ergebnis angeben, das man aufgrund einer Behandlung gemäß der Erf Ladung erzielt.

Die Kurve (1) zeigt für den Monokristall vor der Behandlung die verschiedenen Werte der Leistung P, die durch den den Einkristall verwendenden Laser emittiert wird* und zwar als Funktion der Pumpleistung p, wobei beide Leistungen in Watt ausgedrückt sind. ^v

Die Ausgangsleistung, die bei einer Pumpleistung von ungefähr 485 Watt aufzutreten beginnt, erreicht für eine Pumpleistung von ungefähr 1000 Watt ungefähr 0,940 Watt. Nach der Behandlung des Stabes tritt eine Ausgangsleistung des Lasers von ungefähr 1,84 Watt für einen Pumpwert von wie oben 1000 Watt in Erscheinung.

Der somit erhaltene Gewinn beträgt in diesem speziellen Fall 96 %.

- Patentansprüche

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Claims

-8-Patentansprüche

1. Verfahren zur Aktivierung der Emissionseigenschaften von Einkristallen, die mit einem Material dotiert sind, das den Lasereffekt hervorruft, dadurch g e k e η η ζ β i c h net, daß man den Einkristall einer thermischen Behandlung "bei einer Temperatur unterzieht ,· die verhältnismäßig hoch ist, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Kristallen liegt.

2. Verfahren zur Aktivierung der Emiesionseigenschaften nach Anspruch 1, dadurch gekenn ζ eichnet, daß die Behandlung unter einer chemisch aktiven Atmosphäre durchgeführt wird, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die die oxydierende und die reduzierende Atmosphäre umfaßt.

3= Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsdauer wenigstens gleich einem kritischen Wert ist, für den die Emissionseigenschaften des Kristalls einen maximalen Wert erreichen.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k en η ζ e i c h,-net, daß dieser, für alle Einkristalle einer gegebenen Produktion gleiche kritische Wert dadurch experimentell bestimmt wird, daß man Proben dieser Produktion der gleichen Behandlung unterzieht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Behandlung auf den Einkristall unter einer Atmosphäre angewandt wird, die zu der der ersten Behandlung verschieden ist.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k β η η ζ e i c n η e t, daß die erste Behandlung unter einer oxydierenden
Atmosphäre und die zweite Behandlung unter einer reduzieren den Atmosphäre erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k enns ei c hnet, daß für einen YAG-Kristall die Behandlungstemperatur zwischen 800 und 195O⁰G liegt.

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