DE2032737A1

DE2032737A1 - Glaslaserzusammensetzungen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2032737A1
Application number: DE19702032737
Authority: DE
Inventors: Haynes Alexander Sylvania Ohio Lee jun. (V.StA.). P
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1966-04-25
Filing date: 1970-07-02
Publication date: 1972-01-05
Also published as: US3535266A; DE2032737B2

Description

DH.iNG. H. NEGENDANK · dipl.-ing. H. HAUCK · dipl.-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN ZPSTEIiLTJNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WALL 41

TBL. 3Θ 74 28 VND 36 4110

TBLEOR. NEQEDAFATENT HAMBUHG

OWBiS-ILLINOIS, IUOo München ie · mozartstr. 23

Toledo, Ohio/üSA .«..-o.«

■* , TELEQH-NBGBI)APATBNTMUNCHBn

Hamburg, den 1. Juli 1970

Grlaslaserzusammensetzungen und Verfahren zu ihrer Herstellung __>»_

Die Erfindung "betrifft neue Glaszusammensetzungen mit Laserwirkung, neue Glaslaser und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Der Ausdruck Laser ist die Abkürzung für "light amplification by stimulated emission of radiation". Ein Laser ist eine Vorrichtung, welche kohärentes Licht zu verstärken oder zu "bilden vermag. Laser senden monochromatische optische Strahlung hoher Intensität in IOrm einer schmalen ebenen Welle mit Stahl- S Winkelablenkungen, die theoretisch durchDiffraktionseffekte begrenzt sind, aus. Wenn ein Material unter besonderen Bedingungen angeregte Emissionsstrahlung zeigt,kann es als Laser bezeichnet werden.

Der Laserkörper kann verschiedene formen haben. Er kann z, B. ein schmaler Zylinder oder Stab sein, dessen Stirnflächen plan und extrem genau parallel sind. Die Stirnflächen können auch so geschnitten sein, daß sie vollständig nach innen reflektierend sind, oder sie können zu einem

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Brewster-Winkel geschnitten sein, um den Beflektionsverlust herabzusetzen. Eine Stirnfläche des Stabes kann vollständig reflektierend oder stark poliert sein und die andere teilweise reflektierend. Daraus ist ersichtlich, daß die Konfiguration und die Kennzeichen der Laserkörper stark verschieden voneinander sein können. Im Betrieb wird der Laser mit geeigneten Lichtquellen, wie einer Blitzlichtlampe, die bei einer Eingangsenergie von mehr als etwa 100 Joules einige Millisekunden arbeitet, bestrahlt»

In vielen fällen geht, wenn der Laser arbeitet, der größte Teil der lingangsenergie als Wärme verloren*und nur ein kleiner Teil der von einer Strahlungsquelle ausgesandten Energie wird vom Lasermaterial absorbiert. Diese Energie führt zur Erregung des Lasers, Der Laserzylinder konzentriert die Energie, welche über einen,breiten Spektralbereich absorbiert wird, zu einer schmalen Emissionslinie, deren Wellenlänge eine Funktion der laserfähigen.Substanz ist, welche in dem Laserwirt enthalten ist. Weitere Informationen über Laser sind dem Buch "Lasera-Generation of Light by Stimulated Emission", BeIa A. Lengyel, John Wiley & Sons, Η.Υ·, 1962, zu entnehmen.

Wegen ihrer einmaligen Eigenschaften können Laser für die verschiedenstem Zwecke verwendet werden, z. B. in der Forschung, als Nachrichtenträger und zur Konzentrierung von Kraft für technologische und militärische Zwecke» Man hat

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a"bgeschätzt, daß auf dem Gebiet der Kommunikation unter geeigneter Kontrolle eiii extrem starker Informationsträger geschaffen werden könnte, und unter idealen Bedingungen könnte ein einziger Laser alle Informationsträgersysteme zwischen der Ost- und der Westküste der Vereinigten Staaten von Amerika ersetzen. Außerdem ist ein Laser wegen seiner sehr schmalen Strahlung für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen im Raum, wo atmosphärische Verdünnung die Fortpflanzung der Strahlen nicht stört, geeignet. Andere Anwendungsmöglichkeiten für Laser liegen auf medizinischem | und "biologischem Gebiet, zur Kontrolle chemischer Reaktionen und für viele andere Zwecke. Die Laser haben in letzter Zeit immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und es ist allgemein bekannt, daß sie ein außerordentlich wertvolles Werkzeug für viele Zwecke darstellen.

Einer der Nachteile der bekannten Laser ist die Tatsache, daß große Eingangsenergien in kurzer Zeit erforderlich sind, um Laserwirkung zu erzeugen, was zu einer thermischen Zerstörung des Laserwirtes führt. Die Substanzen, die üblicherweise als \7irt für Laser benutzt werden, haben in dieser Beziehung außerordentlich ungünstige Eigenschaften. Die Materialien, die relativ große Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, sind in vielen Fällen für Laser ungeeignet. Die großen Wärmemengen, die vom Wirt absorbiert werden, verursachen Deformation und Änderungen der optischen Eigenschaften äza Wirts. Dies führt zu einem Versagen oder einer Störung

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BAD ORIGINAL

-der Laserstrahlung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, neue laserfähige Glaszusammensetzungen, die die Nachteile der bekannten nicht aufweisen, zu schaffen. Es sollen G-laslaserwirte geschaffen werden, die bei Temperaturänderungen keine großen Dimensionsänderungen erfahren. Die Glaslaserzusammensetzungen sollen relativ niedrige Y/ärmeausdehnungskoeffizienten haben. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung dieser Glaslaser geschaffen werden. Gegenstand der Erfindung sind somit neue Glaslaser, die einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Laserwirt ein Glas des SiQ₂-Al₂O,-Id₂O-Systems. Die laserfähige Substanz ist Neodymoxyd (Nd₂O*). Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Laserwirt ein Glas des Systems SiQ₂-Al₂O,, MgO-CaO. Die laserfähige Substanz, 'die in dem Y/irtmaterial dispergiert ist, ist

Die Erfindung und die Vorteile, zu welchen sie führt, v/erden aus der nachstehenden, ins Einzelne gehenden Beschreibung noch deutlicher werden.

Es ist bekannt, daß einer der wesentlichen Nachteile der laser darin besteht, daß große Eingangsenergien erforderlich sind, um Laserwirkung zu erzeugen und daß die vom Wirt absorbierte Energie zu einer beträchtlichen Wärmeentwicklung

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-..'._■■■■ - 5 _

führt, welche schnelle Dimensionsänderungen und häufig sogar Bruch des Wirtmaterials zur folge hat. Nach der Erfindung kann die Inergieabsorptionskapazität und die Lebensdauer der Laser verbessert werden,und der Anwendungabereiöh der Laser wird beträchtlich erweitert. Laser der vorliegenden' Erfindung setzen Dimensionsänderungen schnell Widerstand entgegen, wenn sie Wärme ausgesetzt werden, und haben daher merklich höhere Lebensdauer, weil die Bliminierurig von Bruch erreicht ist.

Nach der Erfindung werden neue Grlaslaserzusammensetzungen mit relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten geschaffen. Die Ausdehnungskoeffizienten liegen unter etwa 65 χ 10 / ⁰G und sind im allgemeinen etwa 40 bis 60 χ ΐQrV⁰G. Das Gflaswirtmaterial ist ausgewählt aus Systemen, die Siliziumdioxyd und Aluminiumoxyd und besondere andere Bestandteile enthalten. Beispiele hierfür sind das Siliziumdioxyd-Aluminiumoxyd-Lithiumoxyd-System und das Siliziumdioxyd-Aluminiumoxyd-Magnesiumoxyd-Calciumoxyd-System. Die Laser . I werden hergestellt durch Dispergieren einer ausreichenden Menge Neodymoxyd als laser fähige Substanz in dem GKLaSe Die Menge Neodymoxyd, die in das Wirtsmaterial eingearbeitet ' wird, ist nicht sehr kritisch» liegt aber im allgemeinen im ^; Bereich von etwa 1 bis etwa 4 $ und kann bis zu etwa 8 \ G-ew.-$, bezogen auf die G-esamtzusammensetzung, betragen*

Zusammensetzungen, die für die Zwecke der vorliegenden

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Erfindung verwendet werden können, sind Gläser, ausgewählt aus dem Siliziumdioxyd-Aluminiumoxyd-Idthiumoxyd-System, welche die nachstehend aufgeführten Bestandteile in den angegebenen Gewichtsprozentmengen, bezogen auf die Gesaratzusammensetzung, enthalten;

Bestandteil Gewichtsprozentbereich

SiO	2
Al₂	°3
CaO
ZnO
BaO
Ii₂	0
Na₂	0
ZrO	2
TiO	2

54 -	0	3,9 -	80
4 -	0	34,5
0	0- -	5,5.
0	0	1,3
10,1
5,5
10
5
1,8

Das Beodymoxyd wird dann dem Wirtmaterial in unterschiedlichen Mengen, z.B. in Mengen von 1 bis 4 oder mehr Gew.-$, zugesetzt. Es ist verständlich, daß die Eigenschaften des resultierenden lasers teilweise von der Wahl der Zusammensetzung des Wirtglases abhängen.

Die Laserwirtzusammensetzungen für die Zwecke der Erfindung schließen auch Gläser ein, die aus dem Siliziumdioxyd-Aluminiumoxyd-Magnesiumoxyd-Caloiumoxyd-System ausgewählt sind und die nachstehend aufgeführten Bestandteile in den _;

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angegebenen Mengen, bezogen auf das Gewicht der Gesamt-

ausammensetzung, enthalten: ■

Zusammensetzung . Gewichtsbereich■

SiO₂ . 54-80

Al₂O₅ - 4-20

LIgO 4-10

CaO 0-5,5

ITa₂O 0-10

ZrO₂ 0-5

SaO 0-10

TiOo 0 - 1,8 ^- ·

in welcher MgO +CaO + BaO + Fa₂O zusammen mindestens etwa Gew.-fa ausmachen müssen. Das ITeodymoxyd wird dann dem Wirtglasmaterial in unterschiedlichen Mengen, z* B. 1 Ms oder mehr Gew.-$, zugesetzt.

Weitere Beispiele für Glaslaserzusammensetzungen sind den weiter unten gebrachten Beispielen zu entnehmen.

Die verschiedenen JRoh materialkomponenten der G-laszusammensetzungen können in verschiedenen Formen vorliegen, ζ. B. als Oxyde, Karbonate und dergleichen^ durch Mischen der Komponenten und Diapergieren des ITeodymoxyds darin, wird eine Schmelze hergestellt. Kleine Mengen anderer Bestandteile können in dieser Schmelze auch vorliegen, voraus-

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. ■ - . . - 8 - BAD ORIGINAL

gesetzt, daß ihre Anwesenheit sich auf die fertige Zusammensetzung und die gewünschten Eigenschaften des Endproduktes nicht schädigend auswirkt. Ss ist wichtig, daß der Eisengehalt im He^ymlaserglas sehr niedrig gehalten wird, da PeO eine Absorptionsbande hat, v/elche die Laserwellenlänge von 1,06/U überschneidet. Der Eisengehalt in den hergestellten Gläsern lag bei etwa 25 bis 50 ppm Pe₂O^, Die tolerierbare obere Grenze liegt wahrscheinlich bei etwa 100 ppm Pe₂O₅.

Die besonderen Zusammensetzungen, die in den Beispielen benutzt wurden, dienen nur zur Yeranschaulichung der Erfindung und nicht zu deren Begrenzung.

Beispiel I Bestandteile

SiO₂ . 65,4

Al₂O₅ 20,9

CaO 2,7

ZnO 1,3

Li₂O- 3,9

SrO₂ 2,0

BaO 1,8

Hd₂O, 2,0

— ο _ 109882/1617

" ^{; ;}" ■ - BAD ORIGINAL

Die vorstehend aufgeführte Zusammensetzung wurde aus analysenreinen (reagent grade) Rohmaterialien hoher optischer Qualität hergestellt. Stäbe von etwa 12,7 mm Durohmesser und 101,6 mm Länge wurden aus der Schmelze hergestellt. Die Enden der Stäbe wurden auf genaue Toleranz poliert* Danach wurden, die Stäbe in das Lasersystem eingebaut und arbeiteten zufriedenstellend.

Beispiel II Bestandteile

SiO₂ 63,4

Al₂O₃ 20,9

BaO 4,0

M20 ■ 3,9

TiO₂ 1,8

ZrO₂ 2,0

ITd₂O₃ 4,0

'Bs wurde eine Schmelze der oben stehenden Zusammensetzung aus Rohmaterialien (reagent grade) hergestellt. Die Schmelze hatte eine hohe optische Qualität. Each Kühlen wurden Stäbe aus der Schmelze hergestellt. Die Stäbe hatten eine Größe von 12,7 mm Durchmesser und 101,6 mm Länge«, Die Bnden der Stäbe wurden auf genaue Toleranz poliert und verschiedene Stäbe in ein Lasersystem eingesetzt. Sie wurden geprüft und für gut befunden.

■ - 10-

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Beispiel III

Bestandteil G-ew.-s

SiO₂ 54,2

Al₂O₃ 34,5

Ii₂O 5,5

ZrO₂ 2,0

TiO₂ 1,8

ITd₂O₃ 2,0

!Rohmaterialien (Eeagent grade) wurden zur Herstellung der Schmelze mit der oben angegebenen theoretischen Zusammensetzung verwendet. Die Schmelze wurde gekühlt und Stäbe daraus hergestellt. Die Stäbe hatten die gleiche Größe wie äie der vorangehenden Beispiele. Sie wurden in einem Iiaaersystem geprüft und für gut befunden.

Beispiel U

Bestandteil Gew.-9'

SiOo

MgO

OaO
BaO

59	5
19	1
4	0
5,
10,
2,

109882/1617 ~ ¹¹ "

Die vorstehende Zusammensetzung wurde verarbeitet, wie in den vorangehenden Beispielen beschrieben. Die aus der Schmelze hergestellten Laserstäbe wurden geprüft und für gut befunden.

Beispiel V '

Bestandteil G-ew. -fo

SiO₂ 70 Al₂O₃ 4

ligO 10

ITa₂O ■ 10

ZrO₂ 5

1,0·

Sin Laser der oben aufgeführten Zusammensetzung wurde nach der allgemeinen vorstehend beschriebenen Methode hergestellt und im Laborlaser geprüft. Sr wurde für gut befunden.

Beispiel YI -

Bestandteil'·- Gew.-^

SiO₂ 80

Al₂O₃ 5

CaO 5

ZnO 1

Ii₂O 5

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- 12 -

Bestandteil Q-ew . -4

O . 3

ITd₂O₃ 1,0

Die obige Zusammensetzunge wurde nach der vorstehend beschriebenen Methode verarbeitet und daraus ein Laserstab geeigneter Größe geformt.

Selbstverständlich sind viele andere Modifikationen, die

den
in/., ahme η der Erfindung fallen, möglich. Sie ergeben sich

für den Fachmann ohne weiteres.

Durch die Erfindung werden also Glaslaser geschaffen* wobei das Glas ein oiliziumoxyd-Äluminiumoxyd-Magnesiumoxyd-Calcium-Glas oder ein Siliziumoxyd-Aluminiumoxyd-Lithiumoxyd-GrIas ist und eine ausreichende Menge Heodymoxyd als laserfähige Substanz enthält. Die durchsichtigen Glaslaser nach der Erfindung haben einen durchschnittlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von unter etwa 65 x 10"'/ ⁰G₀

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Claims

Paten tan s ρ r ü ο Jb; e

o ■■■■

/1·/ Durchsichtiger Glaslaser relativ niedriger -,yrai.^: α iehnung,-gekennzeichnet durch die nachstehende

Bestandteil G-ew,-^

OaO BaO Ia₂O

54 - 80 4 - 34,5 O - 5,5 O ■ 1*5 O - 1Oj 1 3,9 - 5,5 ■ O 10 O - 5 O - 1,8 1 — 8

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ITd₀O

2. ■ Grlaelaser nach Anspruch !,gekennzeichnet durch die nachstehende Zusammensetzungί - .

BAD

Bestandteil OJ SiO °3 Al₂ MgO GaO 0 Ha₂ 2 ZrO BaO 2 TiO

Gew.-5

54 - 80 4 - 20 4 - 10 0 - 5,5 0 - 10 0 _ C 0 - 10 0 - 1,8 1 - 8

in welcher die Gesamtmenge von MgO + OaO +BaO + mindestens 19 Gew.-^ "beträgt.

3. Glaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

Bestandteil 2 SiO °3 Al₂ GaO ZnO 0 Li₂ ZrO BaO

Gew. - 65·, 4 20,9 2,7 V3. 3,9 2,0 1,8 2,0

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- 15 -

BAD ORiGiNAL

'4^:. Glaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

Bestandteil Grew. -#

SiOo 63,4.

C.

Al₂O₃ 20,9 Ii₂O- 3,9

ZrO₂ 2,0

BaO 4,0

ΜρΟ·2 4,0

TiO₂ 1,8 i

Glaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

Bestandteil Gew,-^

SiO₂ 54,2

Al₂O₅ 34,5

Ii₂O 5,5

ZrO₂ · 2,0 j

TiOo 1,8

,2,0

6. Glaslaser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

-16.-109882/1617

Bestandteil Gew.-?

SiO₂

MgO
BaO

59 5 19 1 *5, 0 10, 2,

7. Glaslaser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

Bestandteil Gew.-$

SiO₂ 70

Al₂O₃ 4

MgO 10

,0 10

ZrO₀ 5

C.

1,0

8. Glaslaser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

- 17 -

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Bestandteil Sew.-

80

₂₃ 5

OaO 5

ZnO 1

M₂O 5

O 3

₂Q^ 1,0

9. ?erfahren zur Hörstellung eines Glaslasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 1 "bis 8 Gew.-$ in einer durchsichtigen fflaszusammensetzung niedriger \7ärmeausdehnung disp er giert wird und daraus ein Laser geformt wird, wobei die Giaszusammensetzung die nachstehenden Bestandteile in den angegebenen Grewichtsprozentbereiehen enthält;

SiO₂

GaO SnO BaO

Ha₂O

54 - 80 4 - 54,5 0 - 5,5 0 -' f »3 0 10,1 5,9 -' 5,5 0 10 0 - 5 0 1,8.

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10. Verfahren zur Herstellung eines Lasers nach. .Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 1 Ms 8 Crew.-fi ifäUO^ in einer durchsichtigen 3-laszusamniensetzung niedriger Wärmeausdehnung dispergiert und daraus ein Laser geformt wird, wobei die Grlaszusammensetzung die folgenden Bestandteile in den angegebenen Gev/ichtsprozentbereichen enthält:

SiO₂ 54 - 80

Al₂O₅ 4-2.0

MgO 4 - 10

OaO 0 - 5_S5

Fa₂O 0-10

ZrO₂ 0-5

BaO 0-10

TiO₂ O- 1*8

worin die Gesamtzusammensetzung von MgO -t- GaO -s- BaO -§- I zusammen mindestens etwa 19 Gew.-p ausmachen, maß.

11. Durchsichtiger Glaslaser nach Anspruch 1, gefcennzeiclmet durch einen durchschnittlichen ^ä von unter etwa 65 x 10"V ⁰C.

12. Transparenter Glaslaser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen durchschnittlichen Wärmeaasdehiianigskoeffizienteii von unter etwa 65 x 10 / ⁰C.

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