DE2046070A1 - Laserwerkstoff - Google Patents

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER 2046070

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Düsseldorf, 16. September 1970 41,000

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Laserwerkstoff

_#Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen für den Einsatz in ciiiiciii Kesonanzhohlrauiii eines Lasergenerators bestimmten Laserworks Loff.

Die linorgietlbertragung von einem fluoreszierenden Stoff zu einem anderen oder zwischen gleichartigen fluoreszierenden Stoffen stellt in Verbindung mit Luminoszenzorsoheitningpn einen sehr wesentlichen Vorgang dar. Vor dein Aufkommen von Lasern wurde die übertragung von huorgie weitgehend in ^ui-bindung mit kommerziellen Leuchtstoffen, .vif· sie etwa in Leuchtstofflampen verwendet werden, einliosr.'l-zt , um deren Wirkungsgrad zu erhöhen, wobei diese Energieübertragung insbesondere in Vorbindung mit organischen Leuchtioffeii ausführlich untersucht wurde.

Durch das Aufkommen von La:ern haben EnorgioübortragungsvorgNnge zusätzlich als Mittel zur Vorbesserung dos Wirkungsgrades optisch gepumpter Laser an Bedeutung gewonnen. Die Arbeit an FluoroHssenzlampeti betraf hauptnttch 1 ich die Über führung von Energie zwischen t)b«'rgangi»i<itital 1 ionen untersehied 1ifher Typen, Im Gegensatz dazu wurden Untersuchungen au I.asorma torialion in erster Linie auf die Kneigioüborf'Uhrunfi von IJlxirgangsmotal 1 ionon zu JJu 1 tenordionon gerichtet.

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Das grundlegende Ziel der Energieüberführung bzw. Energieübertragung kann wie folgt beschrieben werden: Steht ein Ion mit gewünschten Fluoreszenzeigenschaften zur Verfügung (d.h. es emittiert in einem gewünschten Freuquenzbereich mit einer geeigneten Bandbreite) , das die Anregungsenergie jedoch nur in schwachem oder unwirksamem Maße absorbiert, so muß ein anderes Ion gefunden werden, das die gewünschten Absorptionseigenschaften besitzt und seine Energie wirksam und rasch an das emittierende Ion überführen kann. Das emittierende Ion wird dabei als Aktivator oder laserndes Ion, das absorbierende Ion dagegen als Sensibilisator bezeichnet. Die Energieüberführung erfolgt von dem Sensibilisator- zu dem Aktivator-Ion.

In der früheren, auf die gleiche Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung P 19 26 374.2 vom 28.5.68 wurde gezeigt, daß das Mineral Fluorapatit Ca₅(PO₄)F einen ausgezeichneten Träger für Sensibilisator- und/oder Aktivatorionen darstellt. In geeigneter Weise dotierter Fluorapatit weist hohe Verstärkungs- und niedrige Schwellwerte auf. Große Einkristalle dieses dotierten Materials werden im Czochralski-Verfahren aus stöchiometrischen Schmelzen bei Temperaturen von etwa 165O°C gewonnen.

Die hier erläuterten Laserwerkstoffe sind von Silicatoxyapatit-Trägern gebildet, die mit Neodym, Erbium oder Holmium dotiert werden. Im Rahmen der vorgenommen Messungen weisen diese Materialien ein gleichartiges Schmelzverhalten auf. Sie schmelzen bei erheblich höheren Temperaturen (etwa 2OOO°-22OQ°C) als Fluorapatit und besitzen eine höhere Materialstürke. Einige pulverförmige Oxyapatitstoffe sind als solche ebenso wie ihre Synthese bereits allgemein beschrieben worden, beispielsweise von Jun Ito in 53 American Mineralogist BUU, jedoch sind die Herstellung, Dotierung und der Einsatz Ln Vor« bindung mit Lasern von großen Einkristallen des erfindungsgemaiAtüi Werkstoffes bisher nicht in Uetracht gezogen worden.

Aufgabe vorliegender MrfliuUuii; Ist dl« Schaffung eines neuen und verhüHHOrten Werkstoffe« hoher Festigkeit für den Eineatz als Lnsrrkrlstnll In dom llenonanzhoh Iraum einen Lasergenerators.

ßAO ORIGWAL

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Laserwerkstoff erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Silicatoxyapatit-Träger der Formel CaM₄(SiO₄)₃O, worin M ein aus der Gruppe La, Gd und Gemischen daraus ausgewähltes Trägerkömponenten-Ion ist, ein aus der Gruppe Nd, . Er und Ho im Ionenkonzentrationsbereich von 0,02 bis 20 Atomprozent der in dem Träger enthaltenen Calcium- und M-Trägerkomponenten-Kationen ausgewähltes Aktivatorion aufweist.

Insbesondere kann der kristalline Silicatoxyapatit-Laserwerkstoff nach der Erfindung die empirische Formel haben:

worin M wieder ein La- oder Gd-Ion oder ein Ion eines Gemisches daraus darstellt. M ist als Trägerbestandteil anzusehen, weil es keinen Aktivator bildet und keine Holle als Sensibilisatorion spielt. M ist als Trägerbestandteil für den Aufbau des Trägerkristallgitters notwendig und stellt dabei den Hauptbestandteil dar, der durch Aktivator- und Sensibilisatorionen ersetzt wird. A steht für ein Aktivatorion (laserndes Ion), das für die Laserausgangsleistung verantwortlich ist. Das Aktivatorion A ist ein Nd-, Er oder Ho-Ion. Welches das lasernde Ion A in dem Kristall ist, kann durch Messung der Frequenz der Laserschwingungen und aufgrund bekannter spektroskopischer Daten bestimmt werden. Allgemein oszilliert zu einer bestimmten Zeit nur ein laserndes Ion. S steht für ein Sensiblisatorion, das nicht in dem Kristall enthalten zu sein braucht. Das Sensibilisatorion muß auf das lasernde Ion abgestimmt sein. Der Wert χ kann zwischen 0,001 und 1 schwanken, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 0,001 und 0,3 liegt, während y zwischen 0 und 4-x schwanken kann, wobei sein bevorzugter Bereich zwischen 0 und 1 liegt.

Der Laserwerkstoff nach der Erfindung hat einen niedrigen Schwellwert und eine niedrige Verstärkung, so daß eine verbesserte Energiespeicherung möglich ist. Der Laserwerkstoff nach der Erfindung weist gleichzeitig eine hohe Materialfestigkeit auf. Mit dem erfindurtgsgemäßen Material steht ein Laserkristall zur Verfügung, das erheblich höheren Pumpenergien ohne mechanische Verwerfungen widerstehen kann als Fluorapatit. Bei der Dotierung mit Neodym- und Erbium-Aktivatoren

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] ai.lt sich nur eine geringfügige Weigerung beobachten. Dadurch werden ernsthafte Kristnllprobleme verringert , wie sie in den meisten Trägern infolge Änderung in der Dotierungnseigerung längs des Kristalls auftreten, die etwa durch Teraperaturschwanlungen beim Ziehen hervorgerufen werden.

Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Energieniveaus von yensibilisator- und Aktivatorionen, die sich auf die Energieübertragung beziehende übergänge veranschaulichen;

Fig. 2 einen Lasergenerator mit dem Laserkristall nach der Erfindung in Zusammenwirken mit einer Strahlungsquelle in einem Laser-Kesonanzhohlraum;

Fig. 3 das Fluoreszenzspektrum eines CaLa_{n o}Nd_n , Linkristails, unpolarisiert und längs einer senkrecht zur "c"-Achse des Kristalls verlaufenden Achse aufgenommen;

fig. 4 das Absorptionsspektrum eines CaLa₃ n^Ndo ι (SiO₄) .,0-Mn kristalls, aufgenommen längs einer Achse senkrecht zu der "c"-Achse des Kristalls und durch eine Material stärke von 4,13 mm; und

Fig. 5 das Anregungsspektrum der Infrarot-Fluoreszenz eines CaLa„ ,,Nd_n ,$iO .) „O-ilinkristalls.

i) f +) KJ f Ϊ. Ίο

Die Silicatoxyapatit-Trägermaterialien der vorliegenden Erfindung haben die Formel CaM .(SiO.)„0, worin M ein aus der Gruppe La, Gd und Gemischen daraus ausgewähltes Ion ist. Diese Trägermaterialien haben Ionenstellen, die sowohl Seltenerd- als auch Übergangsmetall ionen aufnehmen. Die Kristallstruktur der Trägermaterialien CaLa₄(SiO^)₃O und CaGd₄(SiOj₃O, wobei La und Gd Bestandteile des Trägermaterials sind, ist hexagonal, wobei die Einheitszellen den Aufbau Ca^La₈(yiO₄)₍,O₍, und Ca^Gd^HlOj ,.O₀ haben. Diese Trägermaterialien haben einen Apatitaufbau (Kaumgruppe PG../in). Die

^£" 8ADOR₁O₁NA,

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Si -Ionen sind in JiO^-Tetraedern enthalten. Zwei Gruppen 0 "-Ionen sind anwesend; eine Gruppe ist Ή ' in clem TJiU .,-Tetraeder -iufjeordnet, während die andere Gruppe längs der "c"-Achse (zwei Ionen ρΐ·ο Einheits^elle) auftritt, wobei jedem Ion in der Ebene des horizontalen Spiegels für Pö Aa jeweils drei Kationen (CaI-cium oder Seltene Erden) zugeordnet sind. Es sind zwei Arten Kationenstellen vorhanden (Ca, oder Seltene Erden, oder Ca_TT oder Seltene Lrden,,), Die Aktivatorionen und/oder rjeltenerd-Sensibilisatorionen können das La, Gd und Ca in den Tragermaterialien ersetzen. Dabei treten sie an die Stelle einiger der fünf Calcium- oder Seltenerd(Gd und La)-Kationen in dem Träger CaM^₁(SiO )ü.

1-¹Ur die Trägermaterialien der vorliegenden Erfindung werden die Seltenerdionen Nd °, Er⁺ oder Ho⁺ als Aktivator- oder lasernde Ionen verwendet. Die Ionenkonzentration dieser Aktivatoren kann in dem Trägermaterial zwischen etwa 0,02 bis 20 Atomprozent der fünf Kationen (ein Ca- und vier M-Trägerbestandteil-Stellen) in dem Trägermaterial CaM,(SiO .)„0 schwanken. Der bevorzugte Bereich für den Aktivatoranteil liegt zwischen etwa 0,02 bis 6 Atomprozent. Unterhalb des bevorzugten Bereiches tritt im allgemeinen optische Absorption nicht in ausreichendem Maße auf, während es oberhalb des bevorzugten Bereiches zu einer Konzentrationssättifjunri kommen kann. Somit hat χ einen bevorzugten Wert zwischen 0,001 und 0,3, d.h. (0,001=x)/5 Kationen gleichen 0,020 Atomprozent und (O,3=x)/5 Kationen gleichen 6 Atomprozent. In Verbindung mit verbesserten ßlitzlichtlampenquellen ist es für spezielle Anwendungszwecke angebracht, daß der Wert χ größer als 0,3 ist.

Erfindungsgemäß können Sensibilisatorionen eingesetzt werden, um

+3 +3 +3

die Seltenerdaktivatorionen Nd , Er oder Ho in dem Trägermaterial zu sensibilisieren. Mit Fig. 1 sind die verschiedenen Schritte veranschaulicht, die bei keine Strahlung abgebender Energieübertragung auftreten: (1) Das Sensibilisatorion absorbiert ein Photon externer Strahlung mit der Energie r und hebt es von dem Sensibilisatorgrundzustand D auf einen angeregten Zustand A an; (2) der Sensibilisator fällt anschließend durch

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SAD ORKJtNAi.

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eir es ihotois ¹^' oder durch eii-cp l.oir=p Λ rnM rr;·; abgebenden VorTWi auf einen η i f'lriK^rep .ie ta -itrbi 1 er, /jhrütc! i" i\i>; (."?.) nachdem er; ;Ί; rial iur Gi t tor er fcspanri'iig um den -ieta.«·; ta'υi Ί en Zustand des ^err-?i:.'i liaators .,eko'.i.aer ist, ist uer Jersibilisotor entweder frei, tin Photon r' al;,-:iistr?hler. ot'er seine Lr.er^ie ;ui eir Λ\ί tivatorioi; .^u übertragen, wie fins nit U rr.redeutet ist;

(4) wem· flie '^loktronenüber ϊγ.,ό sowohl ir den; .!erisibil i.sator vl'i auch ir. den aVtivator ueide elektrische Li poliUier/.ar^e sind, l-arn das Dipolfeld des rr.rere ;ter ^ensiDilisTtors iv einem in der ϊ -i 1 je befindlichen Aktivator einen JjipolüOer^pnf auslösen , so daß der Aktivator auf einen nngere^ten Zustand a⁸ angehoben wird,' wobei der Sensiblisator gleichzeitig auf seinen Grundzustand zurückkehrt;

(5) dieser Übergang überträgt ein kner..;iequant von dem Sensibilisator an den Aktivator. ISach seiner Anregung kann der Aktivator durch Photonenemission auf ein niedrigeres metastabiles Niveau K' und dann gelegentlich entweder direkt oder über ein Zwischenniveau D¹ auf seinen ürundzustand D⁹¹ abfallen. Hinsichtlich ins einzelne gehender Jeschreibungen dieser Energieübertragungsvorgänge sei verwiesen auf D.L. Dexter, J. Ch em, Phys. , lief t 2.1 ,1053 , Üeite 836.

Die Jedingungen für die wirksame Energieübertragung von dem Sensi bilisator zu dem Aktivator sind bei nicht strahlender Übertragung:

(1) Ausreichende Energieüberlappung zwischen dem Sensibilisator-Emissionsband und einem Absorptionsband des Aktivators; (2) hohe Oszillatorstärken sowohl für den Sensibilisator als auch den Aktivator; (3) ein relativ hoher inhärenter Strahlungsquanten-Wirkungsgrad sowohl für den Sensibilisator als auch den Aktivator. Zusätzlich zu den vorgenannten Kriterien gibt es einige allgemeinere Kriterien für einen brauchbaren Sensibilisator. Diese sind: (1) Der Sensibilisator soll Strahlung in einem spektralen Bereich absorbieren, wo der Aktivator nur eine geringe oder keine Absorption hat;

(2) der Sensibilisator soll in einem Bereich absorbieren, wo die pumpende Lampe Energie in nennenswertem Maß ausstrahlt, und (3) der Sensibilisator soll nicht absorbieren, wo der Aktivator emitt -rt, oder sonstige nachteilige Wirkungen auf den Strahlungs-Wirkungsgrad des Aktivators ausüben. Zur Erzielung einer wirksamen Energieübertragung ist es notwendig, daß die Übertragungsgeschwindigkeit

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_[t ι __

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(R in Fig. 1) größer ist als die Geschwindigkeit, mit der der Sensibil i.satoi· auf seinen Gruudzustand (r" in Fig. 1) abfallt.

Die in Verbindung mit dem Materin 1 nach der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Gensibilisator-Ionen würden 'Jbergnngsrnetril] - und Sei tenerd-Ionen umfassen, die (a) sonst nicht von dem Wtivator (Iasei*ndes Ion) absorbierte Strahlungsenergie absorbieren und (b) diese absorbierte Energie an den Aktivator übei'tragen können.

Es eignet sich eine Keihe von Übergangsmetall-Ionen und Seltenerd-Ionen zur Sensibilisierung der Aktivatorionen in den den Träger bildenden Laserkristallen, jedoch werden die besten Ergbenisse erzielt, wenn bestimmte Sensibilisatorionen auf die Aktivatorionen in dem speziellen Träger abgestimmt werden. Die folgende» Tabelle zeigt einige vorteilhafte Kombinationen;

Tabelle 1

Träger

CaLa₄(SiO₄)₃O CaGd₄(SiO₄)₃O

Bei der Herstellung des Laser-Kristallmaterials nach der vorliegenden Erfindung wurden 12,0000 g CaCO₃, 76,1780 g La₉O₀, 2,0174 g Nd„O^ und 21,6022 g bei 1300 C unter Austreibung des V/assers mehrere Stunden lang vorerhitzte Kieselsäure miteinander gemischt. Alle Komponenten wiesen Lumineszenzqualität (Reinheit größer als 99,0¹T) auf. Die Bestandteile wurden in ein Iridiumgefrß gebracht und bei etwa 2200 C (gemessen mit einem unkorrigierten optischen Pyrometer) geschmolzen.

Im dem übplichen Czochralski-Verfahren, wie es in einem Aufsatz von J, Czochralski in "Zeitschrift für Physikalische Chemie", !eft 92, Seiten 219-221 (1918) beschrieben wird, wurden Kristalle ei 22OO°C aus der Schmelze gezogen. Eine jüngere Beschreibung des 3rfahrens findet sich in einem Artikel von JI, Naussau und L. G.

	Cr+3,	Geeignete Sensibi
AIc ti vat or -I on		lisator -Ionen
Nd+3		Mn+2
Er+3	Cr+3,	Yb+3
Ho+3	Tm+3, Er+3, Yb+3
Nd+3	Mn42
Er+3	Yb+3
Ho+3	Tm+3' Er+3, Yb+3

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Eitert in ''Journal of Applied Physics", lieft 31, ^:..le\tc ι Γ

ί ■< r Ofen wurde von einen mittels einer Neopren-Dichtung und einem ":i:ssingflausch angeschlossenen Quai'zzylinder umgeben. Die Isolation uts Iridium-^T3ehälters erfolgte durch 13 mm dicke, zu einen Zylinder aufgestapelte Zirkonerdoquadranten. Die Vi"'rmever teilung in der lchvidze wurde durch liinstellung des Behälters in'den Feld der Arbeitsspulo und durch I udem ng des Abstanden der Zir'.onei'dequai!r:iii1:en und dei oberen ,"-bschlußplatte eingestellt, als Lnorgieruelle diente ein Westinghouse 30 kVA met or Ret¹: iobenor 10 kliz-Generator mit einer wassergekühlten Kuof er-Arbeitsspule. Das Zielijrer'^t war .so ausgelegt, daß mit Ziehgeschwi ndigkeiten zwischen 1 und ·1Ο inm/ntd und Umlaufsepchwindipckeiton von 10-170 Unm {jearbeit( t werden konnte. Die Temperatur wurde durch Verwendung des AusgangssignnIr einer zu einem radiamatischen Detektor führenden Saphir-Lichtröhre gesteuert, v/obei der Detektor das /tisgan gssignal an einen L- und N-Azar-Aufzeichnungsregler v/eitergab. Die Spannung von dem Aufzeichnungsregler liefert in Vorbindung mit einem L- und N-StiOmeinstellungr.rel.ais den Eingangsstrom für einen linearen Norbatröl-Leistungsregler. Die Norbntrol-Ausgangsspannuug 1iefert die für den 30 kllz-Generator erforderliche Felderregung.

De?" Keim wurde auf einer vassergekühlten Welle gehalten, die mit einem Gewinde füi* die Aufnahme eines Iridium-Futters versehen war. Der Behälter und das Futter wurden gegen Oxydation durch Argon-Atmosphnre geschützt. Für das Ziehen der Kristalle wurden ausgerichtete Keime verwendet. Diese wurden erhalten, indem mit einem aus einer langsam gekühlten Schmelze gewonnenen polykristallinen Keim begonnen wurde. Die Kristalle wurden bis zu einer Größe von etwa 13 mm Durchmesser und 52 mm Länge gezogen. Die Kühlgeschwindigkeiten der gezogenen Kristalle schwankten zwischen 2 und G Stunden.

Die Nd-, Er- oder Ho-Laserionen enthaltenden gezogenen Kristallmaterialien lassen sich als Laser-i'ristallstfibe in einfachen Lasern und für verwickeitere Laseranwendungsfn"lic wie Q-Switeh-L.iser einsetzen, wie sie im einzelnen in den Kapiteln 3 und 4 und insbesondere auf den Seiten 132-160 der Veröffentlichung "Tho Laser" von Yi,V. Smith und O.P. Sorokin, MoGrηw Hill, 1000, be-

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SADORtGtNAU

Mit Fig. 2 ist schonatisch eine einfache Aus-fiihrup^s-fονια eines typischen ""Laser-Generators ™it?clergegeben » Zv?Ischen Uofleiitoren Γί und 21 befinden sich ein Laser-^esonanzbohlrauia mit oioom Laserkristall 22, eine Strahlungsquelle 23, wie etwa eine ßjilzlichtlamne, die dem Kristall die erforderliche Pumpenergie zufährt, und 3gf. ein O-üwitch, wie das mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Der Reflektor 20 reflektiert teilweise, so da-°, Lichtstrahlen 24 ηit kohärenter Strahlung durch diesen hindurchtreten koanen, wnhrend der Reflektor 21 hochreflektierend ausgebildet ist.

Das Grundprinzip von mit einem <?-3v/itch arbeitenden Lasern besteht darin, daß sich damit eine sehr hohe Besetzungsumkehr aufbauen lM?jt, indem man die Laserhohlraum-Verluste beim Pumpen des Lasers übermäßig groß macht, so daß der Laser an einer vorz3itigen Schwingung gehindert wix'd. !lach Erzielung einer starken Inversion werden plötzlich günstige Bedingungen für die Schwingung eingestellt, in dem die Hohlraumvei-luste rasch sehr klein gemacht werden, so daß plötzlich ein Zustand großer Verstärkung verwirklicht wird. Der Q-Sv/itch könnte beispielsweise eine in Lösung befindliche matallo-organische Verbindung wio Phtalocyanin enthalten, die Licht von dem Kristall absorbiert. Der Purapenergieei η gang von der FJlitzlampe nimmt zu, bis die Verstärkung in dem Laserkristall den Verlust infolge von Absorption La dar Q-Switchzelle übersteigt und der Laser beginnt, schwach kohärentes Licht auszusenden. Ein sehr kleiner Anteil dieses Lichtes führt zu einem Bleiehen der Lösung, die dann nahezu vollkommen transparent für das Licht wird. In diesem Augenblick tritt plötzlich ein sehr großer Lichtimpuls auf, der die gesamte in dem Laserstab gespeicherte Energie führt,

iäiner der mit einer Geschwindigkeit von etwa 6 mm/std aus einer Schmölze von etwa 220O⁰C gezogenen Kristalle zeigte bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikron Laserverhalten. Die Kristallzusammen- n&tz\mg ;mr CaLa₃ q$ü_q ^ (SiO₄>₃0. Dieser gezogene Körper wurde geschliffen mid poliert,. Durch die abschließende Behandlung der Stabenden \r,?.rc!«m polierte Endflächen mit einer ParaXlellitftt von

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-Iu-

)'.'53er als 6 'io,;ensei*i.Uiden erhalten, rite einem Zehntel Wellen- -in;';e des ile-Lichtes gegenüber eben waren. Der Körper hatte uic Gestalt eines rechteckigen ,Stabes ni t den Abmessungen ή ,.?6ö ma :: ~.i ,302 um χ 10,41? u-,i und wurde in eir.ou iiylinriri.schen ile £ Ie :-:i or, a-"ohlriurii Mit ebenen Je fiel· torer, rr-.d eir.e.r. Durchmesser von ca b,:.i ca untersucht.

Der bei allen i'ulsuntersuchun-Ten verwendete Larierkopf war ein zylindrischer L-yrex-üeflexions^ylinder mit einem Durchmesser von ⁷5 am und einer Länge von 7(3 „ία und r,wei reflehtiererden Pyrex-Lndplatten mit eingearbeiteten Löchern für die Lampe und den' Stnt>. Die Vorder!lache wurde mit aufgedampften Aluminiumschichten versehen und mit λ/10 C_;uar:i als ijchutz uVier.^o^en. Die iiesonatorreflexionswerLe betrugen beide -j£ ,9/,'c. Diametral /,e^enüber dem Lawar eine i-LK XeL-C -;;ei-oii-Jli trJ a^rape mit einem Mittelabzwischen der Lampe und dem Ltab von ca 15,5 -.am angeordnet. Diese Blitzlampe war ein 3reitband~E iiitter mit einer Scheitelemission um 5800 Ä. Der Laserstab war in einem doppelwandiyen Pyrex-Zylinder abgestützt, der mit einer Wasner.fi lter lösung aus NaNO₀ gefüllt war, um UV- Jtrah lun,r daran zu hindern, den untersuchten Laserstrahl >:u erreichen. Die 31itzlampe wurde von einem geladenen 340 JA F Kondensator gespeist, der über eine in iieihe mit der Lampe geschaltete 15OyU !!-Induktivität entladen wurde. Zur Sicherung einer lanzen Lebensdauer wurde die maximal in die Blitzlampe eingespeiste Energie unter 100 Joule gehalten. Der beschriebene liLC-Uchaltkreis erzeugte 33 i tz lampen-Impulse mit einer Dauer von etwa 800 μ sec.

Wenngleich die Arbeitswerte von Lasern durch die Eigenschaften ihrer aktiven lasernden Ionen bestimmt werden, hängen die tatsächlich erzielten Ergebnisse für jedes System in starkem Maße von Verunreinigungen in dem Kristall ab. Mikroskopisch kleine, für das Auge unsichtbare Verunreinigungen können das Auftreten vor. Laseroszillationen praktisch ausschalten. Die Anwesenheit von Blasen oder Einschlüssen kann zu einer erheblichen Streuung des Strahls und Erhöhung des Schwellwertes führen.

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Trotz der kleinen ;jtab^röiäe dos CnLa₀ .~i<d,_v , (SiU ,) _oü-Kristalls seiner angenommenen schlechten wholität und der Tatsache, daß es in der C-^Ii entmin," (die als dichtung niedriger Verstärkung 'jilt) senkrecht zu den ..{esonntoren ausgerichtet war, wurde für *?ai"ntejiperatur bei dem erstaunlich riedri-;er Gchwellwert vor etv.a Joule bereits eine Laserwirkimg er.iielt. Für ;rö"?,ere Kristalle höherer £;ualität sollten Schwellwerte von 4 Joule möglich sein.

Die Messung des Laserschvvel 1 wertR wurde durch die übliche .Ausrichtung des Laserstabes in dem Laserkopf ^e-renüber den äußeren Reflektoren erzielt. Line lP2C>-Photoröhre wurde dann in den \{e_:- des Strahls gebracht, wobei ein 1,06 lu'ikron-Interferenzfilter zwischen den Laser und die Photoröhre geschaltet wurde, um das Grundsxi?nal zu verringern, Das PhotorQhren-Aus;;an^ssi;"inal wui*de mittels eines Typ SSS-Tektronix-Doppelstrahlossillo^raphen wiedergegeben, wobei ein Strahl mit auseinandergebogenen Maßstab arbeitete. Die Schwellwerte konnten ^enau bestimmt werden , da der Einsatz der Laserwirkun^ in form charakteristischer Nadeln ei^scheint, wie sie bei anderen Materialien wie .iubir sichtbar sind.

Spektroskopische Daten hinsichtlich der Fluoreszenz und der Absorption von CaLa«, qRcL _l"(3iü₁)„U sind mit den Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Das l^luoreszenzspektrum (Fig. 3) des obigen Kristalls zeigt in der Nähe des Infrarot einschlieiälich des 1,06 Mikron-Wertes eine Emission entsprechend der Nd-Laserlinie. Für CaLa_{3 r}Nd ,

₇₁)^O ist diese Linie etwa zehnmal breiter als in mit Keodym dotiertem Calciumfluorophosphat (50 A gegenüber G,5 R). Der neue Silikatoxyapatit-Träger sollte bei Dotierung mit Neodym eine verbesserte Fähigkeit haben, Energie zu speichern, und sich daher in besonders vorteilhafter Weise für Laseranwendungsfälle mit einem Q-Switch einsetzen lassen. Das sichtbare und nahezu infrarote Absorptionsspektrum (Fig. 4) für einen CaLa₀ 0Nd₀ ,(SiO₄)„0-Einkristall zeigt die erhebliche Überlappung der Absorptionsbänder, die sich für dieses Lasermaterial finden lassen. Das deutet auf eine verhältnismäßig hohe Durchschnitts-Absorption der Pumpstrahlung hin. Die relative Intensität der 1,06 Mikron-Linie betrug

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■'·.·■.· ihre boiler Pol ari sr Ii on en (Ιγ/lJ) für öioso .Probe l.·¹, vvihrcnd die Abfall^eit für die Nd-Emission einen Wert von 194 Mkrosekunden hatte.

Das Anregun?sspektrum (Fig.5j der 1 ,ü8-Lmissiönsiinie zeigt, daß

■ ■ 4 die Knergie von den Absorptionsniveaus auf den F„ ,^-Zustand, d.h.

das ursprüngliche Laserniveäu, übertrafen wird.

Der Schmelzpunkt von mit l<eödym dotiertem CaLa^(Si(J.) _O0 liegt erheblich höher als für mit Neodym dotiertes Ca_r(PU,)F. Für die Här te von polykristallinen Proben dieser beiden ilaterialien ergeben sich folgende Vergleichswerte:
;,iaterial Khööp-ilärte (2öü g Last) Moh-Härte

C^La _A (3Id^) _?b :KM vnt)

£)£*-. t^pvvAsr^o StO¹WIr¹M-Ttriid ·Γ)ΐ- v^orWTiiriof.t^tt^t ^"Lp j (SiO .) ^O ist pbei-fpiis iioch , rtiH eirr I'robe . die -lot "lic!" riroi· Kffii n<=<fiamnie ais pget :,t wurde . ••,p-i.-te bis · m Sr·" ι nn Ί. ■ -t> vl< t 'ei.ie Ab"int·· ersc'ieinungeiii Aile Daten zeigen, dafc CaLa^ (SiC.) ^U :Nd dotiertem Cilciumfluorbpiibsphät sowohl hinsichtlich des Widerstandes gegenüber mechanischer ßeanspruchüng als auch hihsich'tlich Störuhgeh bei hohen JPünipniveaus überlegen sein sollte.

Das Absorptionsspektrum wurde mittels eines lierkömmlichen Cary-Mödell 14-Spektrömeters gettiessetii Das Ahreguhgs- und Fluoreszenzspektrometersystem bestand aus zwei Gitter-Monochromatoren zur Dispersion des anregenden und des fluoreszierenden Lichts sowie zugeordneten optischen Systemen, Detektoren, Lampen und elektronischen Elementen. Als Quelle würde eine Ösräm-Latnpe vom Typ XBÖ-9ÜÜ verwendet, eine kochdruck-Xenon-Öogehlampe, die von einer Gleichstromquelle mit einer Weiligkeit von weniger als 1% gespeist würde. Die Fiuoreszehzmessungeh erfolgten mittels eines Jarrell-Ash-Mönochromators. iEiri bei 4ÖO0 I geblitztes 600 1/mtn-Gitter gestattete die Aufnahme von Änregungsspektren zwischen 2500 und lö 00Ö 8.

Die Quantendetektoren verwendeten auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs gekühlte UCΛ 7302-Phötovcrvielfacher.

Patetitansprüche:

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BAD

Claims (6)

1. 2Ü46070

   a t e η t a u rs ρ r ü c h c j

   .J Laserwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, da.3 ein Silikatoxyapatit-Ti^lfiger der Formel CaM₄ (SiO^, ),-,0, worin M ein aus der Grunpe La, Gd und Gemischen daraus ausgewähltes Trngerkoinponen« ten-Ioti ist, ein aus der Gruppe Nd, Er, Ho im Ionenkonzentrationsbereich von 0,02 bis 20 Atomprozent der in dem Träger enthaltenen Calcium-· und M-Tr^.gerkomponentenkationen ausgewähltes Aktivatorion aufweist.
2. 2. Laserv/erkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tr-T ger das Aktivator ion Nd in dem Ionenkonzentrat ionsbereich von 0,02 bis 6 Atomprozent enthnlt.
3. 3. Laserv/erkstoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

   die empirische Formel CaM_A (3iO.)oO:A ,Sy, worin M ein

   <t-x—y ι ο χ

   aus der La und Gd enthaltenden Gruppe ausgewähltes Ion ist, A das Ion Nd und S das Sensibilisatorion Mn ist, ferner χ einen Wert zwischen 0,001 und 1 und y einen Wert zwischen 0 und (4-x) hat.
4. 4. Laserwerkstoff nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er die empirische Formel CaM₄ „„_ (3i0.)_o0r A. , S hat und A das Ion Er, S dagegen das Sensibilisatorion lh ist, während χ einen Wert zwischen 0,001 und 1, y dagegen einen Wert zwischen O und (4-x) hat.
5. 5. Laserwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die empirische Formel CaM₄ (SiO.KOrA ,S worin A das Ion Ho, S ein Sensibilisatorion aus der Gruppe Cr, Tm, Er und Yb ist, χ einen Wert zwischen 0,001 und 1 und y einen Wert zwischen 0 und (4-x) hat,
6. 6. Laserwerkgtoff nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß y => 0 ist und χ einen Wert zwischen 0,001 und 0,30 hat.

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   Leerseste