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Glaslaser und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft
Hochleistungs-Glaslaser und insbesondere Glaslaserzusammensetzungen des Lithiumoxyd-siliziumoxyd-Systems,
die wesentliche Mengen ausgewählter Erdalkaliverbindungen und Gemische davon enthalten.
Dadurch werden ein relativ hoher Wirkungsgrad und geringe Solarisation in Hochleistungslasern
erhalten.
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Auf dem Gebiet der Hochleistungslaser ist ein Lasermaterial erwünscht,
das eine hohe Ausgangsleistung im Vergleich zur Eingangsleistung hat. Außerdem sollten
die Laserstäbe gegenüber Verfärben oder Solarisation resistent sein. Die bisher
bekannten Glaslaser haben in dieser Hinsicht eine Reihe von Nachteilen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Glaslaserzusammensetzungen
zu schaffen, die bei hoher Anregungsleistung (in high energy applications) einen
relativ hohen
Wirkungsgrad haben und geringe Solarisation zeigen.
Es sollen Glaslaserzusammensetzungen des Lithiumoxyd-siliziumoxyd-systems relativ
hohen Wirkungsgrades geschaffen werden, die geeignete Wärmeausdehnung und Innenmechanismen
haben, so daß nur ein Minimum an Pumplicht in Wärmeenergie umgewandelt wird. Ferner
soll ein Verfahren zur Herstellung solcher Glaslaserzusammensetzungen geschaffen
werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch Glaslaserzusammensetzungen des Lithiumoxyd-
siliziumdioxyd-systems, die wesentliche Mengen ausgewählter Erdalkaliverbindungen
enthalten; die Zusammensetzung ist, ausgedrückt auf die Oxydbasis, gekennzeichnet
durch 45 bis 75 Mol-$ Siliziumdioxyd, 15 bis 35 Mol-% Lithium--oxyd, 1/2 bis 30
Mol- Erdalkalioxyd, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus MgO, BeO, Sr, BaO und
Gemische davon, und Mischungen von einem oder mehreren der vorstehend erwahnten
Erdalkalioxyde mit CaO, etwa 0,1 bis 2 Mol- Neodymoxyd und, wenn gewünscht, 1/10
bis 1/2 Mol- Ceroxyd. Die Gesamtmenge Lithiumoxyd plus RO (MgO, BeO usw.) ist nicht
wesentlich größer als 50 Mol-%.
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Die Erfindung, ihre Merkmale und die Vorteile, zu denen sie führt,
werden nachstehend näher beschrieben.
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Die Erfindung betrifft verbesserte Glaslaserzusammensetzungen
des
Lithiumoxyd-siliziumoxyd-systems, welche wesentliche Mengen einer ausgewählten Erdalkaliverbindung
enthalten und mit Neodymoxyd dotiert sind. Die Glaslaser zeichnen sich durch besseren
Wirkungsgrad bei hoher Anregungsenergie aus.
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Im allgemeinen enthalten die Glaslaserzusammensetzungen nach der Erfindung,
wie oben beschrieben, die nachstehenden Bestandteile innerhalb der angegebenen Bereiche,
wobei die Bestandteile auf Oxydbasis berechnet sind und die Mengen in Mole und Gew.-%
angegeben sind: Bestandteile Mol-% Gew.-% SiO2 45 bis 75 50 bis 80 Al203 0 bis 8
0 bis 15 Li20 15 bis 35 8 bis 20 RO 1/2 bis 30 1/2 bis 30 Nd2O3 1/10 bis 2 1/2 bis
8 worin RO ein Glied ausgewählt aus der Gruppe MgO, BeO, SrO und BaO sowie Gemische
davon oder Gemische von einem oder mehreren dieser Oxyde mit CaO bedeutet.
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Die Erfindung betrifft eine Glasgrundsubstanz eines
mit
Neodymoxyd dotierten Hochleistungsglaslasers, wobei die Glasgrundsubstanz ein Lithiumoxyd-siliziumdioxyd-glas
ist, welches wesentliche Mengen, d.h. mindestens 1/2 bis 30 Mol4, der oben aufgeführten
Erdalkalioxyde enthält.
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Der Ausdruck "Erdalkalioxyd" bedeutet, so wie er hierin gebraucht
wird, auch Gemische von Erdalkalioxyden. Wenn sich der Anmelder auch nicht auf eine
bestimmte Theorie festlegen will, so wird doch angenommen, daß das verbesserte Verhalten
der Lithiumoxyd-siliziumdioxyd-gläser von dem -kleinen Durchmesser des Lithiumions
und seinem Platz in der Glasstruktur herrührt. Das Lithiumion ist klein genug, um
in der Struktur sechsfach kobrdiniert zu werden, und jedes Sauerstoffatom kann einen
größeren Anteil seiner Energie zur Bindung mit dem Lithium beitragen als ein Sauerstoffatom,
das ein Teil einer achtfachen Koordination ist. Dies führt in einem größeren Maße
zur Polarisation des Sauerstoffions, was dann eine größere Polarisation des Neodymions
gibt.
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Wie weiter oben gesagt, bringt schon eine so kleine Menge Erdalkalioxyd,
wie 1/2 Mol-%, eine gewisse Verbesserung der Eigenschaften des Glases bezüglich
Umwandlung der Eingangsenergie in Ausgangsenergie, und der resultierende Glaslaser
hat einen hohen Wirkungsgrad und eine sehr geringe Solarisation. Im allgemeinen
kann das Erdalkalioxyd
in einer Menge bis zu 29 oder 30 Mol-% eingesetzt
werden, und es wird noch ein gutes Glaslasermaterial erhalten, vorausgesetzt, daß
die Gesamtmenge des ausgewählten Erdalkalioxyds oder der Erdalkalioxydmischung und
Lithiumoxyd 50 Mol-% nicht übersteigt. Wenn Gemische von CaO und einem oder mehreren
anderen Alkalioxyde eingesetzt werden, so enthalten die Mischungen vorzugsweise
mindestens 0,1 Mol-% der anderen Erdalkalioxyde.
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Die bevorzugten und optimalen Glaslaserzusammensetzungen sind nachstehend
aufgeführt, wobei jeder Bestandteil in Mol- angegeben ist: Bestandteil bevorzugt
optimal SiO2 48 bis 65 49 bis 62 Al203 0 bis 8 2 bis 5 Li20 20 bis 30 25 bis 30
RO 5 bis 25 8 bis 22 100 100 wo-zu zuzufügen ist: Nd203 0,1 bis 2 0,1 bis 1 Ce°2
0,1 bis 0,3 0,1 bis 0,2 worin RO die gleiche Bedeutung wie oben angegeben hat.
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Zur Menge Siliziumdioxyd in den Zusammensetzungen ist zu sagen: Wenn
die untere Grenze des Siliziumdioxyds unter 45 Mol-% liegt, neigt die Zusammensetzung
etwas zur Instabilität, indem sie schwieriger zu handhaben ist und leichter entglast.
Wenn die Menge Siliziumdioxyd 75 Mol-oder mehr beträgt, fällt der Laser-Wirkungsgrad
ab, insbesondere wenn der Lithiumoxydgehalt an der unteren Grenze liegt.
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Wo das ausgewählte Erdalkalioxyd in der minimalsten Menge oder bei
der unteren Grenze vorliegt, werden im allgemeinen 24 Mol- Lithiumoxyd tenötigt.
Wenn der Lithiumoxydgehalt am Minimum, also bei 15 Mol-% liegt, müssen mindestens
10 Mol-% des ausgewählten Erdalkalioxyds vorhanden sein, um eine wesentliche Verbesserung
des Wirkungsgrades zu erzielen.
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Wahlweise können bis zu 8 Mol- Aluminiumoxyd eingesetzt werden, im
allgemeinen wird bevorzugt, daß, wenn Aluminiumoxyd benutzt wird, dieses mindestens
in einer Menge von 2 Mol-% eingearbeitet wird, um die ungewöhnlichen Eigenschaftskombinationen
des Laserglases einschließlich chemischer Beständigkeit, hohen Wirkungsgrades und
geringer Solarisation zu erhalten.
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Wie bereits gesagt, wird Neodymoxyd im allgemeinen in einer
Menge
von 0,1 Mol-% bis 2 Mol-% oder darüber eingesetzt, wobei der bevorzugte Bereich
von 0,1 bis 1 Mol-% geht.
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Besonders bevorzugt wird eine Menge von mindestens 0,1 Mol-% Nd203
in der Zusammensetzung, die optimale Menge liegt gewöhnlich zwischen 0,1 bis 0,8
oder 1,0 Mol-%.
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Im allgemeinen beträgt die Menge des die Solarisation inhibierenden
Oxyds, welches vorzugsweise CeO2 ist, 1/10 bis 1/2 oder mehr Mol-%. Der Einsatz
von mindestens 1/10 Mol-% CeO2 hilft die Solarisation zu inhibieren, welche ein
Dunkeln des Stabes und infolge davon einen wesentlichen Verlust an Wirksamkeit nach
sich ziehen würde. Vorzugsweise wird die Menge CeO2 relativ niedrig gehalten, so
daß die anderen erwUnschten Eigenschaften des Glaslasers nicht beeinflußt werden.
In manchen Fällen können andere inhibierende Oxyde, wie Antimonoxyd und Titanoxyd
das CeO2 ganz oder zum Teil ersetzen, vorzugsweise sind aber mindestens 50 Mol-%
der inhibierenden Oxyde CeO2. Wenn das hier Ceroxyd als CeO2 angegeben wird, so
ist go zu verstehen, daß das in den Gläsern vorliegelde Ceroxyd gewöhnlich sowohl
als CeO2 als auch als Ce2O3 vorliegt, wobei Oe203 wahrscheinlich den Hauptanteil
ausmacht.
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Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung noch besser veranschaulichen.
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BEISPIEL 1 Eine Schmelze wurde durch Mischen von Rohmaterialien von
Reagenzqualität unter Bildung einer Glasschmelze hoher optischer Qualität folgender
Zusammensetzung hergestellt: Bestandteil Mol-% SiO2 60 Al2°3 2,5 Li2O 27,5 MgO 10
100 zu welcher zugefügt wurde Nd2O3 0,5 CeO2 0,16 Die vorstehende Zusammensetzung
wurde durch Schmelzen der folgenden Glassatzbestandteile bei 1371 0C erhalten:
SiO2
2048,10 g Al203 144,90 g Li2C03 1162,35 g MgC03 541,59 g Nd203 95,70 g CeO2 15,60
g Das Siliziumdioxyd, das eingesetzt wurde, war kristalliner Quarz (im Handel unter
dem Namen Amersil A 98 erhältlich).
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Kalziniertes Al (OH)3 (kalziniertes nach Baker analysiertes Reagenz)
war die Quelle für Al203. Beide Carbonate, das Lithium- und Magnesium-carbonat,waren
ebenfalls nach Baker e analysierte Ragenzien. Das Neodymoxyd war das Produkt nach
dem Lindsay Code 629,9,und das Ceroxyd war das Produkt nach dem Lindsay Code 217.
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Nach dem Bilden der Schmelze wurde das Glas 3 Stunden lang bei 510
OC gekühlt.
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Dann wurden aus dem Glas Stäbe eines Durchmessers von 1,27 cm und
einer Länge von 10,16 cm gebildet,und die Enden der Stäbe wurden auf eine enge Toleranz
poliert.
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Die Stäbe wurden dann in einem zylindrischen Hohlraum, der eine innere
Oberfläche aus hoch poliertem Aluminium hatte, eingesetzt. Eine schraubenförmige
Xenon-Blitzlichtlampe
(PEK XE5-2153-2 der PEK Laboratory, Sunnyvalia,
Californien) wurde benutzt. Die Energie wurde der Lampe von einer Stromquelle zugeführt,
die Kondensatoren enthielt, welche zur Erzeugung einer konstanten Kapazität aufladbar
waren (die Stromquelle ist eine von der Firma Lear Siegler, Inc.
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in den Handel gebrachte Energy Storage Unit and Control Power Unit.)
Bei diesem Versuch wurde die Kapazität auf 200 Mikrofarad konstant gehalten,und
die Spannung wurde von 2,5 auf 4,0 RV verändert. Es wurden höchste Wirkungsgrade
erhalten.
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Der Stab änderte seine Farbe nicht und verschlechterte sich auch nicht
in anderer Weise durch das Ausgesetztsein des starken Lichtes der Xenon-Blitzlichtlampen-Pumpeinheit,
selbst nach vielen Impulsen BEISPIEL 2 Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde eine
Glasschmelze nachstehender Zusammensetzung hergestellt: Bestandteile Mol-% SiO2
59,16 2 3 3,34 Li20 27,5
Bestandteile Mol-% BeO 10 100 Zusätze:
Nd2O3 0,5 CeO2 0,16 Aus der Schmelze wurden Stäbe gezogen und diese auf den Wirkungsgrad
in einem Hochleistungs-Prüfsystem, wie in Beispiel 1 angegeben, getestet. Die Laserstäbe
zeigten verbesserten Wirkungsgrad.
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Die Stäbe verdunkelten sich durch das starke Licht der Pumpstrahlung
der Blitzlichtlampe nicht.
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BEISPIEL 3 Wie in Beispiel/beschrieben, wurde eine Glasschmelze hergestellt
und daraus Stäbe gezogen. Die Glasschmelze hatte folgende Zusammensetzung:
Bestandteile
Mol-SiO2 60 Al2O3 2,5 Li2O 27,5 SrO 10 100 Zusätze: 2 0,5 Ce02 0,16 Die Stäbe wurden,
wie in Beispiel 1 beschrieben, getestet.
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Es zeigte sich, daß sie einen relativ hohen Wirkungsgrad und zur geringe
Tendenz zur Solarisation besaßen.
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BEISPIEL 4 Es wurde wie in Beispiel 1 eine Glasschmelze hergestellt
und daraus Stäbe gezogen. Die Schmelze hatte folgende Zusammensetzung:
Bestandteile
Mol-% SiO2 60 Al2O3 2,5 Li2O 27,5 BaO 10 100 Zusätze: Nd2O 0,5 CeO2 0,16 Die Stäbe
wurde wie in Beispiel 1 beschrieben, getestet und zeigten guten Wirkungsgrad und
verminderte Neigung zur Solarisation.
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BEISPIEL 5 Es wurde , wie in Beispiel 1, eine Glasechmelze hergestellt
und daraus Stäbe gezogen. Die Schmelze hatte folgende Zusammensetzung:
Bestandteile
Mol-% SiO2 50 Al2O3 2,5 Li2O 27,5 BaO 20 100 Zusätze: Nd2O3 0,5 CeO2 0,16 Die Stäbe
wurden, wie in Beispiel 1 beschrieben, getestet und zeigten guten Wirkungsgrad und
verminderte Neigung zur Solarisation.
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BEISPIEL 6 Die nachstehende Zusammensetzung wurde zur Bildung eines
Glaslaserstabes benutzt;
Bestandteile Mol-% SiO2 60 Al2°3 2,5 Li2O
27,5 MgO 3 CaO 3 SrO 2 BaO 2 100 Zusätze: 2 0,5 CeO2 0,16 Der Stab wurde getestet
und zeigte sehr befriedigendes Verhalten.