DE2456180C2

DE2456180C2 - Substituierter Berylliumlanthanat-Einkristall und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE2456180C2
Application number: DE2456180A
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Mendham N.J. Cline; Robert Craig Flanders N.J. Morris
Original assignee: Allied Corp Morris Township NJ; Allied Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1973-12-06
Filing date: 1974-11-28
Publication date: 1983-11-24
Also published as: NL7415836A; US3866142A; DE2456180A1; NL183481C; CA1039156A; NL183481B; FR2253713B1; FR2253713A1; IT1024994B; GB1441698A; CH613876A5; JPS595559B2; JPS5090598A

Description

20

Die Erfindung betrifft substituierte Berylliumlanthanat-Einkristalle sowie deren Verwendung als Lasergrundmaterial.

Die Verwendung von Lasern in Wissenschaft und Industrie nimmt auf einer ständig wachsenden Zahl von Anwendungsgebieten zu. Laser finden Verwendung auf so unterschiedlichen Gebieten, wie bei Entfernungsmeßgeräten, in der optischen Chirurgie und beim Metallbohren. Kurz gesagt arbeiten Laser nach dem Prinzip der Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsemission und können extrem intensive Lichtkonzentrationen erzeugen.

Der in dem Laserraum produzierte Lichtstrahl wird in einem Lasergrundmaterial verstärkt. Materialien, die als Lasergrundmaterialien verwendet wurden, sind beispielsweise Gase, Flüssigkeiten, Gläser und Einkristalle.

Wenn Einkristalle als Lasergrundmaterialien benutzt werden, liegen die Kristalle allgemein in der Form länglicher Stäbe vor. Die Strukuir des kristallinen Materials muß nahezu perfekt sein, da irgendwelche optische Inhomogenitäten eine Verzerrung und Streuung des Laserstrahles verursachen und auf diese Weise die Intensität und Kohärenz der Strahlung vermindern. Unvoilkommenheiten in dem Kristall, die die Laserleistung nachteilig beeinflussen, sind beispielsweise Fehl- « Orientierungen, chemische Konzentrationsgefälle, Verschiebungen, Einschlüsse und Blasen.

Lasergrundmaterialien sind beispielsweise solche mit Ionen Seltener Erden, wie beispielsweise Y3AI5O12: Nd und Y2AI2O6 : Nd, sowie auf Fluorapatit und Silicatoxy- ⁵" apatit basierende Materialien. Y3AI5O12: Nd hat sowohl die größte wirtschaftliche Bedeutung unter diesen Materialien wegen seiner günstigen Kombination spektroskopischer Eigenschaften, thermischer Eigenschaften, Transporteigenschaften und optischer Eigen- ⁵S schäften bei Beanspruchung. Dieses Material ist jedoch schwierig und teuer zu bekommen, besonders bei hohen Substitutionsmengen.

Aus »Phys. stat, sol.« (ε) 17, K 41-43 (1973) sind Berylliumlanthanat- und substituierte Berylliumlanthanat-Einkristalle der Formeln La2Be2Os bzw. La₂Be₂O₅: Nd³⁺ bekannt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand nun darin. Einkristalle mit gegenüber diesem Stand der Technik verbesserten Eigenschaften als Lasergrundmaterial zu bekommen.

Die substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung sind gekennzeichnet, durch die allgemeine Formel Be2La2-2iZ2»O5, wobei Z Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb oder mehrere hiervon und χ einen Wert nicht größer als 0,2 bedeuten. Dabei ist Z bevorzugt Nd, Eu, Dy und/oder Ho, besonders Nd.

Die Einkristalle können nach irgendeiner Standardkristailzüchtungs- oder Wachstumstechnik gezüchtet werden, wie nach einer Schmelzzüchtungsmethode, einschließlich der Czochralski-Methode, der Verneuil-Methode oder der Bridgman-Stockbarger-Methode, von denen die Czochralski-Methode bevorzugt ist, die in einem Artikel von J. Czochralski in »Zeitschrift für physikalische Chemie«, Band 92, Seiten 219 bis 221 (1918) und in jüngerer Zeit in einem Artikel von K. Nassau und L G. van Uitert »Journal of Applied Physics«, Band 31, Seite 1508 (1960) beschrieben ist Gemäß dieser Methode wird eine Schmelze aus einem Gemisch der Ausgangsbestandteile hergestellt, wobei die Zusammensetzung der Schmelze die Zusammensetzung der wachsenden Kristalle reguliert. Ein Keimkristall wird in die Schmelze gegeben und gleichzeitig gedreht und langsam herausgezogen, wodurch ein Kristallwachstum auf dem Keimkristall gefördert wird.

Einkristalle von Lasergrundmaterialien wurden auch nach der Verneuil-Methode erhalten, bei der durch eine Flamme geschmolzenes pulverisiertes Material auf die geschmolzene Kuppe eines Keimstabes aultropft und auskristallisiert, so daß die Länge des Keimstabes sich vergrößert. Der Keimstab wird langsam abgesenkt, so daß die geschmolzene Oberfläche in einem im wesentlichen konstanten Abstand von der Wärmequelle bleibt. Andere Wachstumsmethoden, wie die Bridgman-Stockbarger-Methode, sind dem Fachmann bekannt.

Zur Erläuterung der mit den Berylliumlanthanat-Einkristallen nach der Erfindung erzielbaren Vorteile wird Y3AI5O12: Nd verglichen, welches in großem Umfang als Lasergrundmaterial verwendet wird.

Die erfindungsgemäßen Einkristalle ermöglichen eine stärkere Substituierung durch Z. Berylliumlanthanat-Einkristal'e nach der Erfindung sind weicher als die herkömmlichen Kristalle von Y3AI5O12: Nd. Dies gestattet eine leichtere und schnellere maschinelle Bearbeitung der Kristalle, um das gewünschte Kristailprodukt zu bekommen.

Weiterhin sind die Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung optisch biaxial, besitzen eine monokline Kristallstruktur und emittieren linear polarisierte Strahlung, wenn sie als Lasergrundmaterial verwendet werden. Wenn somit polarisierte Strahlung erwünscht ist, ist es möglich, linear polarisierte Strahlung aus den Berylliumlanthanat-Einkristallen nach der Erfindung zu gewinnen, ohne daß eine zusätzliche Optik, wie ein Polarisator, erforderlich wäre, so daß man Stärkeverluste vermeidet, die mit der Verwendung einer solchen zusätzlichen Optik verbunden wären.

Außerdem kann bei Verwendung eines substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalles nach der Erfindung als Lasergrundmaterial sowohl mit gepulsten als auch mit kontinuierlichen Wellen bei Raumtemperatur gearbeitet werden.

Berylliumlanthanat-Einkristalle hoher optischer Qualität können aus der Schmelze mit einer Geschwindigkeit gezüchtet werden, die wesentlich größer als die Wachstumsgeschwindigkeit ist. die beim Züchten von Y3AI5O12: Nd-Kristallen aus der Schmelze möglich ist. Diese Tatsache ist wirtschaftlich besonders wichtig, da eine schnellere Wachstunisgeschwindigkeit oder Züchtungsgeschwindigkeit zu einer effizienteren Verwen-

dung der Züchtungsapparatur und ihrer Zusatzeinrichtungen führt Außerdem können Kristalle von substituiertem Berylliumlanthanat nach der Erfindung bei einer geringeren Temperatur gezüchtet werden, was zu einer Senkung der Stromkosten und zu geringeren Schmelztiegelverlusten führt Schließlich entfällt der unerwünschte Materialkern oder ist zumindest relativ sehr klein beim Wachstum von Einkristallen nach der Erfindung, so daß man eine wesentliche Abnahme an Abfallmaterial bekommt

Durch die Zeichnung wird die Erfindung weiter erSäutert In dieser bedeutet

F i g. 1 einen Aufriß, teilweise geschnitten, der Apparatur zur Durchführung des bevorzugten Schmelzzüchtungsverfahrens zur Herstellung der neuen substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer typischen Laserapparatur unter Verwendung der Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung als Las^rgrundmaterial im Aufriß,

F i g. 3 eine Darstellung eines aus einem substituierten Berytliumlanthanat-Einkristall nach der Erfindung hergestellten Stabes, der als Lasergrundmaterial brauchbar ist, und

Fig.4 ein optisches Absorptionsspektrum eines speziellen Nd⁺³-substituierten Berylliumlanthanatkristalles nach der Erfindung, d. h. Be₂LaI₅SzNd₀₁OnO₅.

χ ist vorzugsweise 0,001 bis 0,2 und am meisten bevorzugt 0,007 bis 0,015. Beispiele substituierter Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung sind etwa folgende:

Tabelle I	Atom-%
Kristallformel	Zusatzstoff
	(a/o)
	0,1
Be₂Lai,998Pro,oo20₅	0,3
Be₂LaI_-994Nd_0-OOiO₅	0,9
Be₂Lai,982SmCOuOs	1,5
Be₂La_1-97EUo₁O₃O₅	2,5
Be₂LaI₉₅Gd₀₁OsO₅	5,5
Be₂La₁₈₉Tb_01nO₅	10,5
Be₂La_li7?Dy₀₂₁O₅	15,5
Be₂LaI_-69HOo₁₃]O₅	10,0
Be₂La,_i8Ero_i205	20,0
Be₂La₁₆Tm₀^O₅	0,2
BejLa_li996Yb_0ioo40₅	0,8
Be₂Lai_i984Ndo,oi₆0₅	8,7
Be₂La₁₁₈₂₆EUo₁₁₇₄O₅

Der Ausdruck »Einkristalle« von substituiertem Berylliumlanthanat bedeutet hier Kristalle mit einer linearen Mindestquerschnittsabmessung von 0,25 mm und einer linearen Mindestlängsabmessung von 5 mm. Gewerblich als Lasergrundmaterialien verwendete Kristalle haben normalerweise Abmessungen von wenigstens 2,5 χ 25 mm. Wenn die substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung als Lasergrundmaterialien verwendet werden, ist es bevorzugt, daß sie eine hohe optische Qualität besitzen, d. h. fast vollständig frei von Fehlern, wie Blasen, Spannungen, Einschlüssen von Metall- oder Nichimetalloxiden, einer zweiten Phase und Korngrenzen mit kleinem Winke! sein sollten und daß sie allgemein nicht mehr als 10 Gewichts-ppm Verunreinigungen und am meisten bevorzugt nicht mehr als 5 ppm Verunreinigungen enthalten. Sie sollten in solchem Umfang fehler- und verunreinigungsfrei sein, daß durch solche Fehler und Verunreinigungen verursachte optische Verluste nicht größer als 0,005/cm und vorzugsweise nicht größer als 0,003/cm sind.

Verunreinigungen, die erwünschtermaßen vermieden werden, sind beispielsweise Metallionen, wie solche von Strontium und Quecksilber, die Ionenradien ähnlich denen von Lanthanionen besitzen, die aber Wertigkeiten besitzen, die vom Valenzzustand +3 der Lanthanionen abweichen. Dies ist wichtig, da solche Verunreinigungen Farbzentren verursachen können, die die Laserwirkung stören, indem sie Pumpenergie als Wärme verzehren oder indem sie Energie mit Nichtlaserwellenlängen ausstrahlen.

Obwohl verschiedene Methoden angewendet werden, um die substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung zu erhalten, ist die Czochralski-Schmelzwachstumsmethode bevorzugt. Viele der nachfolgend angegebenen Verfahrensparameter, wie die Ausgangsmaterialreinheit und die enge Temperatureinstellung, sind jedoch auch bei anderen Methoden wichtig.

Bei dem Wachstum oder der Züchtung eines Einkristalls aus substituiertem Berylliumlanthanat nach der Erfindung werden die Ausgangsmaterialien, d. h. La₂O₃, BeO und Zusatzstoff Z, in einen geeigneten hitzebeständigen Behälter oder Tiegel gegeben und erhitzt, bis das Gemisch geschmolzen ist. Der Zusatzstoff Z kann als Verbindung Z₂O₃, Z₂(CO₃J₃ und Z(NO₃)₃ oder Gemischen hiervon zugesetzt werden. Um substituierte Berylliumlanthanat-Einkristalle hoher Qualität zu bekommen, ist es natürlich erforderlich, Ausgangsmaterialien hoher Reinheit zu verwenden. Dabei sollten die Ausgangsmaterialien nicht mehr als die folgenden Maximalkonzentrationen an Verunreinigungen enthalten, angegeben in Gewichtsteilen, bezogen auf das Ausgangsmaterial: La₂O₃ 50 ppm Verunreinigungen und vorzugsweise 10 ppm; BeO 100 ppm Verunreinigungen und vorzugsweise 10 ppm; Zusatzstoff 20 ppm Verunreinigungen und vorzugsweise 10 ppm.

Es ist beim Wachstum aus der Schmelze bei vielen Einkristallen bekannt, daß in der Schmelze ein Überschuß des ausgewählten Zusatzstoffes gegenüber der in dem Kristall erwünschten Substitution verwendet werden muß, um einen Kristall der erwünschten Zusatzstoffkonzentration zu bekommen. Der erwünschte Überschuß an Zusatzstoff variiert je nach dem Zusatzstoff. Da beispielsweise der Verteilungskoeffizient für das Wachstum von Be₂La₂-^Z₂A, worin Z Nd ist, aus der Schmelze etwa 0,66 ist, muß etwa das l,52fache der erwünschten Konzentration in dem Kristall in der Schmelze verwendet werden. Da somit die Schmelze während der Züchtung eines Kristalles daraus mit Zusatzstoff angereichert wird, variiert der gewachsene Kristall hinsichtlich des Atomprozentsatzes der Substitution entlang seiner Länge. So soll für einen bestimmten Einkristall aus substituiertem Berylliumlanthanat nach der Erfindung der darin enthaltene Atomprozentsatz an Zusatzstoff den mittleren Zusatzstoffgehalt des Kristalles definieren.

Der Schmelztieeel kann aus Wolfram oder Iridium

bestehen. Es ist bevorzugt, daß eine inerte Atmosphäre um den Schmelztiegel aufrechterhalten wird, um die Wahrscheinlichkeit einer Oxidation von Schmelztiegelmaterialien und das als Folge hiervon auftretende Eindringen metallischer Einschlüsse in die Schmelze auf ein Minimum herabzusetzen. Denn derartige Einschlüsse in der Schmelze wirken als optische Streuzentren in dem Einkristall, so daß seine Brauchbarkeit als Lasergrundmaterial vermindert wird. Eine solche inerte Atmosphäre kann aus einem Inertgas, wie beispielsweise Argon, Helium, Neon. Krypton oder Stickstoff, bestehen.

Wenn in dem Ausgangsmaterialgemisch als Zusatzstoff Z2(CC>3)3 und Z(NO3)3 verwendet werden, führt die Zuführung von ausreichend Wärme, um das Gemisch zu schmelzen, zu einer Zersetzung des Carbonats und/oder Nitrates zu dem entsprechenden Oxid des Zusatzstoffes (Z2O3), was mit der Entwicklung von Kohlendioxid und/oder Stickstoffoxiden verbunden ist. Obwohl die Anwesenheit von Kohlendioxid und/oder Stickstoffoxidgasen oberhalb der Oberfläche der Schmelze nicht das Wachstum der substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalle hoher Qualität verhindert, ist in jedem Fall die Zersetzung des Carbonates oder Nitrates des Zusatzstoffes auch bereits im wesentlichen beendet, bevor das Kristallwachstum beginnt, und zwar wegen der Länge der Zeit, die erforderlich ist, um aus den festen Ausgangsmaterialien eine Schmelze zu bekommen. So erhält man eine praktisch vollständige Abgabe solcher Gase aus der Schmelze, so daß die Zahl der Blasen, die sich in dem wachsenden Kristall bei Beginn des Kristallwachstums bilden kann, auf ein Minimum herabgesetzt wird.

Die Temperatur, auf die die festen Ausgangsmaterialien erhitzt werden, um eine Schmelze zu bilden, liegt im allgemeinen zwischen 1370 und 1450⁰C. Ein Erhitzen des Ausgangsmaterials auf die erwünschte Schmelztemperatur erfolgt vorzugsweise durch eine elektrische Induktionsheizung. Andere Heizmethoden können jedoch ebenfalls angewendet werden, wenn sie Steuerbar sind und nicht die Wachstumsumgebung des Kristalles verunreinigen. Bei der Jnduktionsheizmethode wird der Schmelztiegel als Suszeptor in einem elektrischen Wechselfeld verwendet. In dem als Suszeptor fungierenden Schmelztiegel werden Ströme induziert und erhitzen so den Schmelztiegel auf eine hohe Temperatur, wobei das enthaltene Ausgangsmaterial durch Leitung und Strahlung erhitzt wird. Induktionsheizung kann bei Atmosphärendruck oder bei Drücken oberhalb oder unterhalb Atmosphärendruck angewendet werden. Stattdessen kann der Schmelztiegel auch durch direkte Einwirkung eines elektrischen Potentials erhitzt werden, wobei bewirkt wird, daß Widerstandsströme durch den Schmelztiegel gehen. Der Schmelztiegel kann auch durch Bestrahlung von Widerstandsheizelementen oder Widerstandsdrähten aus Edelmetallen oder hitzebeständigen Metallen erhitzt werden. Es ist von äußerster Wichtigkeit bei allen diesen Heizmethoden, die Kristallwachstumsumgebung gegen Verunreinigung zu schützen, und es sollten Einrichtungen vorgesehen sein, die erlauben, daß die inerte Atmosphäre oberhalb der Schmelze eingeführt wird und dort aufrechterhalten wird. Wenn einmal das Ausgangsmateria! geschmolzen ist, neigen Konvektionsströme in der Schmelze dazu, die Schmelze zu rühren und die Schmelzzusammensetzung zu homogenisieren.

Ein Einkristallkeirnling mit der erwünschten Zusammensetzung und erwünschten Kristallorientierung wird dann in Berührung mit der Oberfläche der Schmelze gebracht. Obwohl geeignete Keime Berylliumlanthanat und Platin- oder Iridiumdraht sein können, hat der Keimling vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung wie der erwünschte Einkristall. Ein kleiner Anteil des Keimes schmilzt, und man bekommt ein Temperaturgefälle zwischen dem festen Teil des Keimes und der Schmelze. Der Keim wird dann langsam gedreht und aus der Schmelze herausgezogen, während sich die Schmelze an der Grenzfläche zu dem festen Kristall verfestigt. Das Temperaturgefälle in der festen Phase unmittelbar in Nachbarschaft zu dieser Grenzfläche wird auf einem Wert gehalten, der die erwünschten, zu erhaltenden Wachstumsbedingungen ermöglicht. Wenn der Keim herausgezogen wird, wächst ein länglicher Einkristall.

Das Wachstum der substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung nach der Czochralski-Methode kann in irgendeiner der für das Schmelzwachstum von Kristallen unter Verwendung dieser Methode benutzten Standardapparaturen erfolgen. Typischerweise ist eine solche Apparatur die mit Wasser gekühlte Induktionsheizungsapparatur,die in Fig. 1 erläutert ist. Geschmolzenes Ausgangsmaterial 2, das beispielsweise aus BeO, La₂Oj und Nd₂O₃ besteht, wird in den Schmelztiegel 1 eingeführt, der beispielsweise aus Iridium besteht und der auf einer Isolationsplatte 3 ruht, welche von isolierten Trägerteilen 5 abgestützt ist. Der Schmelztiegel 1 ist von einer isolierenden Hülle 4 umgeben, die sich vorzugsweise bis über den Rand des Schmelztiegels 1 erstreckt, so daß der vertikale Wärmeabfall und damit der Wärmeverlust aus der Schmelze 2 vermindert wird. Die Isolierplatte 3, die isolierende Hülse 4 und die isolierten Trägerteile 5 können alle aus einem hitzebeständigen Isoliermaterial, wie beispielsweise Zirkonoxid, hergestellt sein.

Der Schmelztiegel 1 ist zusammen mit den Isolierelementen 3, 4 und 5 von einem Zylinder 6 umgeben, der beispielsweise eine Quarzglasröhre sein kann, die Endplatten 7 und 16 besitzt und so den Hohlraum 18 begrenzt. Die Endplatten 7 und 16 sind mit Sichtöffnungen für optische Pyrometer 10 bzw. 11 versehen, um eine Beobachtung der Schmelze 2 während des Betriebes zu ermöglichen. Die Beobachtung der Schmelze 2 unter Verwendung der öffnung 10 wird dadurch möglich, daß in der Isolierplatte 3 eine öffnung 19 vorgesehen ist. Die Endplatten 7 und 16 sind auch mit Gasrohren 8 bzw. 9 versehen, um Gas in den Hohlraum 18 zu führen und zu verhindern, daß Feststoffe sich in den Öffnungen 10 und 11 ablagern und dadurch die Beobachtung durch diese öffnungen stören.

Beim Arbeiten wird die erwünschte Temperatur der Schmelze 2 durch wassergekühlte Wicklungen 15 aufrechterhalten. Der Keimstab 12, an dem der Keimkristall 13 befestigt ist, wird durch die Öffnung 17 in der Endplatte 16 gesenkt, bis der Keim 13 die Oberfläche der Schmelze 2 berührt. Das anschließende Wachstum des mit Neodym substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalles 14 wird durch gleichzeitiges langsames Drehen und Herausziehen des Keimstabes 12 und des Keimkristalles 13 bewirkt, wobei ein wachsender Kristall 14 gebildet wird. Der Keimstab 14 besteht vorzugsweise aus einem Hitzeschocks widerstehenden hitzebeständigen Material, wie Al₂O₃ oder BeO. Der Keimstab 12 wird mit Hilfe eines herkömmlichen Führungsschneckenziehmechanismus gedreht und vertikal bewegt. Inertgas, wie Stickstoff, wird in den

Hohlraum 18 entweder durch das Gasrohr 8 oder 9 eingeführt, wobei das andere Gasrohr als Ausgang dient, um gegebenenfalls eine kontinuierliche Durchströmung mit frischem Inertgas zu gestatten.

Um Kristalle mit hoher Qualität zu erhalten, ist es bevorzugt, daß die Schmelztemperatur während des Wachstums des Kristalles innerhalb von ±0,5°C der festgesetzten Temperatur genau eingestellt wird, um die Bildung von Inhomogenitäten in dem gewachsenen Kristall, wie Blasen und Oberflächensprünge infolge von ι ο Spannungskonzentrationen, welche beim Kühlen später zu Kristallbrüchen führen können, zu vermeiden. Diese Temperatureinstellung kann mit Hilfe bekannter Einrichtungen erfolgen, wie durch Einstellung des Generatorleistungsausgangs mit einer Präzisionssteuereinrichtung für drei Betriebstemperaturen, deren Eingang die Schmelz- oder Schmelztiegeltemperatur, gemessen mit einem optischen Siliciumpyrometer, ist.

Nachdem man eine vollständig geschmolzene Charge erhalten hat, wird die Temperatur auf die erwünschte Anfangswachstumstemperatur eingestellt, die natürlich je nach dem speziell verwendeten Zusatzstoff variiert, aber allgemein zwischen 1370 und 1450⁰C liegt. Beispielsweise beträgt die Anfangszüchtungs- oder Wachstumstemperatur für die Züchtung von mit Neodym substituierten Berylliumlanthanat-Einkristallen 1400⁰C. Der Keim wird dann langsam bis zur Berührung mit der Schmelzoberfläche abgesenkt. Sodann beginnt man mit dem Ziehen des Kristalles, und während der Anfangswachstumsperiode wird die Temperatur der Schmelze langsam von der Anfangswachstumstemperatur um etwa 20⁰C vermindert. Nachdem der erwünschte Kristalldurchmesser erreicht ist, wird die Schmelztemperatur an der Kristall-Schmelzen-Grenzfläche für den Rest des Wachstums praktisch konstant gehalten. Die maximale Ziehgeschwindigkeit kann aufgrund des Beginns der Bildung von Fehlern, wie Blasen, Hohlräumen oder Einschlüssen in dem Kristall, bestimmt werden. Wenn beispielsweise Einkristalle von mit Neodym substituiertem Berylliumlanthanat hoher optischer Qualität erwünscht sind, muß die Ziehgeschwindigkeit allgemein kleiner als 13 mm je Stunde sein. Die Rotationsgeschwindigkeit des Keimstabes und wachsenden Kristalles kann allgemein zwischen 10 und 60 U/Min, und vorzugsweise zwischen 20 und 50 U/Min. liegen. Die Rotationsgeschwindigkeit für das Wachstum eines Kristalles eines bestimmten Durchmessers und Zusatzstoffgehaltes wird allgemein so ausgewählt daß eine ebene Grenzfläche zwischen Kristall und Schmelze gebildet wird. Diese ausgewählte Rotationsgeschwin- so digkeit steigt mit abnehmendem Kristalldurchmesser und abnehmendem Zusatzstoffgehalt Beispielsweise fand man, daß eine Kristallrotationsgeschwindigkeit von 40 U/Min, eine nahezu ebene Grenzfläche auf Kristallen mit 20 mm Durchmesser und einem Gehalt von 0,7 a/o Nd⁺³ als Ersatz für La⁺³-Stellen produziert

Obwohl die genaue Form der Komponenten eines Lasers stark variiert ist ein typischer Laser, in dem die substituierten Berylliumlanthanat-Einkristalle nach der Erfindung als Lasergrundmaterial verwendet werden können, in F i g. 2 erläutert

Bei dem in Fig.2 erläuterten optisch-gepumpten Laser sind ein Lasergrundmaterial 21, das aus einem substituierten Berylliumlanthanat-Einkrjstall nach der Erfindung besteht und eine Pumpquelle 22, wie beispielsweise eine Xenongasentladungspumpquelle, in einem Behälter 20 untergebracht der eine hochreflektierende Innenfläche 23 besitzt und ejnen elliptischen

40

55

60 Hohlraum begrenzt, wobei beide jeweils an einem Brennpunkt der von dem Behälter 20 gebildeten Ellipse liegen. Das Lasergrundmaterial 21 hat Enden 24 und 25, die einen herkömmlichen dielektrischen Antireflexionsüberzug haben.

Ein vollständig reflektierender Spiegel 27 und ein teilweise reflektierender Spiegel 28 sind außerhalb des Behälters 22 um die Zylinderachse 29 des Stabes 21 herum angebracht. Die Laseraktion tritt durch Emission, die als Pfeil 26 gezeigt ist, in Erscheinung, welche von dem teilweise reflektierenden Spiegel 28 ausgeht. Stattdessen können die Enden 24 und 25 auch mit einem herkömmlichen Reflexionsüberzug versehen sein, um ein teilweise reflektierendes Ende 25 und ein vollständig reflektierendes Ende 24 zu liefern.

F i g. 3 erläutert einen Stab 30 aus einem Einkristall aus substituiertem Berylliumlanthanat nach der Erfindung mit ebenen, parallelen isolierten Enden. Die Vorrichtung der F i g. 3 wirkt in der Weise, daß sie in dem Stab kohärente Strahlung 31 verstärkt, die aus dem anderen Ende des Stabes als emittierte Strahlung 32 austritt.

Die optisch gepumpten Laser, die die Einkristalle aus substituiertem Berylliumlanthanat nach der Erfindung als Lasergrundmaterialien benutzen, können irgendeine geeignete optische Pumpquelle verwenden, und zwar entweder in gepulster oder kontinuierlicher Weise. Beispiele geeigneter optischer Pumpquellen sind Gasentladungspumpquellen, wie Gasentladungspumpquellen unter Verwendung von Xenon und/oder Krypton, kohärente und inkohärente Halbleiter-Diodenemitter, wie Galliumarsenid und Galliumphosphid, und Metalldampfquellen, wie Caesium, Rubidium und/oder Kalium.

Fig.4 ist ein optisches Absorptionsspektrum bei Raumtemperatur (300° K) für einen b-Achseneinkristall von

mit einer Dicke von 3 mm. Die Messungen für F i g. 4 wurden auf einem Doppelstrahlspektrophotometer mit einer Ausgangsaufzeichnung in Einheiten der optischen Dichte durchgeführt. Der für diese Messung verwendete Kristall enthielt 0,7 a/o Zusatzstoff Z.

Es sollte festgestellt werden, daß kontinuierliche Lasertätigkeit mit einem Berylliumlanthanat-Einkristall nach der Erfindung mit einem Gehalt von 0,7 a/o Zusatzstoff für einen b-Achsenstab mit einer Ausgangswellenlänge von 1070 Nanometern beobachtet wurde.

Obwohl auf die Verwendung von Kristallen mit einer b-Achsenorientierung Bezug genommen wurde, brauchen die Kristalle nach der Erfindung, die als Lasergrundmaterialien verwendet werden, nicht hierauf beschränkt zu sein und können auch mit anderen Orientierungen verwendet werden.

In den folgenden Beispielen sind alle Teile Gewichtsteile, wenn nichts anderes ausdrücklich angegeben ist

Beispiel 1

Ein Ausgangsmaterial, das aus 50,02 Teilen BeO zusammen mit 322,5 Teilen La2O₃ und 3,36 Teilen NdzO₃ bestand, wurde in einen Iridiumschmelztiegel gegeben, der dann jn eine eingeschlossene, mit Wasser gekühlte Induktionsheizapparatur gegeben wurde, wie sie in F i g. 1 erläutert ist Das Ausgangsmaterial wurde auf 14OQ⁰C erhitzt um eine Schmelze zu bilden, über deren Oberfläche eine Stickstoffatmosphäre verwendet wurde. Ein aus AI₂O₃ bestehender Keimstab mit einem b-Achsenkristall aus Berylliumlanthant wurde in Berüh

rung mit der Oberfläche der Schmelze gebracht, langsam rotiert und gleichzeitig herausgezogen. Eine Ziehgeschwindigkeit von 2,5 mm/Std. und eine Rotationsgeschwindigkeit von 40 U/Min, wurde während 50 Stunden beibehalten. Am Ende dieser Zeit erhielt man einen mit Neodym substituierten Berylliumlanthanat-Einkristall mit der mittleren Zusammensetzung

und mit einer linearen Abmessung von 14,6 cm und einer Querschnittsabmessung von 2 cm. Die Analyse des resultierenden Einkristalles zeigte, daß er im wesentlichen frei von metallischen Einschlüssen und anderen optischen Fehlern war, was sich daraus ergab, daß sich visuell keine Streuungen, Blasen und Risse feststellen ließen.

Ein Stab mit den Abmessungen von 5 χ 50 mm wurde aus diesem Einkristall von

hergestellt. Dieser Stab wurde in einen optisch gepumpten Laser, wie er durch F i g. 2 erläutert ist, mit einer hochreflektierenden Innenfläche und einer gepulsten Xenonblitzlampe von etwa 5 χ 50 mm Durchmesser zusammen mit hochreflektierenden äußeren ebenen Spiegeln, die mit der Zylinderachse des Stabes fluchteten und einen Zwischenraum zwischen den Spiegeln von 30 cm einschlossen, eingesetzt. Die Lampe wurde mit etwa 10 Joul Eingang je Blitz betätigt, wobei unmittelbar Lasertätigkeit beobachtet wurde. Ein zu 90% reflektierender Ausgangsspiegel wurde dann am Ausgangsende angebracht, und eine Reihe von Ausgangsmessungen erfolgte mit verschiedenen Eingangsenergiewerten. Ein Schwellenwert von 12 Joul wurde aufgezeichnet, und ein Wirkungsgrad linearer Steigung von 0,3% wurde beobachtet. Der höchste Ausgang ■ unter gepulstem Arbeiten mit Xenon lag bei 431 Millijoul für einen Eingang von 200 Joul. Ein Verlustwert für einen einzelnen Durchgang von etwa 0,005/cm wurde beobachtet.

Beispiel 2

Ein b-Achsen-Einkristall von Be₂Lai.985Ndo.oi505 wurde aus einer Schmelze mit einem Gehalt von 50,02 Teilen BeO, 322,5 Teilen La₂O₃ und 3,36 Teilen Nd₂O₃ nach dem Verfahren des Beispiels 1 gezüchtet. Die Analyse des resultierenden Einkristalles zeigte, daß er im wesentlichen frei von Metalleinschlüssen und anderen optischen Fehlern war, da visuell keine Streuungen, Blasen und Sprünge sichtbar waren.

Ein Stab mit Abmessungen von 5 χ 50 mm wurde aus diesem Einkristall von

gepulste Xenonblitzlampe wurde mit etwa 10 Joul Eingang je Blitz betätigt, wobei unmittelbar Laserwirkung beobachtet wurde. Ein 66% reflektierender Ausgangsspiegel wurde dann am Ausgangsende vorgesehen, und eine Reihe von Ausgangsmessungen wurde mit verschiedenen Eingangsenergiewerten durchgeführt. Ein Schwellenwert von 9,5 Joul wurde aufgezeichnet, und ein Wirkungsgrad linearer Steigung von 0,36% wurde beobachtet. Der höchste Ausgang unter gepulstern Arbeiten mit Xenon lag bei 260 Millijoui für einen Eingang von 90 Joul. Es wurde beobachtet, daß die Ausgangsstrahlung linear polarisiert war.

Beispiel 3

Der b-Achsenstab aus Be₂Lai.985Ndo.oi505, der in Beispie! 2 verwendet wurde, wurde in eine doppelelliptische Reflexionspumpkammer unter Verwendung eines Paares von Wolframfadenlampen eingesetzt. Der Stab wurde in der Kammer gepumpt, wobei mit 3 Kilowatt Eingang gearbeitet wurde, und 6,2 Watt gebildete Leistung wurden zur Verwendung eines Ausgangsspiegels mit nominal 1,1% Durchgang aufgezeichnet. Extrapolieren aus den Schwellenwertmessungen ergab einen Verlustwert von 0,0025/cm.

"^J Beispiele 4bis 16

In den Beispielen 4 bis 16 v/urde jeweils das Wachstumsverfahren des Beispiels 1 befolgt, jedoch mit der Ausnahme, daß die in Tabelle II nachfolgend angegebenen Gewichtsteile von La₂O₃ und die in der gleichen Tabelle angegebenen Zusatzstoffe Z anstelle der in Beispiel 1 verwendeten Gewichtsteile von La₂O₃ und anstelle von Nd₂O₃ verwendet wurden.

J5 Tabelle!!

Beispiel Gewichtsteile Zusatzstoff Z, Zusatzstoff Z, Nr. La₂O₃ Verbindung Gewichtsteile

hergestellt. Dieser Stab wurde in den in Beispiel 1 verwendeten optisch gepumpten Laser eingesetzt, die

4	325,5	Sm₂O₃	0,349
5	325,1	Eu₂O₃	0,704
6	324,8	Er₂O₃	1,15
7	323,2	Pr₂O₃	2,64
8	320,9	Tb₂O₃	5,49
9	317,7	Dy₂O₃	9,32
10	307,9	Ho₂O₃	20,78
11	305,0	Gd₂O₃	23,20
12	297,5	Nd₂O₃	29,27
13	293,2	Vd₂O₃	39,41
14	291,6	Eu₂O₃	36,95
15	275,3	Tm₂O₃	59,81
16	260,6	Nd₂O₃	67,29

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Substituierter Berylliumianthanat-Einkristall, gekennzeichnet durch die allgemeine For- s mel Be₂La₂-2Ä/)5, wobei Z Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb oder mehrere hiervon und χ einen Wert nicht größer als 0,2 bedeuten.

2. Einkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Z Nd, Eu, Dy und/oder Ho ist

3. Einkristall nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß χ 0,001 bis 0,2 ist.

4. Einkristall nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Z Eu und Nd ist

5. Verwendung des Einkristalles nach Anspruch 1 bis 4 als Lasergrundmaterial.