DE3222217A1 - Cr<3+>-doped crystals for tunable solid state lasers - Google Patents
Cr<3+>-doped crystals for tunable solid state lasersInfo
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- C30B29/28—Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
Abstract
Description
Beschreibung.Description.
Die Erfindung betrifft einen Kristall für durchstimmbarThe invention relates to a crystal for tunable
3 +
Festkörperlaser mit Cr als aktivem Ion. Als derartiger
Kristall für eine Emissionswellenlänge zwischen 700 und 820 nm ist bis jetzt der Alexandria (BeAl-O.:Cr ) bekannt
(John C. Walling et al.: Tunable Alexandrite Lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-16 (1980), Seiten
1302 bis 1315 und John C. Walling: Alexandrite Lasers,
Physics and Performance, Laser Focus, Februar 1982, Seiten 45 bis 50).3 +
Solid-state laser with Cr as an active ion. Alexandria (BeAl-O.:Cr) is known as such a crystal for an emission wavelength between 700 and 820 nm (John C. Walling et al .: Tunable Alexandrite Lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume QE-16 (1980 ), Pages 1302 to 1315 and John C. Walling: Alexandrite Lasers, Physics and Performance, Laser Focus, February 1982, pages 45 to 50).
Beim Alexandrit wird das Cr auf einem Al-Platz eingebaut, der für das Cr-Ion sehr eng ist, well der Ionenradius des Al-Ions kleiner ist. Kristalle von optischer Qualität erhält man deshalb nur bei sehr kleinen Cr-Dotierungen·von maximal 0,4 Atomprozenten. Daher benötigt man relativ große Kristalle, um eine hinreichende optische Verstärkung zu erzielen. In the case of alexandrite, the Cr is built into an Al site, which is very narrow for the Cr ion, because the ionic radius of the Al-Ions is smaller. Crystals of optical quality are therefore only obtained with very small amounts of Cr doping maximum 0.4 atomic percent. Therefore, relatively large crystals are required in order to achieve sufficient optical amplification.
Weiterhin ist im Alexandrit der Kristallfeldparameter Dq/B im Tanabe-Sugano-Diagramm (Yukito Tanabe, Satoru Sugano: On the Absorption Spectra of Complex Ions II. Journal of the Physical Society of Japan, Band 9 (1954), Seiten 766 bis 779)Furthermore, the crystal field parameter in alexandrite is Dq / B in the Tanabe-Sugano diagram (Yukito Tanabe, Satoru Sugano: On the Absorption Spectra of Complex Ions II. Journal of the Physical Society of Japan, Volume 9 (1954), pages 766 to 779)
2 42 4
so groß, daß sich zwischen der Ε-Linie und dem T~-Band eineso large that there is a
-1 4-1 4
Energiedifferenz von 800 cm ergibt. Das T2~Band wird deshalb bei Zimmertemperatur thermisch nur schwach besetzt, und das Fluoreszenzspektrum zeigt neben der breitbandigen Emis-Energy difference of 800 cm results. The T 2 band is therefore only weakly occupied thermally at room temperature, and the fluorescence spectrum shows, in addition to the broadband emission
4 4
.»ion beim Übergang von T„ auf A2 eine Doppellinie (R-Linien)
mit viel größerer Intensität, die vom Übergang von ^E auf A.-, herrührt.4 4
. »Ion at the transition from T» to A 2 a double line (R lines) with much greater intensity, which comes from the transition from ^ E to A.-.
Da also ein erheblicher Teil der Anregungsleistung für die Linienemission verbraucht wird, liegt die Pumpschwelle des Alt.-xandr it--Lasers so hoch, daß nur Impulsbetrieb möglich ist. Ks wurde zwar auch schon über Dauerstrichbetrieb berichtet (John C. Walling et al.: Tunable CVi Alexandrite Laser. IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-16 (1980) SeitenSince a considerable part of the excitation power is used for the line emission, the pumping threshold of the is Alt.-xandr it - laser so high that only pulse operation is possible. Ks has already been reported about continuous wave operation (John C. Walling et al .: Tunable CVi Alexandrite Laser. IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume QE-16 (1980) pages
Jf Jf
-5--5-
120 bis 121), doch handelte es sieh dabei nicht um echtun Dauerstrichbetrieb, sondern um Relaxationsschwingungen knapp oberhalt der Pumpschwelle, deren Amplitude periodisch auf Null abfiel.120 to 121), but it was not a matter of authenticity Continuous wave operation, but just about relaxation oscillations above the surge threshold, the amplitude of which dropped periodically to zero.
Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kristall zu schaffen, in dem einerseits für das Cr -Ion ein so großer Gitterplatz zur Verfügung steht, daß auch höhere Dotierungen möglich sind, und in dem andererseits die Energie-The invention was therefore based on the object of creating a crystal in which, on the one hand, for the Cr ion so large a grid space is available that even higher ones Dopings are possible, and in which, on the other hand, the energy
4 24 2
differenz zwischen dem T9-Band und der Ε-Linie wesentlich kleiner als 800 cm ist, damit die Linienemissionswahrscheinlichkeit kleiner und somit die Pumpschwelle niedriger und die Umwandlung von Pump- in Laserleistung effizienter wird. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Wirtsgitter für das aktive Ion ein Gallium-Granat vorgesehen ist.The difference between the T 9 band and the Ε line is significantly smaller than 800 cm, so that the line emission probability is smaller and thus the pumping threshold is lower and the conversion of pumping power into laser power is more efficient. This object is achieved according to the invention in that a gallium garnet is provided as the host lattice for the active ion.
Die Ionenradien betragen für Ga3+ 0,620 Ä und ilür Cr 0,615 Ä, sie sind also praktisch gleich, während der lonenradius fürThe ionic radii for Ga 3+ are 0.620 Å and for Cr 0.615 Å, so they are practically the same, while the ionic radius for
3+ s 3+ s
Al nur 0,535 A beträgt. Daraus wird unmittelbar klar, daßAl is only 0.535 A. From this it is immediately clear that
3 + 3 +3 + 3 +
Cr in praktisch beliebigem Anteil auf Ga -Gitterplätzen im Gallium-Granat eingebaut werden kann, während der Ersatz von Al durch Cr im Alexandrit oder in Al-Granaten (z.B. Y3Al5O12 /YAG) nur sehr begrenzt mögl-iach ist.Cr can be incorporated in practically any proportion on Ga lattice sites in gallium garnets, while the replacement of Al by Cr in alexandrite or in Al garnets (e.g. Y 3 Al 5 O 1 2 / YAG) is only possible to a very limited extent .
Messungen an verschiedenen chromdotierten Galliumgranaten haben ergeben, daß die Energiedifferenz zwischen dem T9-Measurements on various chromium-doped gallium grenades have shown that the energy difference between the T 9 -
2
Band und der Ε-Linie je nach der Zusammensetzung des Ga-Granates maximal 600 cm beträgt und im Minimum Werte kleiner
als Null annehmen kann. Dementsprechend läßt sich die Intensität der R-Linien-Emission bis auf Null reduzieren
(siehe Fig.5). Ein echter Dauerstrichbetrieb ist bei sehr
niedrigen Pumpschwellen möglich.2
Band and the Ε line, depending on the composition of the Ga garnet, is a maximum of 600 cm and can assume values less than zero at a minimum. Accordingly, the intensity of the R-line emission can be reduced to zero (see FIG. 5). Real continuous wave operation is possible at very low pump thresholds.
Außerdem wird durch die kontinuierliche Absenkung des 4T2-Bandes mit der Variation der Kristallzusammensetzung erreicht, daß das Maximum der Emission beliebig variierbar zwischen 700 ran und 850 nm erfolgt. Dies erweitert den Anwendungsbereich des Cr -Lasers in Ga-Granaten erheblich gegenüber demIn addition, the continuous lowering of the 4 T 2 band with the variation of the crystal composition ensures that the maximum of the emission is variable between 700 nm and 850 nm. This extends the range of application of the Cr laser in Ga garnets considerably compared to the
te.te.
Alexandrit, der durch seine feste Kristallzusammensetzung keine Variation in der Cr -Emission zuläßt.Alexandrite, which due to its solid crystal composition does not allow any variation in the Cr emission.
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung werden nachstehend anhand von fünf Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Further details and appropriate refinements of the The invention are described and explained in more detail below with the aid of five exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 die allen Ausführungsbeispielen gemeinsame Kristall struktur,Fig. 1 common to all the exemplary embodiments Crystal structure,
Fig. 2 bis 5 Fluoreszenzspektren von vier Ausführungsbeispielen FIGS. 2 to 5 fluorescence spectra of four exemplary embodiments
Fig. 6 das Transmissionsspektrum eines fünften AusfUhrungsbeispiels 6 shows the transmission spectrum of a fifth exemplary embodiment
Fig. 7 ein Wirkungsgraddiagramm für das fünfte Ausführung sbeispieI7 shows an efficiency diagram for the fifth embodiment sbeispieI
undand
Fig. 8 das Spektrum der Laseremission des fünften Ausführungsbeispiels.8 shows the spectrum of the laser emission of the fifth embodiment.
* a» ** nJi* a »** nJi
Die Darstellung des Granat-Kristallgitters nach Fig. 1 ist aus S. C. Abrahams, S. Geller: Refinement of the Structure of a Grossularite Garnet; Acta Crystallographica, Band 11 (1958), Seiten 437 bis 441 entnommen. Man erkennt für einen Kristall der chemischen Zusammensetzung Α-,Β-C .0..2 dodekaedrisch koordinierte Gitterplatte, die mit Atomen A besetzt wird, ferner oktaedrisch koordinierte, mit Atomen B besetzte, weiterhin tetraedrisch koordinierte, mit Atomen C besetzte Gitterplätze und schließlich mit offenen Kreisen bezeichnete Sauers toff-G.itterp.1 ätze.The representation of the garnet crystal lattice according to FIG. 1 is from SC Abrahams, S. Geller: Refinement of the Structure of a Grossularite Garnet; Taken from Acta Crystallographica, Volume 11 (1958), pages 437 to 441. For a crystal of the chemical composition Α-, Β-C .0 .. 2 dodecahedrally coordinated lattice plate, which is occupied by atoms A, furthermore octahedrally coordinated, occupied with atoms B, further tetrahedrally coordinated, lattice sites occupied with atoms C and finally Oxygen-G.itterp.1 etches marked with open circles.
Bei den Gallium-Granaten gemäß der Erfindung sind die C-Gitterplätze grundsätzlich mit Gallium besetzt, während auf den B-Gitterplätzen eines der Elemente Ga,Sc oder In eingebaut wird. Auf den A-Gltterplatzen kann eines der Elemente Y,La,Ce,Gd oder Lu eingebaut werden.In the case of the gallium grenades according to the invention, the C-grid sites are basically occupied with gallium, while one of the elements Ga, Sc or In is built into the B lattice sites will. One of the elements Y, La, Ce, Gd or Lu can be incorporated.
Diese Elemente sind geeignet, weil sie erstens optisch inaktiv sind und zweitens einen großen lonenradius haben. Die zweite Eigenschaft führt zu einer Aufwertung des Granatgitters, so daß sich Gitterplätze der erforderlichen Größe für die Cr -Dotierunsionen ergeben. Diese Dotierungsionen werden vorzugsweise auf B-Gitterplätzen eingebaut, können aber bei höherer Chromkonzentration auch C-Gitterplätze besetzen.These elements are suitable because, firstly, they are optically inactive and, secondly, have a large ionic radius. The second property leads to an upgrade of the garnet grille, so that there are lattice sites of the required size for the Cr doping units. These doping ions are preferably installed on B-lattice sites, but can also occupy C-lattice sites if the chromium concentration is higher.
Für typische Laseranwendung ist es jedoch wegen der Fluoreszenzlöschung und der Absorptionslänge nicht zweckmäßig, mit der Dotierung über 4 5% zu gehen, obwohl höhere Dotierungen möglich sind.For typical laser application, however, it is because of the fluorescence quenching and the absorption length not expedient to go with the doping above 4 5%, although higher dopings possible are.
Um die spektroskopischen Eigenschaften der Kristalle, insbesondere den Emissionswellenlängenbercich des Lasers, möglichst gut verändern zu können, verwendet man zur Kristallzucht Abmischungen von binären und fcernären Zusammensetzungen. To the spectroscopic properties of the crystals, in particular To be able to change the emission wavelength range of the laser as well as possible, is used for crystal growth Mixtures of binary and fcernary compounds.
Wenn man die Fluoreszenzkurve in Richtung kürzerer Wellenlängen verschieben will, kann man auf die Gitterplätze B und C auch Al-Ionen einbauen. Dabei darf man nicht über Η)ε Ai gehen, weil sonst, die R-Linicnemission wieder so groß wie beim Alexandrik wird und die speziellen Vorteile dos GaIliumgranatos verloren gehen.If you look at the fluorescence curve towards shorter wavelengths If you want to move, you can also build Al ions into the grid positions B and C. You mustn't overdo it Η) ε Ai go, because otherwise, the R-line emission is like that again as big as Alexandrik and the special advantages of the GaIliumgranatos are lost.
Die Ga-Granate werden nach dem Czochralskiverfahren hergestellt. Folgendes Verfahren wurde zum Beispiel benutzt, um Einkristalle herzustellen: Die Ausgangsmaterialien (zum Bei spie] für GdScGa-Granate) Gd3O3, Sc2O^, Ga3O3 und Cr-O-. v/erden sorgfältig gemischt, zu Tabletten gepreßt und im Platintiegel 8 Stunden lang bei 1200°C gesintert. Anschließend werden die Tabletten im Iridiumtiegel in einer abgeschlossenen Kammer (Atmosphäre: 98'i M3 und 2 vol% O2) geschmolzen. Die Kristalle können aus der Schmeiß (ca. 100cm Volumen) mit einer Ziehgeschwindigkeit von 7 mm/h gezogen werden. Gleichzeitig rotiert die Ziehstange mit 85 Umdr./min. Ndi:n einer Ausheizphase (ca. 24 Std.) wird der Kristall linear, innerhalb 14 h, auf Zimmertemperatur abgekühlt.The Ga grenades are manufactured using the Czochralski method. For example, the following procedure was used to produce single crystals: The starting materials (for example) for GdScGa garnets: Gd 3 O 3 , Sc 2 O 4, Ga 3 O 3 and Cr-O-. v / earth carefully mixed, pressed into tablets and sintered in a platinum crucible for 8 hours at 1200 ° C. The tablets are then melted in an iridium crucible in a closed chamber (atmosphere: 98% M 3 and 2 vol% O 2 ). The crystals can be pulled from the Schmeiß (approx. 100 cm volume) with a pulling speed of 7 mm / h. At the same time, the pull rod rotates at 85 rev / min. Ndi: In a heating phase (approx. 24 hours), the crystal is cooled linearly to room temperature within 14 hours.
Als ein konkretes Beispiel erhält man Kristalle der Zusammensetzung Gd-.Sc. 7pCrn norGa-, iqr0in mit folgenden physikalisclien eigenschaften:As a concrete example, crystals of the composition Gd-.Sc are obtained. 7 pCr n nor Ga-, iqr 0 in with the following physical properties:
Symmetrie: kubischSymmetry: cubic
Gitterkonstante: 12.56 A Brechungsindex: 1.95 typische"Dimension: 10 cm Länge, 2.5 cmLattice constant: 12.56 A refractive index: 1.95 typical "dimension: 10 cm length, 2.5 cm
Durchmesser Schme Lzpunkt: ca. 18 6O0CDiameter of melting point: approx. 18 6O 0 C
Die Cr -Fluoreszenzspektron von vier Ausführungsbeispieien, nämlich Yttrium-Gallium-Granat (YGG oder Y-, 1Crn nn0.Ga. -..,O1-) , Gadolinium-Gallium-Granat (GGG oder Gd., n.Crn n1Ga. Qi-O1-,), Yttriui ocandium-Gallium-Granat (YScGG oder Y-.Sc. 4Crn n 9HGa^ On) und Lant.han-Lutc t i um-Gcill ium-Granal. (IiaLuGG oder lld2 l\)9ilU2 785^1O Ο16^α3°12^ sincl in den Fig. 2 bis 5 dargestellt. Als Abszisse ist jeweils die Wollenlänge in ran undThe Cr fluorescence spectron of four exemplary embodiments, namely yttrium gallium garnet (YGG or Y-, 1 Cr n nn0 .Ga. - .., O 1 -), gadolinium gallium garnet (GGG or Gd., N .Cr n n1 Ga.Qi-O 1 -,), Yttriui ocandium-Gallium-Garnet (YScGG or Y-.Sc. 4 Cr nn 9H Ga ^ O n ) and Lant.han-Lutc ti um-Gcill ium-Granal. (IiaLuGG or lld 2 l \) 9 ilU 2 785 ^ 1 O Ο16 ^ α 3 ° 12 ^ sincl shown in Figs. 2 to 5. The abscissa is the wool length in ran and
als Ordinate die Fluoreszenz intensität in willkürlichen Einheiten angegeben. Man erkennt, daß sich die K-Linienemission nur noch beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 auswirkt, aber viel schwächer als beim Alexandrit.the ordinate is the fluorescence intensity in arbitrary units specified. It can be seen that the K-line emission only has an effect in the first exemplary embodiment according to FIG. 2, but much less than with alexandrite.
Bei Zimmertemperatur überwiegt bei allen Spektien die Breitbandemission. Die Fluoreszenzspoktren nach Fig. 2 bis Fiy. 5 zeigen gleichzeitig den DurchstimmbereIch der Laser von 6 60 nm bis mindestens 950 nm bei den exemplarisch aufgeführten Kristallen. At room temperature, broadband emissions predominate in all spectra. The fluorescence spectra according to Fig. 2 to Fiy. 5 simultaneously show the tuning range of the lasers from 6 to 60 nm up to at least 950 nm for the crystals listed as examples.
Fig. 6 zeigt das Transmissionsspektrum des fünften Ausführungsbeispiels, nämlich eines 7 mm dicken, Cr dotierten Kristalls von Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat (GSGG odor Gd0SqGa-,0-o) . Deutlich sind die beiden Absorptionen in das T2-Niveau (bei 640 nm) und das T1-Niveau (bei. 460 nm) zu erkennen.6 shows the transmission spectrum of the fifth exemplary embodiment, namely a 7 mm thick, Cr-doped crystal of gadolinium-scandium-gallium-garnet (GSGG or Gd 0 SqGa-, 0- o ). The two absorptions in the T 2 level (at 640 nm) and the T 1 level (at 460 nm) can be clearly seen.
Die Dauerstrich-Lasereigenschaften wurden untersucht, indem ein Kristall Gd^Sc^Ga^O.. y mit einer Chromkonzentration vonThe continuous wave laser properties were examined by placing a crystal Gd ^ Sc ^ Ga ^ O .. y with a chromium concentration of
19-3 J^Ji/
5-10 cm (fünftes Ausführungsbeispiel) bei 647 nm mit
einem Kryptonlaser gepumpt wurde. Fig. 7 zeigt die Ausgangsleistung
rout in mW in Abhängigkeit von der absorbierten Pumpleistung Pabs. Bei einer Auskopplung von T = 1% (konzentrischer
Resonator mit 20 cm Spiegelabstand) ergibt sich ein Wirkungsgrad (Slope Efficiency) von ti = 7%.19-3 J ^ Ji /
5-10 cm (fifth embodiment) was pumped at 647 nm with a krypton laser. 7 shows the output power rout in mW as a function of the absorbed pump power Pabs. With a coupling out of T = 1% (concentric resonator with 20 cm mirror spacing), the result is an efficiency (slope efficiency) of ti = 7%.
In Fig. 8 ist das zugehörige Cr -Laserspektrum mit einem Maximum bei 777 nm dargestellt. Die Intensität ist dabei in willkürlichen Einheiten gemessen. Die einzelnen Spitzen rühren von unterschiedlichen Resonatormoden her. Für d.i e Messung nach Fig. 8 enthielt der Resonator kein dispersives Element.In Fig. 8 the associated Cr laser spectrum is shown with a maximum at 777 nm. The intensity is in measured in arbitrary units. The individual tips come from different resonator modes. For the measurement according to 8 the resonator did not contain a dispersive element.
Wegen der in Fig.6 dargestellten breiten Cr -Absorption können die erfindungsgemäßen Kristalle auch mit Breitbandlampen (geblitzt und im Dauerstrich) gepumpt werden.Because of the broad Cr absorption shown in FIG. 6 , the crystals according to the invention can also be pumped with broadband lamps (flashed and continuous wave).
Abschließend sei noch erwähnt, daß sich die Anwendung der Kristalle nach der Erfindung nicht auf den durchstimmbarenFinally it should be mentioned that the application of the crystals according to the invention does not apply to the tunable
BAD ORIGIN*1" COPY B AD ORIGIN * 1 "COPY
Laser bffichränkt. Du: Lebensdauer des angeregtem Zustandes hängt von der Tomporalur jb. Jo na;;h dem Aur»tührunqsbeispiel Jjegt die Lebensdauer ii-.-i 4K im Bereich einiger ms und bei KX-)K im Boreich einig', j. ΙύΟ,ιΐί-;. Doshalb lassen sich die Kristalle auch als optische, berührungslose Temperatursensoren vcrv/c-'rir1· η. Man regt- si ο mit kurzen impulsen an und mißt den ■/.ei t liehen Abfall dor Fluoreszenz intensität oder das Intensität sverhäl lnis von Breitband·- urd R-Linienemission.Laser limited. You: the life span of the excited state depends on the tomporalur jb. Jo na ;; in the example of the embodiment Jjegt the service life ii -.- i 4K in the range of a few ms and with KX - ) K in the range of some ', j. ΙύΟ, ιΐί- ;. Therefore the crystals can also be used as optical, contactless temperature sensors vcrv / c-'rir 1 · η. You stimulate it with short pulses and measure the decrease in fluorescence intensity or the intensity ratio of broadband and R-line emission.
Schließ Lieh können die erfindunysgemäßen Kristalle auch in opt j schon Verstärkern verwendet werden.Finally, the crystals according to the invention can also in opt j amplifiers are already used.
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Cited By (2)
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WO1987006630A1 (en) * | 1986-04-30 | 1987-11-05 | American Telephone & Telegraph Company | Congruently melting complex oxides |
CN110444651A (en) * | 2019-07-09 | 2019-11-12 | 有研稀土新材料股份有限公司 | A kind of Optical devices |
-
1982
- 1982-06-12 DE DE3222217A patent/DE3222217A1/en not_active Withdrawn
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