DE3342205A1

DE3342205A1 - Durchstimmbare cr-al-granat- und cr-sensibilisierte nd-al-granat-laser

Info

Publication number: DE3342205A1
Application number: DE19833342205
Authority: DE
Inventors: Joachim 2081 Ellerbek Drube; Günter Prof. Dr. 2000 Hamburg Huber; Bert 2070 Großhansdorf Struve
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-11-23
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1985-05-30

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kristall auf Al-Granat-Basis für Festkörperlaser, wobei Nd3+ und/oder Cr als aktive Ionen vorgesehen sind. Das Granatwirtsgitter hat kubische Symmetrie Ia3d und die chemische Zusammensetzung A3 B2 A13 O Die Atome A = Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, Er, Dy, Tm, Yb und Lu besetzen dodekaedrische Gitterplätze. Die Atome B = Al, Cr, Sc, In, Lu besetzen oktaedrische und das Element Al tetraed-3+ rische Gitterplätze. Als durchstimmbare Cr -Granatlaser sind bis jetzt Ga-Granate bekannt (B. Struve et al.: Appl.Phys.B30, 117 (1.983), Patentanmeldung "Cr-dotierte Kristalle für durchstimmbare Festkörperlaser" P3222217.3'), bei denen das Ga3+ für den notwendigen großen Gitterplatz für das Cr sorgt. Dadurch erreicht man die Besetzung des 4T2-Niveaus und durchstimmbaren Laserbetrieb. Es wurde als notwendig erachtet (Patentanmeldung "Cr-dotierte Kristalle für durchstimmbare Festkörperlaser" P 3222217.3)., daß ein Teil der Tetraederplätze mit Ga besetzt werden muß.
Mit der Anwesenheit von Ga in der Schmelze und im Kristall werden gegenüber reinen Al-Granaten folgende Eigenschaften beeinträchtigt: a) Wärmeleitfähigkeit des Kristalls: Sie wird durch das schwere Ga und die beim Abmischen vorhandene Ga-Al-Statistik reduziert. Ebenso wird die Härte und damit die Stabilität des Kristalls beeinträchtigt.
b) Veränderung der Schmelzzusammensetzung während der Zucht: Ga dampft wesentlich leichter aus der Schmelze ab als Al.
Dadurch verändert sich die Stöchiometrie während der Zuchtdauer.
c) Erhöhte Farbzentrendichte: Aufgrund der geringeren Stabi-3+ 3+ lität von Ca -Komplexen gegenüber Al -Komplexen werden Farbzentren, die den Laser negativ beeinflussen, leichter erzeugt.
Das Problem liegt nun darin, einen Granatkristall zu finden, der die Voraussetzungen für Cr-Laserbetrieb ebenso erfüllt, aber nicht durch die.problematischen Ga-Auswirkungen (s.o.) beeinträchtigt werden kann. Gleichzeitig soll.ein Cr-sensibilisierter Nd-Granatlaser in dem Wirtsgitter realisierbar sein.
Dies wurde durch die vorliegende Erfindung folgendermaßen gelöst: Sc, In, Lu weiten die Oktaederplätze auf, so daß, obwohl die Tetraederplätze vollständig mit Al besetzt sind, das Cr3+Ion als durchstimmbarer Laser arbeitet. Die wesentliche Erkenntnis hierbei 3+ ist also, daß das auf das Cr über die Cröße des Citterplatzes einwirkende Kristallfeld im wesentlichen durch die Manipulation nur der Oktaederplätze, relativ unabhängig von den Tetraederplätzen, optimiert werden kann.
Damit ist ein-stabilerer Laserkristall mit höherer Wärmeleitfähigkeit, konstanter Stöchiometrie und geringerer Farbzentrenkonzentration unter Beibehaltung der Cr- Breitbandfluoreszenz möglich (Fig. 1). Solche Kristalle können sowohl als durchstimmbare Laser (z.B. Cr: Cd3 2 A13 12) als auch als Crsensibilisierte Nd-Granatlaser (z.B. Nd, Cr: Gd3 Sc2 AlZ 012) angewandt werden, da durch die Besetzung des Breitband- T2 -Niveaus ein effektiver Energietransfer vom Cr zum Nd gewährleistet ist (Fig. 2). Die Ausführungsbeispiele Y3 Sc Al3 012 (YSAG) und Gd3 Sc2 Al3 012 (GSAG) dotiert mit Cr3-zeigen die spektroskopischen Eigenschaften sowie die Lasereignung.
Es zeigen: Fig. 3: Absorptionspektren Fig. 4: Fluoreszenzspektren Fig. 5: Cr-Laserausgangsleistung in Abhängigkeit von der Pumpleistung bei verschiedenen Pumpwellenlängen Ap.
Aus dem Absorptionsspektrum (Fig. 3) ist ersichtlich, daß Breitbandlichtguellen (z. B. Xenonlampe) effektiv absorbiert werden.
Dadurch können die Cr-Laser mit hohem Wirkungsgrad (4-Niveau-Laser: vgl. Fig. 1, 3, 4) betrieben werden. Die Cr3 -Fluoreszenzspektren zeigen, daß der Cr-Laser durchstimmbar ist. Die Breitbandfluoreszenzen sowie die Lebensdauer T (siehe Abb.4) beweisen die Besetzung des T2-Niveaus bei den Ausführungsbeispielen. Daraus folgt direkt, daß bei Kodotierung mit Nd ein schneller und effektiver Energietransfer vom Cr zum Nd erfolgt. Als Folge ergibt sich ein Nd-Laser mit erhöhter Ausbeute.
Die Kristalle können nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt werden, sie besitzen kubische Symmetrie. Abweichungen von der A3 B2 Al3 012 - Grundformel durch geringfügigen Kationenaustausch (z. B. A e B, B e Al) im Prozentbereich beeinträchtigen die Breitband- und Lasereigenschaften nicht. Z. B. ist die Gitterkonstante a für GSAG 12.39 i und für YSAG 12.25 i. Der Schmelzpunkt liegt für GSAG mit 1.1020 Cr3+/cm3 bei 1850°C und für GSAG mit 7.1020 Cr3+/cm3 bei 1920°C. Diese Kristalle werden mit einer Ziehgeschwindigkeit von 4mm/h gezogen.
Für die Einstellung des relativ kleinen Kristallfeldes auf dem 3+ Oktaederplatz durch z. B. Sc ist die Besetzung des Dodekaederplatzes von untergeordneter Bedeutung. Diese kann sowohl durch Y als auch durch Seltene Erden erfolgen. Die Patentidee kann auch durch eine 2-, 4-wertige Kombination von z. B. Ca (auf dem Dodekaederplatz) und z. B. Zr4+ (auf dem Oktaederplatz) realisiert werden.
Da über die Besetzung des 4T2-Bandes das Spektrum und die Lebensdauer der fluoreszierenden Cr-Niveaus (2E und 4T) empfindlich von der Temperatur und vom Druck abhängen, können die Kristalle als berührungslose, optische Temperatur- und Drucksensoren benützt werden.
Bei Verwendung relativ hoher Cr-Konzentration (z. B. 5.1019cm 3) 18 -3 und gleichzeitig niedriger Nd-Konzentration (z. B. ca. 5,1O1Ecm cm können die Kristalle als Mehrfarbenlaser mit gleichzeitiger Emission von ca. 780nm (durchstimmbar!), 900nm, 1.06 ijm, 1.3 pm arbeiten.
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Claims

PATENTANSPRUCHE 1.) Kristall mit Cr3+ und Nd3+ als dotierten Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiumgranat als Wirtsgitter vorgesehen ist.
2.) Kristall nach Anspruch 1 als effizienter Cr-sensibilisierter Nd-Laser mit der chemischen Zusammensetzung A3 B2 A13 °12 wobei A eines oder eine Abmischung der Elemente Y, La,Gd, Lu, Ce, Eu, Tb bedeutet und B eines oder eine Abmischung der Elemente Sc, In, Lu bedeutet.
3+ 3.) Kristall mit Cr als dotiertem Ion, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiumgranat als Wirtsgitter vorgesehen ist.
4.) Kristall nach Anspruch 3 als durchstimmbarer Cr3+-Laser mit der chemischen Zusammensetzung A3 B2 Al3 °12' wobei A eines oder eine Abmischung der Elemente Y, La, Gd, Lu, Ce, Eu, Tb bedeutet und B eines oder eine Abmischung der Elemente Sc, In, Lu bedeutet.
5.) Kristall nach Anspruch 3, 4 als optischer,berührungsloser Temperatursensor.
6.) Kristall nach Anspruch 3, 4 als optischer Drucksensor.
7.) Kristall nach Anspruch 1, 2 als effizienter Mehrfarbenlaser.
8.) Kristall nach Anspruch 1 bis 4 als optischer Verstärker.