DE3435133A1 - Silicophosphat-laserglas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserglas, das P₂°5 ^{und Si0}2 als glasbildende Komponenten enthält.

Ein Phosphat-Laserglas, das Alkalikomponenten in verhältnismäßig großen Mengen enthält, bietet den Vorteil, daß sein stimulierter Emissionsquerschnitt groß ist, es hat jedoch den Nachteil, daß neben einer geringen mechanischen Festigkeit und einer geringen chemischen Haltbarkeit seine Wärmeschockbeständigkeit gering ist wegen seines großen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Diese Nachteile des Phosphat-Laserglases können verbessert werden, indem man ^"0^3 (worin R" für Y, La, B oder Al steht) oder R¹O (worin R¹ für Mg, Ca, Sr, Ba, Zn oder Pb steht) der Glaszusammensetzung einverleibt. Die Einarbeitung von R"₂°3 °^er R¹O führt jedoch zu dem Nachteil, daß der stimulierte Emissionsquerschnitt eines Laserqlases abnimmt. Andererseits weist^r _v„ ein Silicat-Laserglas einen kleinen stimulierten Emissionsquerschnitt auf, während seine mechanische Festigkeit unc

seine Wärmeschockbeständigkeit im allgemeinen hoch sind.

Es wurde nun gefunden, daß dadurch, daß man einen Teil oder das gesamte Al₃O₃ und R¹O, die bisher zum Zwecke ο der Verbesserung der Nachteile, von Phosphat-Laserglas in eine Glaszusammensetzung eingearbeitet worden sind, durch SiO₃ ersetzt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient vermindert und dementsprechend dessen Wärmeschockbeständigkeit erhöht werden kann, ohne daß der dem Phosphat-Laserglas eigene große stimulierte Emissionsquerschnitt wesentlich abnimmt. · ...

Es wurde auch gefunden, daß, obgleich angenommen wird, daß die Einarbeitung von SiOp in ein Phosphatglas in einer großen Menge im allgemeinen zu einer Phasentrennung und/oder Kristallisation führt, nicht nur eine solche Tendenz in der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung nicht festzustellen ist, sondern auch ein Glas mit einer geringen Fluoreszenzkonzentrationsauslöschü'ng erhalten werden

20 kann.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Laserglas zu schaffen, das die Vorteile sowohl von Phosphat-Laserglas als auch von Silicat-Laserglas, insbesondere einen großen stimulierten Emissionsquerschnitt, eine hohe Wärmeschockbeständigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, aufweist.

Das Glasgrundsystem der vorliegenden Erfindung ist P₂Og" SiO₂-R₃O-Nd₂O₃, worin R für Li, Na oder K steht.

Das erfindungsgemäße Silicophosphat-Laserglas hat eine Zusammensetzung, die in Mol-% umfaßt:

Jt Mr

1 45 bis. 70 % P₃O₅ 8 bis 30 % SiO₂ 65 bis 95 % P₃O₅ + SiO₂ . 4 bis 20 % Li₂O + Na₂O + K₃O 5 0,01 bis 12 % Nd₉Q-, O bis 10 % Al₂O₃ 0 bis 5 % La₃O₃ + Y₃O₃ + B₃O₃ 0 bis 10 % R'O und 0 bis 1 % Nb₃O₅ + CeO₂, 10 worin R' für Mg, Ca, Sr, Ba, Zn oder Pb steht.

Dieses Glas weist als Laserglas eine geringe Fluoreszenzkonzentrationsausloschungy einen großen stimulierten
Emissionsquerschnitt und einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. ■

In der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung (angegeben in Mol-%) muß P2°5 iⁿ einer Menge von 45 bis 70 % enthalten
sein. Wenn die P₂O₅~Menge außerhalb des obengenannten
Bereiches liegt, wird die Stabilität des Glases schlechter.

₂ kann den Wärmeausdehnungskoeffizient innerhalb eines Bereiches von 8 bis 30 % herabsetzen, ohne den stimulierten Emissionsquerschnitt stark zu vermindern. Wenn jedoch die SiO-.-Menge mehr als 30 % beträgt, wird der stimulierte Emissionsquerschnitt kleiner als gewünscht.

Außerdem sollte zur Herabsetzung des Wärmeausdehnungskoeffizienten unter Aufrechterhaltung des stimulierten
Emissionsquerschnittes bei einem hohen Wert die Gesamtmenge an P₉O_n. + SiO₉ innerhalb des Bereiches von 65 bis ■ 95 % gehalten werden.

Wenn die Gesamtmenge an Li₃O + Na₃O + K₃O weniger als 4 % beträgt, wird die Vitrifikation (Verglasung) schwierig

und wenn ihre Menge 20 % übersteigt, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient groß. Daher muß die Gesamtmenge erfin-

dungsgemäß innerhalb des Bereiches von 4 bis' 20 % liegen. So ist beispielsweise Li₂O vorteilhaft in bezug auf die Herabsetzung des Wärmeausdehnungskoeffizienten, K₉O erhöht jedoch den stimulierten Emissionsquerschnitt.

₂O-, ist eine wesentliche Komponente für ein Laserglas. Damit ein Laserglas die gewünschten Eigenschaften hat, sind mindestens 0,01 % Nd₀O₁, erforderlich. Es ist möglich, der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung Nd₂O₃ in einer Menge von bis zu 12 % einzuverleiben (3 χ 10 Ionen/cm³ in Form von Nd -Ionen).

Was die Wahlkomponenten angeht, so kann AIpO-. den Wärmeausdehnungskoeffizient innerhalb des Mengenbereiches von 0 bis 10 % herabsetzen, ohne den stimulierten Emissionsquerschnitt schwerwiegend zu vermindern. Um nun die chemische Haltbarkeit zu verbessern, sollte Al₃O₃.vorzugsweise in einer Menge von 5 % oder mehr darin enthalten sein.

La₃O₃ + Y₃O₃ + B₃O₃ können als Ersatz für Al₂Q₃ innerhalb des Bereiches von 0 bis 5 % verwendet werden.

R¹O (R' = Mg, Ca, Sr, Ba, Zn oder Pb) kann als Ersatz für Li₂O, Na₃O und K₃O in einem Bereich von 0 bis 10 % verwendet werden und es dient der Herabsetzung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Verbesserung der chemischen Haltbarkeit.

Außerdem stellen Nb₃O₅ + CeO₃ Komponenten dar, die eine Solarisation in dem Bereich von 0 bis 1 % wirksam verhindern

Das erfindungsgemäße Silicophosphat-Laserglas wird hergestellt durch Mischen der Glasausgangsmaterialien, so daß man die oben beschriebene Glaszusammensetzung erhält, durch Aufschmelzen der Mischung, ausreichendes Entfernen von Wasser, beispielsweise durch Einleiten von trockenem Gas, auf konventionelle Weise und anschließendes Formen zur Erzielung der gewünschten Gestalt.

Die ICr l"i.n<!ung wird in den folgenden Beispielen an Hand der ΕΙφΊΐ!·.··!!·! Π.οη des erf indungsgemäßen Laserglases näher beschrie üf >n.

5 Beispiel 1

Tabelle I; Glaszusammensetzung (Mol-%)

	1	2	3	4	Versuch	Nr.	7	8	9	10	11	* » ♦ » I » ? » T »
Komponente	67	62	62	67	5	6	57 "	62	63	62	• 67	* *
P2O5	9	10	19	9	48	62	11	• 14	15	10	9	♦ $ t *
SiO2					29	29						t » · *
	14	7	14	7			18	14	14	14	7	J » » 1 I · > J ♦ > i »
Li2O	—	7	—	—	14	4	—	—	■ ■—	—	—
κ2ο	5	5	5	5	—	— ■	5 '	5	3.5·	5	5
Nd 0 '					5	5
2 3	5	9	—	5			9	5	—	9	5
AJl2O3	—	—	—	—	4	—	—	—	4.5	—
La2°3	—	—	—	7	—	—	——	——	——	—	—
MgO				—_	....			——			7
BaO				__

Nd³⁺ (10²⁰ Ionen/cm³) 12.9 12.5 13.0 12.8

σ (10"²° cm²) 4.4 3.9 4.5 4.0

α (10~⁷/^oC) 90 94 90 85

α:

Wärmeausdehnungskoeffizient

12	.5	13	.1	12	.7	12.	9	9.	4	12	.8	14	.2	CO
3	.4	4	.2	3	.4	4.	2	4.	1	3	.5	4	.2	CO
85		70		91		89		92		84		90		CO I CO
JUi	srsc	hni1	ht
zi<	snt

1 Boispiel 2

Es wurden fünf Arten von SilicophosphaL-Lasergläsern entsprechend der Zusammensetzung des Versuchs Nr. 8 des Beispiels 1 hergestellt, wobei diesmal jedoch die Konzentra-

3 +

tion an Nd -Ionen geändert wurde. Es wurde die Fluoreszenzlebensdauer jedes Glases gemessen. Die erzielten Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II angegeben.

Die Fluoreszenzlebensdauer wird beeinflußt durch die Menge an in dem Glas enthaltenem OH. Daher ist der Infrarotabsorptionskoeffizient, der auf die O-H-Schwingung in der Nähe von etwa 3,3 um zurückzuführen ist, ebenfalls in der folgenden Tabelle II als Maß für die OH-Menge angegeben.

Tabelle II Änderung der Fluoreszenzlebensdauer

20 Nd³⁺ (10²⁰ Ionen/cm³) 0.5 Fluoreszenzlebensdauer orη (us)

Absorptionskoeffizient 25

(cn"¹) ⁵·«

8	1	12.	8	1	16.	7	24.	0
180		50			20		65
3.	2.	2	2.	4	2.	7
.8
4

Aus der vorstehenden Tabelle II geht hervor, daß das erfindungsgemäße Silicophosphat-Laserglas eine geringe Fluoreszenzkonzentrationsauslöschung aufweist und bis zu einem hohen Konzentrationsbereich mit Nd-O₃ dotiert werden ™ kann. Das erfindüngsgemäße Silicophosphat-Laserglas eignet sich daher zur Herstellung eines Laserglases mit einem hohen Wirkungsgrad und einem hohen Output in einer geringen Größe.

^5 Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert,

-jf- 3

es ist jedoch für don Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Er-fxndung verlassen wird.

Claims (1)

1. Patentanspru c h

   5 Silicophosphat-Lasarglas, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung (in Mol-%):

   45 bis 70 % P₂O 5 ⁺ 8 bis 30 % SiO₂ 65 bis 95 % P₉O

   4 bis 20 % Li₂O + Na₃O +

   0,01 bis 12 % Nd₃O₃

   0 bis 10 % Al₃O₃

   0 bis 5 % La₃O₃ + Y₂O₃ +

   15 0 bis 10 % R¹O und

   0 bis 1 % Nb₃O₅ + CeO₂ worin R¹ für Mg, Ca, Sr, Ba, Zn oder Pb steht.