DE3616427C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herabmindern der Absorption von Ti : Al₂O₃ Kristallmaterial nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches. Derartiges Kristallmaterial findet vorzugsweise Anwendung auf dem Gebiet der Laser. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Verbesserung der Laserwirksamkeit eines abstimmbaren mit Titan gedopten Saphirs, Ti : Al₂O₃.

Abstimmbare Festkörper-Lasermaterialien sind im Stand der Technik seit den frühen 60er Jahren bekannt und Ti : Al₂O₃ wurde von P.F. Moulton (Laser Focus, Mai 1983) als ein abstimmbares Lasermaterial entdeckt, das einen wirksamen Fluoreszenz-Abstimmbereich für Wellenlängen zwischen 750 bis 900 nm besitzt. Der Absorptionsspektrumbereich für Ti : Al₂O₃ erstreckt sich bis ungefähr 650 nm; jedoch wurde entdeckt, daß beim Unterlassen spezieller Vorsichtsmaßnahmen im Verlaufe der Verarbeitung von mit Titan dotiertem Saphir, Ti : Al₂O₃, das Absorptionsspektrum beim Erreichen eines Minimalwertes bei ungefähr 650 nm sich über den gesamten Laser- bzw. Fluoreszenzbereich erstreckt, was das unerwünschte Ergebnis nach sich zieht, daß die Laserwirksamkeit des abstimmbaren Ti : Al₂O₃-Materials bedeutsam reduziert wird.

Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, um die Laserwirksamkeit eines abstimmbaren mit Titan dotierten Saphir-Lasermaterials zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte Darstellung des Absorptions- und Fluoreszenzspektrums für Ti : Al₂O₃; und

Fig. 2 das repräsentative Absorptionsspektrum für Ti : Al₂O₃, das nach dem Kristallziehen mit der Tempertechnik gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeitet wurde im Vergleich zu dem Absorptionsspektrum für Ti : Al₂O₃, das nicht der Tempertechnik gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Kristallziehen unterworfen worden ist.

Bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung wird ein Kristall aus mit Titan dotiertem Saphir (Al₂O₃), der ungefähr 0,03 bis 1,0 Atomprozent Titan enthält, vorbereitet, indem in einem Tiegel (z. B. hergestellt aus Iridium) eine Mischung von hochreinem Al₂O₃ geschmolzen wird. Das hochreine Al₂O₃ ist z. B. durch Saphirbruch vorgegeben, das weniger als 100 ppm Verunreinigungen wie beispielsweise Si, Cr, Fe, Mg mit hochreinem TiO₂ (weniger als 50 ppm Cr, Si, Fe, Ca) enthält. Das Schmelzen wird ausgeführt unter einer Atmosphäre von inertem Gas, z. B. Stickstoff, das weniger als 10 ppm O₂ enthält. Die Schmelze wird auf einer Temperatur von 2050 bis 2080°C gehalten und ein Impfkristall aus Aluminium wird benutzt, um eine Saphirperle von Ti : Al₂O₃ aus der Schmelze zu ziehen, wobei von dem bekannten Czochralski-Verfahren Gebrauch gemacht wird. Die Saphirperle aus Ti : Al₂O3, die auf diese Weise hergestellt wird, enthält zu diesem Zeitpunkt eine große Anzahl von Streuzentren (z. B. Blasen, Einschlüsse und Punktdefekte), sie ist von geringer Klarheit, ihre Farbe ist von purpurblauer Tönung und ihr Absorptionsspektrum wird durch die gestrichelten Linien (A) in Fig. 2 dargestellt, wobei diese Linie die Saphirperle bezeichnet, wie sie gewachsen ist. Wie man erkennt, erstreckt sich das Absorptionsspektrum für die Saphirperle, wie gewachsen, vollständig über den Wellenlängenbereich des Fluoreszenzspektrums in dem Stand der Technik - Diagramm gemäß Fig. 1 - und demzufolge ist die Laserwirksamkeit des abstimmbaren Spektrums des mit Titan dotierten Saphirmaterials vermindert. Um die Absorption in dem abstimmbaren Spektralbereich von 750 bis 950 nm wesentlich zu eliminieren, wie gemäß der vorliegenden Erfindung der mit Titan dotierte Saphirkristall bei einer Temperatur im Bereich von 1850°C bis 2000°C in einem Hochvakuum von wenigstens 1×10^-6 Torr für wenigstens 48 Stunden getempert. Die Länge der Temperperiode wird erhöht, wenn der Querschnitt des gezogenen Kristalls 3,175 mm überschreitet. Nach der Temperperiode wird die Temperatur der Saphirperle auf ungefähr 1500°C mit einer Geschwindigkeit abgesenkt, die 2°C pro Minute nicht überschreitet. Vorzugsweise beträgt die Abkühlgeschwindigkeit nicht mehr als ungefähr 1°C pro Minute und nicht weniger als ungefähr 0,25°C pro Minute. Bei Temperaturen von 1500°C bis herunter zur Raumtemperatur ist die Abkühlgeschwindigkeit unkritisch. Die sich ergebende getemperte und abgekühlte mit Titan dotierte Saphirperle zeigt ein repräsentatives Absorptionsspektrum, wie es durch die ausgezogene Linie (B) in Fig. 2 dargestellt ist, aus welcher hervorgeht, daß im wesentlichen kein Absorptionsspektrum bei Wellenlängen oberhalb 650 nm vorliegt. Infolgedessen ist die Laserwirksamkeit für das Material gemäß der Linie (B) im Mittel von 2 bis 28% höher als dasjenige Material gemäß der Linie (A) und das Material gemäß der Linie (B) zeigt bei einer EPR-Analyse (EPR = electron paramagnetic resonance) einen erhöhten Ti⁺³ Gehalt im Vergleich zu dem Material gemäß Linie (A) und eine geringere Anzahl von Streuzentren (d. h. TiO₂-Einschlüsse, Punktdefekte) und besitzt im Vergleich zu dem Material gemäß Linie (A) eine größere Klarheit und seine Farbe ist tief rosa.

Das folgende Beispiel soll die vorliegende Erfindung weiter veranschaulichen:

Beispiel

Eine Beschickung wurde aus TiO₂-Puder und Al₂O₃-Bruch hergestellt. Der Verunreinigungsgehalt der obigen Materialien wurde folgendermaßen festgestellt

Al₂O₃weniger als 100 ppm Verunreinigungen TiO₂weniger als 50 ppm Verunreinigungen

Die Beschickung betrug:

TiO₂  22 g Al₂O₃4000 g.

Mit den Materialien wurde ein Iridiumtiegel beschickt, der in einer Glasglocke angeordnet war, welche gegen Lecks gegenüber der Atmosphäre abgedichtet war. Ein Strom aus Stickstoff mit weniger als 10 ppm O₂ wurde als Umgebungsatmosphäre innerhalb der Glasglocke benutzt. Eine Induktionsspule wurde verwendet, um die Beschickung über eine Periode von 8 Stunden von Raumtemperatur auf eine Temperatur im Bereich von 2050°C bis 2080°C aufzuheizen, welche Temperatur über 2 Stunden aufrechterhalten wurde, um die Beschickung zu schmelzen. Ein Saphir (Al₂O₃)-Impfkristall, der auf einer rotierenden Stange angeordnet war, wurde in die Schmelze abgesenkt, mit 15 U/min rotiert und während einer Zeitperiode von 500 Stunden angehoben, um eine Saphirperle aus Ti : Al₂O₃ Kristall mit einem Durchmesser von 3,81 cm und einer Länge von 20,32 cm zu erhalten. Eine Laserstange mit einem Durchmesser von 0,635 cm und einer Länge von 7,62 cm wurde aus der Saphirperle hergestellt. Die Saphirperle wurde analysiert durch EPR- und Absorptions-Verfahren und es wurde gefunden, daß sie einen Ti³⁺-Gehalt von 0,06 Atomprozent und feststellbare Streuzentren sowie eine geringe Klarheit aufgrund der Einschlüsse aufwies. Die Saphirperle war von purpurblauer Tönung und ihr Absorptionsspektrum entsprach der Linie (A) in Fig. 2.

Die Saphirperle wurde nachfolgend getempert bei einer Temperatur von 1916°C während 48 Stunden und sodann auf 1500°C mit einer Geschwindigkeit von 0,9°C/min abgekühlt. Die Saphirperle wurde analysiert und es wurde gefunden, daß die einen Ti³⁺-Gehalt von 0,08 aufwies, purpur in der Farbe war und keine Streuzentren aufwies. Das Absorptionsspektrum entsprach der Linie (B) in Fig. 2 und ihre Laserwirksamkeit erhöhte sich infolge der Temperbehandlung.

Claims (1)

1. Verfahren zum Herabmindern der Absorption von Ti : Al₂O₃ Kristallmaterial im Bereich einer Wellenlänge von 750 bis 950 nm, gekennzeichnet durch

   • a) Tempern des Kristallmaterials in einem Vakuum von wenigstens 1×10^-6 Torr bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1850 bis 2000°C während wenigstens 48 Stunden; und
   • b) anschließende Abkühlung des Materials von dieser Temperatur auf 1500°C mit einer Geschwindigkeit von höchstens 2°C pro Minute.