DE4007495C2

DE4007495C2 - Laseraktive Kodotierung für Glas

Info

Publication number: DE4007495C2
Application number: DE19904007495
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl Ing Wetenkamp
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2010-03-10
Also published as: GB2241949B; FR2660648A1; DE4007495A1; GB2241949A; GB9104904D0

Description

Die Erfindung betrifft eine laseraktive Kodotierung für Glas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der DE-AS 14 96 056 bekannt ist.

Bekannt ist die Verwendung der Seltenerdmetalle Praseodym, Europium, Samarium oder Terbium als Kodotierungen (Akzeptoren genannt) neben den eigentlichen laseraktiven Seltenerdmetallen Holmium, Erbium und Thulium (Donatoren genannt), wobei jeweils Elemente aus einer der beiden Elementgruppen in dem Wirtsmaterial Glas oder damit hergestellten runden oder planaren Lichtwellenleitern eingebracht werden. Die Kodotierungselemente bewirken bei den laseraktiven Elementen eine Verkürzung der Fluoreszenzlebensdauern der ersten anregbaren Energiezustände oberhalb der Grundniveaus, die für die genannten Laserelemente bei den Laserübergängen im Wellenlängenbereich von ca. 2 bis 3 Mikrometern die Zielniveaus (oder unteren Laserniveaus) eines Überganges bilden.

Bei den Elementen Holmium, Erbium und Thulium werden die jeweiligen Laserübergänge im Wellenlängenbereich von ca. 2 bis 3 Mikrometern in ihrer Wirksamkeit und Verwendbarkeit sehr stark durch die Eigensättigung der Besetzungsdichte des unteren Laserniveaus eingeschränkt. Dieser Effekt ist bedingt durch die längere Lebensdauer des unteren Laserniveaus im Vergleich zum lasenden Niveau. Folglich ist nur ein gepulster Laserbetrieb möglich, der bisher in Kristallen und Gläsern beobachtet wurde. In der Literatur, z. B. in Alexander A. Kaminskii "Laser Crystals, Their Physics and Properties", Springer Verlag 1981, S. 52-54, sind mehrere Verfahren vorgeschlagen und zum Teil realisiert worden, um die Lebensdauern der unteren Laserniveaus künstlich zu verringern.

Beim Kaskadenlaser werden zwei fluoreszierende Übergänge als Laser betrieben. Da hierbei das untere Laserniveau des einen Übergangs gleichzeitig das obere Niveau des zweiten Lasers ist, wird durch die induzierte Emission des zweiten Lasers das untere Niveau des ersten Lasers entleert und eine effizientere Inversion des Laserüberganges erreicht. Der Aufwand bei der Spiegelherstellung für beide Laserwellenlängen ist beträchtlich, und daher ist eine technische Nutzung des Kaskadenprozesses nicht sinnvoll.

Durch eine weitere Laserquelle (z. B. die Pumpstrahlung) kann Energie den lasenden Ionen so zugeführt werden, daß bei passender Energiedifferenz die unteren Laserniveaus zu höheren Energieniveaus entleert werden. Auf diese Weise ist mit Erbium ein Dauerstrich-Laserbetrieb für einen Faserlaser bei 2,7 Mikrometern realisiert worden, der nur bei passender Pumpstrahlung von 476,5 nm, 501,7 nm oder 647,1 nm arbeitet, wie z. B. aus J. Y. Allain et al. "Erbium doped Fluorozirconate Single-Mode Fibre Lasing at 2,71 µm", Electronics Letters, Vol. 25, No. 1, S. 28-29, Jan. 1989, bekannt ist. Da für die Laserübergänge im Wellenlängenbereich von ca. 2 bis 3 Mikrometern bei Seltenerdmetallen die gezielte Anregung höherer Energieniveaus nicht immer möglich ist oder die dafür geeigneten Wellenlängen, wie im vorher erwähnten Beispiel, nur mit Hilfe von aufwendigen Laserquellen (z. B. Ionen-Lasern) und nicht mit Halbleiterfasern erzeugt werden können, ist dieses Verfahren ebenfalls ungeeignet.

Durch Kodotierung mit geeigneten Elementen können die unteren Niveaus des lasenden Überganges durch Energietransfer zu den Ionen des zweiten Dotierungselementes entleert werden. In der Literatur wurden bisher nur in Kristallen für das lasende Element Erbium die Kodotierungen Thulium oder gleichzeitig Holmium und Thulium, z. B. in Alexander Kaminskii "Laser Crystals, Their Physics and Properties", Springer-Verlag 1981, S. 52-54, und für Holmium die Kodotierungspartner Praseodym oder Europium untersucht, wie z. B. in L. F. Johnson, H. J. Guggenheit "Electronic- and Phonon-Terminated Laser Emission from Ho³⁺ in BaY₂F₈", IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE-10, S. 422-449, April 1974, berichtet wurde. Kaminskii nennt nur Anteile Kodotierungen, die gleich der Erbiumdotierung oder größer als diese sind. Gemäß der zweiten Literaturstelle konnte ein Laserbetrieb trotz der Kodotierung im Kristall nicht erzielt werden. Für das Element Thulium wurden Praseodym, Europium oder Terbium zur Deaktivierung des unteren Laserniveaus vorgeschlagen, aber noch nicht nachgewiesen, z. B. in J. A. Caird et al. "Characteristics of Room-Temperature 2.3-µm Laser Emission from Tm³⁺ in YAG and YA10₃, IEEE J. Quantum Electron., Vol. QE-11, S. 874-881, November 1975.

In Gläsern ist die Wirksamkeit der Energietransfermechanismen zur Entleerung unterer Laserniveaus bisher also nicht betrachtet bzw. nachgewiesen worden. Gläser unterscheiden sich jedoch aufgrund ihrer Struktur als Wirtsmaterial für Seltenerdmetalle in ihren spektroskopischen Eigenschaften erheblich von Kristallen, wie z. B. spektrale Absorptionsstärken und -linienbreiten, spektrale Fluoreszenzintensitäten und -linienbreiten sowie den Lebensdauern der Energiezustände und in ihrem damit verbundenen Energietransferverhalten. Sie weisen andererseits beträchtliche Vorteile auf, denn die Verbreiterung des Energieniveaus in Gläsern gegenüber Kristallen und die Absorptionsfähigkeit der Energieniveaus der Akzeptoren unterstützen die Wahrscheinlichkeit und die Quantität des Energietransfers zwischen den Donatoren und den Akzeptoren. Da sich des weiteren aus Gläsern nahezu beliebige Wellenleiterstrukturen herstellen lassen, besteht an Glaslasern und Glasfaserlasern für den oben genannten Wellenlängenbereich in der Sensorik, der Medizin und der Spektroskopie ein beträchtliches Interesse.

Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, den Dauerstrichbetrieb von laseraktiven Gläsern zu ermöglichen und damit die genannten Anwendungen zu erschließen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 dargelegten Maßnahmen gelöst.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele erörtert werden. Es zeigt

Fig. 1 die Fluoreszenzlebensdauern der Niveaus ⁴I_11/2 und ⁴I_13/2 von Erbium³⁺-Ionen bei Kodotierung mit Praseodym,

Fig. 2 die Fluoreszenzintensitäten der Nivaus ⁴I_11/2 und ⁴I_13/2 von Erbium³⁺-Ionen bei Kodotierung mit Praseodym,

Fig. 3 die Fluoreszenzlebensdauern der Niveaus ⁵I₆ und ⁵I₇ von Holmium³⁺-Ionen bei Kodotierung mit Praseodym,

Fig. 4 die Fluoreszenzintensitäten der Niveaus ⁵I₆ und ⁵I₇ von Holmium³⁺-Ionen bei Kodotierung mit Praseodym,

Fig. 5 die Fluoreszenzlebensdauern der Niveaus ⁵I₆ und ⁵I₇ von Holmium³⁺-Ionen bei Kodotierung mit Europium, und

Fig. 6 die Fluoreszenzintensitäten der Niveaus ⁵I₆ und ⁵I₇ von Holmium³⁺-Ionen bei Kodotierung mit Europium.

Wie eingangs dargelegt, wird die vorliegende Erfindung durch geeignete Kodotierungen

a) von Erbium mit Praseodym oder Samarium oder mit beiden Elementen,
b) von Holmium mit Praseodym, Europium oder Terbium oder mit Kombinationen der drei Elemente und
c) von Thulim mit Praseodym oder Samarium oder mit beiden Elementen

in Gläsern oder damit hergestellten runden oder planaren Lichtwellenleitern für Laser- oder Laserverstärkerbetrieb für eine Entleerung der ersten anregbaren Energieniveaus oberhalb des Grundniveaus von Erbium, Holmium oder Thulium gesorgt, die für diese Elemente die langlebigen und sich selbst sättigenden unteren Niveaus der Laserübergänge im Wellenlängenbereich von ca. 2 bis 3 Mikrometern bilden, und auf diese Weise Dauerstrich betrieb ermöglicht.

Zur sinnvollen und effektiven Entleerung müssen die Kodotierungen in einem Verhältnis von 1 : 1 bis 1 : 100 000 den eigentlichen Laserelementen Erbium, Holmium oder Thulium beigegeben werden. Ins besondere sind nach der Erfindung bei den unten noch näher erläuterten Schwermetallfluorid-Gläsern extrem geringe Anteile der Kodotierungen an der Gesamtdotierung für einen wirksamen Energietransfer möglich, nämlich Verhältnisse von 1 : 10 bis 1 : 1000 zwischen Akzeptor und Donator. Die Beigabe von solch geringen Mengen von Kodierstoffen hat mehrere Vorteile. Zum einen wird die Glasstruktur durch die zusätzlichen Dotierstoffe nicht gestört und damit Streuverluste durch Keim- und Kristallbildung vermieden. Zum anderen treten keine weiteren störenden Verluste durch die Absorptionslinien der Kodotierungen im Glas oder in Glasfasern im Wellenlängenbereich von ca. 1 bis 5 Mikrometern auf. Außerdem werden auch die wichtigen physikalischen Parameter für die Herstellung von Lichtwellenleitern aus Glas, wie z. B. die Brechzahl, der Ausdehnungskoeffizient, die Festigkeit usw., durch die Beigabe solcher geringster Mengen der Kodotierungen nicht beeinflußt.

Die Entleerung des unteren Laserniveaus basiert dabei auf einem resonanten, nichtstrahlenden Energietransfereffekt zwischen den angesprochenen Niveaus der Laserelemente und den nahezu gleich hoch gelegenen Niveaus der Kodotierungen, der im folgenden für die einzelnen Dotierungspaare erläutert wird.

Für den Laserübergang ⁴I_11/2 nach ⁴I_13/2 des Erbiums bei einer Wellenlänge von ca. 2,65 Mikrometern kann die Besetzungsdichte des langlebigen Energieniveaus ⁴I_13/2, das sich normalerweise mit einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometern strahlend ins Grundniveau entleert, durch Energietransfer zu den Niveaus ⁶F_1/2, ⁶F_3/2 und ⁶H_15/2 des Samariums oder zu den Niveaus ³F₂ und ³F₃ des Praseodyms verringert werden.

Der Laserübergang des Holmiums bei einer Wellenlänge von ca. 2,85 Mikrometern erfolgt vom Niveau ⁵I₆ zum langlebigen Niveau ⁵I₇, das sich bei einer Wellenlänge von ca. 2,02 Mikrometern strahlend ins Grundniveau entleert. Bei jeweils gleichzeitiger Kodotierung erfolgen Übergänge zu den ³F₂ und ³H₆-Niveaus des Praseodyms oder zu dem ⁷F₆-Niveau des Europiums oder zu den ⁷F₂ und ⁷F₃-Niveaus des Terbiums.

Beim Thulium erfolgt bei der Wellenlänge von ca. 2,3 Mikrometern der Laserübergang vom ³F₄ zum ³H₅-Energieniveau, das sich sehr schnell strahlungslos in das langlebige, sich sättigende ³H₄-Niveau entleert. Dies führt dann zu einer Absättigung des eigentlichen unteren Laserniveaus. Die Besetzungsdichte des ³H₄-Niveaus, das sich ohne Kodotierung bei ca. 1,85 Mikrometern strahlend ins Grundniveau entleert, kann durch Energietransfer in das ³F₂-Niveau von Praseodym oder in das ⁶H_13/2-Niveau des Samariums verringert werden.

Die Wirkung der Kodotierungen nach der Erfindung soll anhand einiger Ausführungs beispiele von mit Donatoren und Akzeptoren dotierten Schwermetallfluorid- Gläsern und anhand der Figuren erläutert werden. Ein solches Glas wurde auf der Basis von 52 mol-% ZrF₄, 20 mol-% BaF₂, 3 mol-% AlF₃, 20 mol-% NaF, (5-x-y) mol-% LaF₃, x mol-% Donatorionen und y mol-% Akzeptorionen erschmolzen. Wirtsgläser mit vorstehend genannten Hauptbestandteilen ohne Donatoren und Akzeptoren (x=0, y=0) werden allgemein als ZBLAN-Gläser bezeichnet. Durch Messungen der Fluoreszenzintensitäten und -lebensdauern des jeweiligen oberen und unteren Energieniveaus des betrachteten Laserübergangs kann die Wirksamkeit der Energietransfer beurteilt werden.

Ausführungsbeispiel 1 Donator Erbium und Akzeptor Praseodym

Um die Wirkung der Erfindung für dieses Dotierungspaar zu demonstrieren, wurden ZBLAN-Glasproben gemäß der vorstehend genannten Zusammensetzung hergestellt, wobei jedes Glas 4 mol-% Erbium enthält und der Praseodymanteil jeweils 0,05, 01, 0,2, 0,5 oder 1,0 mol-% beträgt. Für Erbium soll der mögliche Laserübergang von ⁴I_11/2 zum ⁴I_13/2-Energieniveau, der bei einer Wellenlänge von ca. 2,65 Mikrometern fluoreszierend erfolgt, durch die Kodotierung mit Praseodym beeinflußt und effizienter gemacht werden. Ohne Kodotierung betragen die Lebensdauer des oberen Niveaus ca. 6-7 ms und die des unteren Niveaus ca. 9-10 ms. Die lange Verweilzeit im Ener gieniveau ⁴I_13/2, das sich bei einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometern strahlend ins Grundniveau entleert, verhindert die gewünschte Besetzungsinversion für kontinuierlichen Laserbetrieb. Schon durch die Beigabe von nur 0,05 mol-% Praseodym findet ein Energietransfer zu dessen Energieniveaus ³F₂ und ³F₃ statt. Fig. 1 zeigt den Verlauf der Fluoreszenzlebensdauern der Energieniveaus ⁴I_11/2 und ⁴I_13/2 in Abhängigkeit von der Kodotierung Praseodym. Man erkennt die deutliche Abnahme der Fluoreszenzlebensdauer des ⁴I_13/2-Niveaus bei zunehmendem Praseodymanteil, während das ⁴I_11/2-Niveau wesentlich schwächer beeinflußt wird. Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Fluoreszenzintensitäten der Energieniveaus ⁴I_11/2 und ⁴I_13/2 von der Kodotierung Praseodym. Auch hier erkennt man bei zunehmendem Praseodymanteil die wesentlich stärkere Verringerung der Fluoreszenz intensität des ⁴I_13/2-Niveaus im Vergleich zur Fluoreszenzintensität des ⁴I_11/2-Niveaus. Die quantitative Umkehrung der Lebensdauern beider Niveaus findet schon bei einer Kodotierung mit weniger als 0,05 mol-% Praseodym, also bei einem Verhältnis von Akzeptoren zu Donatoren von ca. 1 : 100 statt. Diese Effekte treten sowohl bei Anregung der Erbiumionen mit der 488-nm-Linie als auch der 514-nm-Linie eines Argon-Ionen-Lasers auf und sind damit auch bei anderen Pumpwellenlängen zu erwarten.

Ausführungsbeispiel 2 Donator Holmium und Akzeptor Praseodym

Zur Demonstration der Erfindung für dieses Dotierungsbeispiel wurden ZBLAN-Glasproben gemäß der vorstehend genannten Zusammensetzung hergestellt, wobei jedes Glas 4 mol-% Holmium enthält und der Praseodymanteil jeweils 0,05, 0,1, 0,2, 0,5 oder 1,0 mol-% beträgt. Für Holmium soll der mögliche Laserübergang vom ⁵I₆ zum ⁵I₇-Energieniveau, der bei einer Wellenlänge von ca. 2,85 Mikrometern fluoreszierend erfolgt, durch die Kodotierung mit Praseodym beeinflußt und effizienter gemacht werden. Ohne Kodotierung betragen die Lebensdauer des oberen Niveaus ⁵I₆ ca. 4-5 ms und die des unteren Niveaus ⁵I₇ ca. 10-12 ms, das sich bei einer Wellenlänge von 2,02 Mikrometern strahlend ins Grundniveau entleert. Auch hier ist schon bei geringster Beigabe von Praseodym ein Energietransfer zu dessen Energieniveaus ³F₂ und ³H₆ beobachtbar, wie man es anhand der in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Fluoreszenzeigenschaften erkennen kann (Fig. 3 und Fig. 4 sind genauso ausgeführt wie Fig. 1 und Fig. 2, die Diskussion im Ausführungsbeispiel 1 gilt hier analog). Das untere Niveau ⁵I₇ wird bei steigender Kodotierung wesentlich stärker als das obere Niveau ⁵I₆ in seinen Fluoreszenzeigenschaften verändert. Auch hier ist eine zahlenmäßige Umkehrung der Lebensdauern der beiden Niveaus schon bei einer Kodotierung mit weniger als 0,05 mol-% Praseodym, also bei einem Verhältnis von Akzeptoren zu Donatoren von ca. 1 : 100 feststellbar. Zur Anregung der Holmiumionen diente die 488-nm-Linie eines Argon-Ionen-Lasters, wobei der Effekt auch bei anderen Pumpwellenlängen zu erwarten ist.

Ausführungsbeispiel 3 Donator Holmium und Akzeptor Europium

Für dieses Beispiel wurden ZBLAN-Glasproben gemäß der vorstehend genannten Zusammensetzung hergestellt, wobei jedes Glas mit 4 mol-% Holmium und jeweils mit 0,05, 0,1, 0,2, 0,5 oder 1,0 mol-% Europium dotiert wurden, mit dem ebenfalls der mögliche Laserübergang des Holmiums von ⁵I₆ zum ⁵I₇-Energieniveau beeinflußt werden soll. Auch hier ist schon bei geringster Beigabe von Europium ein Energietransfer zu dessen Energieniveau ⁷F₆ bemerkbar, wie es die Kurven der Fluoreszenzlebensdauern und -intensitäten in den Fig. 5 und 6 zeigen (Fig. 5 und Fig. 6 sind genauso ausgeführt wie Fig. 1 und Fig. 2, die Diskussion im Ausführungsbeispiel 1 gilt hier analog). Die Verringerungen der Lebensdauern und der Intensitäten des ⁵I₇-Niveaus erfolgt nicht so ausgeprägt wie im Beispiel 2, dennoch hat das obere Niveau ⁵I₆ ab einer Kodotierung von etwas oberhalb von 0,1 mol-% Europium, also bei einem Verhältnis von Akzeptoren zu Donatoren von ca. 1 : 35, eine längere Lebensdauer als das untere ⁵I₇-Niveau. Auch in diesem Beispiel wurde die 448-nm-Linie eines Argon-Ionen-Lasers zur Anregung der Holmiumionen verwendet, wobei bei anderen Pumpwellenlängen dieser Effekt ebenfalls feststellbar ist.

Claims

1. Laseraktive Kodotierung für Glas von wenigstens einem Element aus der Gruppe der Seltenerdmetalle Praseodym, Samarium, Europium und Terbium als Akzeptor mit einem anderen Element aus der Gruppe der Seltenerdmetalle Holmium, Erbium oder Thulium als Donator, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas ein Schwermetallfluorid-Glas ist und daß für die Dotierstoffe ein Akzeptor/Donator-Verhältnis von 1 : 10 bis 1 : 1000 eingestellt ist.

2. Laseraktive Kodotierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energietransfer zwischen dem wenigstens einen Akzeptor und dem Donator für Laserübergänge des Donators im Wellenlängenbereich von ca. 1 bis 3 Mikrometern erfolgt.

3. Dotierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffe in aus Schwermetallfluorid-Glas hergestellten runden oder planaren Lichtwellenleitern eingebracht sind.