DE60316929T2

DE60316929T2 - Festkörperlaservorrichtung mit radialem valenzdotierungsprofil

Info

Publication number: DE60316929T2
Application number: DE60316929T
Authority: DE
Inventors: Robert Manhattan Beach BYREN; David Los Angeles SUMIDA
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: IL163523A; US20040028101A1; WO2003088432A2; IL163523A0; DE60316929D1; US6996137B2; WO2003088432A3; EP1493214A2; AU2003226316A8; EP1493214B1; AU2003226316A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Q-Schaltern und Laserpumpräumen. Insbesondere betrifft diese Erfindung Festkörpervorrichtungen mit einer radial abhängigen Dotierungsmittel-Valenzzustandsdichte.
Beschreibung des zutreffenden Standes der Technik:
Ein Laser ist ein Gerät, welches einen Strahl kohärenten Lichtes erzeugt. In einem typischen Laser liefert eine inkohärente Lichtquelle Energie an ein Lasermedium, welches Licht erzeugt, in welchem die Wellen in Phase sind, was mit kohärentem Licht bezeichnet wird, indem bestimmte Elektronenübergänge veranlasst werden. Wenn das Lasermedium richtig konstruiert ist, dann wird das kohärente Licht als ein Strahl emittiert. In bestimmten Fällen ist es wünschenswert, dass der emittierte Lichtstrahl kohärenten Lichtes intensiver ist als er natürlicherweise von dem Lasermedium abgegeben wird, und eine Laserart, welche als gütegeschalteter oder Q-geschalteter gepulster Laser bezeichnet wird, wurde für diesen Zweck entwickelt.
Der gepulste Laser enthält eine Lichtsteuereinrichtung, welche als ein Q-Schalter bezeichnet wird, der den Aufbau von Licht, das innerhalb des Laser-Resonanzhohlraumes vorwärts und rückwärts reflektiert wird, begrenzt, bis es einen ausgewählten Wert erreicht, zu welcher Zeit das Wachstum der inneren Welle rasch zunimmt und der Schwellwert für die Laserwirkung erreicht wird. Nach Abgabe der aufgebauten Lichtenergie als ein Impuls erholt sich der Q-Schalter für die vorausgegangene Funktion der Begrenzung der Lichtenergie, bis die Intensität für einen weiteren Impuls groß genug ist. Sehr hohe Scheitelleistungen und Strahlenergien können auf diese Weise erreicht werden. Elektrische, mechanische und passive Q-Schalter sind in der Technik bekannt.
Bei einer Art eines passiven Q-Schalters enthält ein fester Stoff sättigbare Absorber. Eine Art eines sättigbaren Absorbers basiert auf Farbzentren. Ein Farbzentrum ist ein Kristalldefekt, welcher Licht absorbiert. In einem passiven Q-Schalter verursacht das Vorhandensein von Farbzentren, dass die Durchlässigkeit des Q-Schalters niedrig ist, wenn die Energie des einfallenden Lichtstrahles unter der Sättigungsintensität der Absorption der Farbzentren ist. Andererseits verursacht eine ausreichend hohe Strahlintensität, dass die Farbzentren sich momentan ändern oder gleichsam ausbleichen, so dass der Lichtstrahl nicht mehr absorbiert wird.
Das US-Patent 4,833,333 von S. C. Rand, übertragen auf Hughes Aircraft Company mit dem Titel "Solid State Laser Q-Switch Having Radial Color Center Distribution" scheint einen passiven Q-Schalter zu offenbaren, bei dem eine radial abhängige Verteilung von sättigbaren Farbzentren vorhanden ist, welche die höchste Dichte am Rande des Kristalls aufweist. Dieses Patent scheint auch die Herstellung solcher Schalter durch Bestrahlung des Außenrandes eines LiF-Kristallstabes mit Elektronen zu lehren, um F₂-Farbzentren zu erzeugen, wobei eine höhere Dichte von Farbzentren nahe dem Außenrand als im Zentrum vorhanden ist. S. C. Rand scheint die Bestrahlung eines Kristalls mit Elektronen von der Seite oder radial zu lehren. Fakultativ kann der Kristall auch axial mit Elektronen bestrahlt werden oder in irgendeiner Richtung mit einer anderen Art von Strahlung mit größerer Eindringung in den Kristall, beispielsweise Gamma-Strahlung, um einen Basispegel von sättigbaren Farbzentren durch den gesamten Kristall hin zu schaffen. Der Kristall mit der radialen Verteilung von Farbzentren wirkt als ein Q-Schalter, hat aber zusätzlich das Bestreben, die Strahldivergenz zu reduzieren und die Helligkeit des Laserstrahls zu erhöhen, indem eine Unterscheidung gegenüber transversalen Moden höherer Ordnung vorgenommen wird, welche sich anderenfalls innerhalb des Laser-Resonators ausbreiten dürfen. Der festgestellte Vorteil dieser Q-Schalterkonfiguration besteht darin, dass er die Strahldivergenz zu reduzieren sucht und die Helligkeit des Laserstrahls erhöht, was durch den nicht-linearen Bleichmechanismus geschieht.
Der Strahl innerhalb des Laserraumes muss durch den Q-Schalter verlaufen. Nicht ausgebleichte Farbzentren wirken in der Weise, dass sie die Zeit, zu welcher der Laser den Schwellwert erreicht, durch Absorbieren eines Bruchteils des sich aufbauenden Feldes innerhalb des Resonanzhohlraumes bei jedem Durchgang verzögern. Wenn die Intensität einen bestimmten Wert erreicht, welcher als Sättigungsintensität bezeichnet wird, welche charakteristisch für die Dichte und die Art der Farbzentren ist, dann bleichen die Farbzentren aus und nehmen einen transparenten Zustand an und der Strahl wird als ein kurzer gewaltiger Energieimpuls ausgesendet.
Unglücklicherweise haben Q-Schalter mit Farbzentren verschiedene Nachteile, welche folgendes umfassen: (1) die Notwendigkeit einer teuren 1 bis 2 MeV-Elektronenbestrahlungsquelle für die Herstellung (und möglicherweise eine Kobalt-60-Quelle für Gammastrahlung zur Schaffung des Hintergrundpegels der Farbzentren), (2) einen verhältnismäßig langen Kristall, welcher teuer ist und im allgemeinen nicht für kleine Laserhohlräume der Art geeignet ist, welche in miniaturisierten, für das Auge sicheren Laser-Entfernungsmessern verwendet werden, (3) verhältnismäßig schlechte Steuerung der optischen Dichte, was in Veränderungen des Laserbetriebschwellwertes und des Wirkungsgrades resultiert und die Auswahl von geeigneten Geräten erfordert (niedriges Produktionsergebnis). Außerdem sind F₂-Farbzentren ziemlich fotoempfindlich und verschwinden unter schwacher UV-Bestrahlung [siehe W. Gellermann u. a., J. Appl. Phys. 61, 1297–1303 (1987)], und die Farbzentren sind etwas temperaturempfindlich, was sie nicht ideal für Anwendungen im freien Feld macht.
Kristalllaser, welche mit einem aktiven Ion dotiert sind, verwenden oft eine Blitzlampe oder mehrere Blitzlampen oder Laserdioden zur Lieferung des Pumplichtes. Das Pumplicht regt die Ionen in dem dotierten Kristall auf einem höheren Energiezustand an. Dieser Vorgang ist als Absorption bekannt. Der Pumphohlraum enthält typischerweise ein gleichförmig dotiertes Verstärkungsmedium, welches ein Kristall oder ein Glas oder ein polykristallines Element sein kann, das in der Gestalt eines Stabes, einer Platte oder einer Scheibe hergestellt ist; auch andere Elemente, beispielsweise ein Pumplichtreflektor oder Relais-Optiken, können vorgesehen sein. Das Pumplicht wird in den Hohlraum eingekoppelt, typischerweise mit einer Blitzlampe oder mehreren Blitzlampen oder Laserdioden entweder von der Seite des Hohlraums her, was als seitliches Pumpen bekannt ist, oder am Ende des Hohlraums, was als endseitiges Pumpen bezeichnet wird. Ein Laser wird durch Anordnen des dotierten Mediums und des Pumphohlraumes in einem Resonator geschaffen, welcher Photonen reflektiert, die durch spontane Emission erzeugt werden, d. h., solche Photonen, welche durch den normalen Rücksprung der angeregten Ionen erzeugt werden und durch angeregte Emission verstärkt werden. Beispielsweise sind Spiegel an jedem Ende des dotierten Mediums angeordnet und senkrecht zu der Längsachse ausgerichtet, um einen Laserresonator zu bilden. Wenn der Resonator ordnungsgemäß bemessen ist und eine ausreichende Anzahl von Photonen zurück und vorwärts innerhalb des Resonators reflektiert werden, so dass der Verstärkungsgewinn den Verlust übersteigt, dann baut sich eine Laseroszillation aus der spontan angeregten Emission auf, d. h., es tritt ein Lasern auf, was das Laserlicht erzeugt. Laserlicht wird typischerweise von dem dotierten Medium in dem Pumphohlraum längs der Längsachse abgeführt. Pumphohlräume sind in der Veröffentlichung von W. Koechner, Solid-Stat Laser Engineering, 3. Ausgabe, Springer Verlag (1992), ch. 6, diskutiert.
Eine wirkungsvolle Absorption, bei welcher nahezu sämtliches Pumplicht von dem dotierten. Medium absorbiert wird, ist das primäre Ziel von Konstrukteuren von Laser. Eine Methode zum Erzielen einer wirkungsvollen Absorption besteht darin, dass hoch absorbierende (hoch dotierte) Lasermaterialien verwendet werden. Ein Strahl von Pumplicht, das durch einen dotierten Kristall einmal hindurchgeht, wird als ein Durchgang bezeichnet. Bei den meisten vorhandenen Konstruktionen macht ein Pumplichtstrahl nur ein oder zwei Durchgänge durch den dotierten Kristall, bevor der Strahl austritt, was die Verwendung von hoch absorbierenden Materialien zum Erzielen einer wirkungsvollen Absorption notwendig macht. Die Absorption folgt einer Exponentialfunktion. Wenn also solch ein Kristall von der Seite gepumpt wird, dann resultieren oft eine ungleichförmige Absorption und somit ein ungleichförmiger Verstärkungsgewinn, wobei der höchste Verstärkungsgewinn nahe dem Rande des Lasermediums auftritt. Zur Erleichterung der Handhabung werden die Ecken eines Laserstabes oder einer Laserplatte typischerweise abgeschrägt. Die Abschrägung schattet das Laserlicht ab oder blockiert es und da der höchste Verstärkungsgewinn an den Kanten des Kristalls auftritt, resultiert eine nicht effektive Laserwirkung.
Ein anderer Lösungsvorschlag zum Erreichen einer hoch effektiven Absorption verwendet ein Pumpen vom Ende her, bei welchem das Pumplicht in den Pumphohlraum längs seiner Längsachse eintritt. Ein Pumpen vom Ende her erfordert teure Pumpdioden hoher Helligkeit und dauerhafte, schwer herzustellende dichroische Beläge, da das Pumpen und das Abführen des Laserlichtes durch dieselben optischen Oberflächen stattfindet (d. h., die Enden des Stabes), während jeweils ziemlich unterschiedliche Reflexionseigenschaften erforderlich sind. In dem Falle von Systemen mit quasi vier Pegeln oder drei Pegeln, bei denen der hohe Schwellwert größere Pumpraten erfordert, kann ein Ausbleichen beim Pumpen auftreten, bei welchem ein großer Teil der aktiven Ionen angeregt worden sind und entsprechend weniger Ionen sich in dem Grundzustand befinden, um für die Absorption des Pumplichtes zur Verfügung zu stehen, was in einer verminderten Absorption sowohl für Geometrien mit seitlichen Pumpen als auch mit einem Pumpen vom Ende her resultiert.
Die Theorie des Betriebes des passiven Q-Schalters ist im Detail in der Veröffentlichung von Koechner beschrieben, spezifisch für organische Farbabsorber und srahlungsinduzierte sättigbare Farbzentren [Koechner, W., Solid State Laser Engineering, 2. Ausgabe, Springer-Verlag, Berlin, Seiten 437 bis 442 (1988)]. Siehe auch US-Patent 4,833,333 .
Das US-Patent 5,761,233 , erteilt am 2. Juni 1998 an Brusselbach u. a., lehrt die Herstellung eines Mehrelement-Pumphohlraumes monolithscher Art unter Verwendung eines Verfahrens des Diffusionsverbindens, welches durch Onyx Optics, Inc. (Dublin, CA) ausgeübt wird. Dieses Verfahren bedingt die Hinzufügung wesentlicher Kosten und der Zeit des Bearbeitungszyklus zu der Herstellung von Festkörperlasern und ist daher nicht anstrebenswert, insbesondere in dem Markt von unter Kostendruck stehenden augenverträglichen Laser-Entfernungsmessern für individuelle Feuerleitsysteme für die Waffen von Soldaten.
Es verbleibt daher der Bedarf im Stand der Technik an Festkörpergeräten, beispielsweise Q-Schaltern und Laserpumpräumen, welche radial abhängige Dotierungsmitteldichten haben, jedoch (1) ohne die Notwendigkeit einer teuren 1 bis 2 MeV Elektronenstrahlungsquelle hergestellt werden; (2) ohne die Notwendigkeit einer Kobalt-60-Gammastrahlungsquelle hergestellt werden, um einen Hintergrundpegel der Farbzentren zu erzeugen; (3) keinen verhältnismäßig langen Kristall erfordern; (4) eine gute optische Dichte aufweisen; (5) nicht fotoempfindlich sind; (6) nicht gegenüber schwacher UV-Strahlungsaussetzung empfindlich sind; (7) nicht temperaturempfindlich sind; und (8) in der Herstellung billig sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
An den Bedarf im Stande der Technik richtet sich die Lehre nach der vorliegenden Erfindung. Gemäß einem Aspekt besteht die Erfindung in einem Material, welches zur Verwendung in einem Festkörper-Laserlicht-Steuergerät, beispielsweise einem Q-Schalter verwendbar ist oder ein Festkörper-Laser-Pumphohlraum, mit einem Dotierungsmittel bei einem ersten Valenzzustand, dessen Konzentration sich mit dem Abstand von der Oberfläche erhöht. Das Material hat dasselbe Dotierungsmittel an einem zweiten Valenzzustand mit einer Konzentration, welche sich mit dem Abstand von der Oberfläche erniedrigt. In der beispielsweisen Ausführungsform ist die Summe dieser Konzentrationen konstant. Die vorliegende Erfindung schafft auch ein neues Herstellungsverfahren. In seiner breitesten Spezifikation umfasst dieses Verfahren die Schritte der Dotierung eines Festkörpermaterials mit einem Dotierungsmittel bei einem ersten Valenzzustand und Aussetzen des Festkörpermaterials gegenüber einer erhöhten Temperatur für eine Zeitdauer in einer Atmosphäre, welche so geschaffen ist, dass sie den Valenzzustand des Dotierungsmittels in einem zweiten Valenzzustand ändert. Die Höchsttemperatur, welche unterhalb des Schmelzpunktes sein sollte und vorzugsweise unterhalb der Glasübergangstemperatur für das Festkörpermaterial, sowie die Zeit des Aussetzens, sind so gewählt, dass sie diesen Valenzzustand als eine Funktion des Abstandes von der Oberfläche des Festkörpermaterials ändern. Die Atmosphäre kann entweder oxidierend oder reduzierend sein.
Durch Bemessung der Zeit und der Temperatur in der oxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre kann das radiale Profil der verschiedenen Valenzzustände in einer ähnlichen Weise wie bei einem normalen Vorgang der Diffusion von Verunreinigungen gesteuert werden, wie dies durch das Fick'sche Gesetz angegeben wird. Das erste Fick'sche Gesetz für die Diffusion in einem Konzentrationsgradienten besagt, dass die Flussdichte unmittelbar proportional zu dem Konzentrationsgradienten ist [Ghandhi, S. K., The Theory and Practice of Microelectronics, John Wiley & Sons, Inc., New York, Seiten 59 bis 85, 1968]. Das zweite Fick'sche Gesetz besagt, dass die zeitliche Rate der Änderung der Volumenkonzentration von Verunreinigungen unmittelbar proportional zur zweiten Ableitung der Volumenkonzentration mit Bezug auf den Abstand ist [Ghandhi, S. K., The Theory and Practice of Microelectronics, John Wiley & Sons, Inc., New York, Seiten 59 bis 85, 1968]. Die Lösungen für die Fick'schen Diffusionsgesetzt für viele physikalische Geometrien und Grenzbedingungen sind in der Literatur des Wärmeflusses angegeben und zahlreiche Lösungen können auch für beliebige Geometrien und Grenzwertbedingungen unter Verwendung einer Computeranalyse unter Verwendung von Computercodes für die thermischen Analysen endlicher Elemente, beispielsweise NASTRAN, Thermal Analyzer, gefunden werden.
Für Q-Schalter werden das Dotierungsmittel und die Valenzzustände so gewählt, dass sich eine radiale Veränderung in der optischen Dichte des Materials bei der Laserwellenlänge ergibt. Für Laserpumphohlräume werden das Dotierungsmittel und die Valenzzustände so gewählt, dass sich eine radiale Veränderung in dem Nettoverstärkungsgewinn des Lasermediums ergibt. Die vorliegende Erfindung bietet eine verbesserte Modenunterscheidung innerhalb eines Laserresonators und resultiert in einer niedrigeren Strahldivergenz und einem Ausgang größerer Helligkeit.
In einer beispielsweisen Ausführungsform eines Q-Schalters gemäß der vorliegenden Lehre wird ein Festkörpermaterial, beispielsweise ein Yttrium-Aluminium-Granat-Kristallstab (YAG) mit dreiwertigen Chrom-Ionen (Cr^3±) dotiert. Das in dem Stab befindliche Material wird einer oxidierenden Atmosphäre bei erhöhter Temperatur in einem Nachbearbeitungsprozess ausgesetzt, welcher die dreiwertigen Chrom-Ionen nahe dem Außenrand der zylindrischen Oberfläche des Stabes in den vierwertigen Zustand (Cr⁴⁺) überführt. Der Stab wird dann in Scheiben geschnitten, welche eine radial abhängige Verteilung der Valenzzustände aufweisen, wobei die höchste Dichte der vierwertigen Zustände nahe dem Rand und die niedrigste Dichte im Zentrum anzutreffen sind. Die dreiwertigen Chrom-Ionen sind im Wesentlichen transparent gegenüber 1,064 μm-Strahlung von einem Nd:YAG-Laser. Die vierwertigen Ionen absorbieren jedoch bei dieser Wellenlänge bei einem Übergang, welcher bei höheren Laserstrahlungsintensitäten ausbleicht (transparent wird). Beim Einsetzen in einen Laserraum eines Nd:YAG-Lasers wirkt die Scheibe als sättigbarer absorbierender Q-Schalter, welcher eine Ausbleichung zuerst im Zentrum erfährt und eine höhere optische Dichte in Richtung auf den Rand bietet, wodurch eine Unterscheidung gegen größere Quermoden (Moden höherer Ordnung) innerhalb des Laserresonators erfolgt. Das Ergebnis ist, dass die Moden niedrigerer Ordnung vorherrschen und eine höhere Strahlqualität (niedrigere Strahldivergenz mit größerer Helligkeit) ergeben. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die Erfindung auch als eine sich sanft anpassende Apertur zur Modenunterscheidung dient, ohne dass irgendwelche scharfen Kanten vorhanden sind, welche anderenfalls schädliche Brechungseffekte hervorbringen würden.
Die Herstellungseinrichtung ist logisch geradlinig, verhältnismäßig billig und kann als Teil eines Kristallherstellungsprozesses oder Glasherstellungsprozesses verwirklicht werden. Das fertige Produkt hat eine Konfiguration, welche für zahlreiche Anwendungsfälle geeignet ist, einschließlich sehr kleinen Resonanzhohlräumen. Eine hohe Produktqualität wird leicht mit normalen Herstellungsprozessen erzielt. Weiterhin bedeutet die Tatsache, dass die sättigbare Absorption aufgrund einer wesentlich dotierten Innenart geschieht (im Gegensatz zu einem durch Strahlungsbeschädigung induzierten Farbzentrendefektes), dass die vorliegende Erfindung bedeutend stabiler gegenüber Aussetzung von Licht und Temperatur ist. Dieses Stabilitätsmerkmal ist ein wichtiger Vorteil für viele militärischen und industriellen Laseranwendungen.
In einer beispielsweisen Verwirklichung eines Laserpumphohlraumes nach der vorliegenden Lehre, wird ein Festkörpermaterial, beispielsweise ein YAG-Kristallstab mit dreiwertigen Ytterbium-Ionen (Yb³⁺) dotiert. Das Material, welches in dem Stab vorhanden ist, wird einer reduzierenden Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen in einem der Herstellung nachgeschalteten Prozess ausgesetzt, welcher die dreiwertigen Ytterbium-Ionen nahe dem Rand der zylindrischen Staboberfläche in zweiwertige Zustände (Yb² ⁺) umwandelt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung, welche einen Querschnitt eines typischen Festkörpergerätes zeigt, welches gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gefertigt ist
2 ist eine Darstellung, welches den Querschnitt eines sättigbaren Absorber-Q-Schalters wiedergibt, welcher gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung gefertigt ist.
3 ist ein Diagramm, welches das Raumtemperatur-Absorptionsspektrum der dreiwertigen Chrom-Ionen (Cr³⁺) in einem Granat-Trägerkristall wiedergibt.
4 ist ein Diagramm, welches das nahe dem Infrarotbereich gelegene Raumtemperaturabsorptionsspektrum von Cr⁴⁺ in Gadolinium-Skandium-Gallium-Granat (GSGG) aufzeigt.
5 ist eine Grafik, welche die annähernde Verteilung von Cr⁴⁺-Ionen in zylindrischen Q-Schaltern zeigt.
6 ist eine Darstellung eines Querschnittes eines integrierenden Laserpumphohlraumes für mehrfache Durchgänge, hergestellt gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Grafik, welche die annähernde Verteilung von Yb²⁺-Ionen in einem zylindrischen Pumphohlraum zeigt.
8 ist eine Grafik, welche die annährede Verteilung von Yb³⁺-Ionen in einem zylindrischen Pumpraum aufzeigt.
9 ist eine Grafik, welche die Absorptionsspektren für 10% Yb:YAG vor und nach einer Wärmebehandlung bei 1400°C in einem Behandlungsgas (Wasserstoff/Argon-Gemisch) für 72 Stunden zeigt.
10 ist eine perspektivische Darstellung von Belägen, die auf den gekrümmten Pumpraum aufgebracht werden, wobei der Rest des Pumpraums durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
11 verdeutlicht ein bevorzugtes Verfahren zur Abführung von Wärme von der Pumpraumausführungsform nach der Erfindung.
12 ist eine perspektivische Ansicht des bevorzugten Pumpraumes als eine Komponente eines Kristalllasers.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Während die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf erläuternde Ausführungsbeispiele für bestimmte Anwendungen beschrieben ist, versteht es sich, dass die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Fachleute mit regulärer Ausbildung auf diesem Gebiete und in Kenntnis der hier gegebenen Lehre erkennen zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens, sowie zusätzliche Gebiete, auf denen die vorliegende Erfindung von beträchtlichen Nutzen ist.
1 ist ein Querschnitt eines grundsätzlich aufgebauten Festkörper-Laserlichtsteuergerätes, das gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Das Gerät 10 besteht im wesentlichen aus einem Festkörper-Trägermaterial 14, welches folgendes enthält: eine Dotierungsmittelart 16, mit einem ersten Valenzzustand „a", dessen Konzentration mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche 18 zunimmt; dieselbe Dotierungsmittelart 16 mit einem zweiten Valenzzustand „b", dessen Konzentration mit dem Abstand von der Oberfläche 18 abnimmt. Dieses Gerät 10 wird durch Aussetzen des Festkörpermaterials 14, welches anfänglich mit den Dotierungsmittelarten 16 des ersten Valenzzustandes „a" gleichförmig dotiert ist, gegenüber einer erhöhten Temperatur für eine Zeitdauer in einer Atmosphäre 12 hergestellt, welche so ausgelegt ist, dass der Valenzzustand des Dotierungsmittels 16 sich in den zweiten Valenzzustand „b" ändert. Die erhöhte Temperatur, welche unterhalb des Schmelzpunktes und vorzugsweise unterhalb des Glasübergangspunktes des Festkörpermaterials 14 sein sollte, sowie die Zeit des Aussetzens, werden so gewählt, dass dieser Valenzzustand als eine Funktion des Abstandes von der Oberfläche 18 des Festkörpermaterials geändert wird. Folglich ist die Summe der Konzentrationen der Valenzzustände „a" und „b" an irgendeinem Punkt in dem Material 14 konstant.
2 zeigt einen Querschnitt eines passiven sättigbaren Absorber-Q-Schalters 20, welcher entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die Schattierung repräsentiert die Konzentration von Cr⁴⁺-Ionen, wobei die Konzentration umso höher ist, je stärker die Schattierung ist. Bei einer praktischen Ausführungsform ist das Material ein chromdotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Cr:YAG). Der Kristall wird mit einer homogenen Konzentration von Chromionen in dem dreiwertigen Zustand (Cr³⁺) gezüchetet, welche bei der Laserwellenlänge (1,06 μm) nicht wesentlich absorbieren.
3 ist eine Grafik, welche ein typisches Absorptionsspektrum bei Raumtemperatur von Cr³⁺ in einem Granatträgerkristall zeigt. Die Absorption besteht aus zwei starken und breitbandigen Absorptionsmerkmalen, welche bei annähernd 460 und 640 nm im sichtbaren Bereich zentriert sind, wobei dabei keine merkbare Absorption im infrarotnahen Bereich des elektromagnetischen Spektrums festzustellen ist.
In einem Nachbehandlungsvorgang wird gemäß einer beispielsweisen Verwirklichung der vorliegenden Erfindung der gesamte Kristall auf eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes in einer oxidierenden Atmosphäre (beispielsweise Luft, molekularer Sauerstoff oder Ozon) typischerweise über Nacht erhitzt, was bewirkt, dass die Cr³⁺-Ionen nahe der Oberfläche in den vierwertigen Zustand (Cr⁴⁺) umgewandelt werden. Eine Diffusion des oxidierenden Gases in Richtung auf die Mitte des Kristalls erzeugt eine radialrichtungsabhängige Konzentrationsverteilung von Cr⁴⁺, wobei die höchste Konzentration nahe der Staboberfläche des zylindrischen Kristalls auftritt und die niedrigste Konzentration im Kernbereich 24 festzustellen ist. Die vierwertigen Ionen absorbieren bei der Laserwellenlänge, doch sättigt sich der Elektronenübergang, welcher für die Absorption verantwortlich ist, oder bleicht aus, wenn die Einfallsintensität des Lasers zunimmt. Ein typisches Absorptionsspektrum für Raumtemperatur von Cr⁴⁺ in einem GSGG-Laser ist in 4 gezeigt.
4 ist ein Diagramm, welches das infrarotnahe Raumtemperaturabsorptionsspektrum von Cr⁴⁺ in einem GSGG-Laser zeigt. Ein breiter, merkmalsloser doppelhöckriger Absorptionsberg ist nahe 1100 nm zentriert. Die Probenweglänge war 2,6 mm. Die Merkmalsspitzen nahe 800 nm und die starke breite Schulter bei 700 nm beruhen beide auf anderen Innenarten. Das Cr⁴⁺-Absorptionsspektrum in YAG ist ziemlich ähnlich unter Voraussetzung, dass YAG und GSGG beide Granatstrukturen sind.
Der Absorptionskoeffizient des Cr⁴⁺-Ions steht in Beziehung zu der einfallenden Laserintensität gemäß folgender Beziehung
hierin ist:

y: = Absorptionskoeffizient
y₀: = Absorption bei der Intensität 0
I: = eintreffende Laserintensität
I_S: = Sättigungsintensität (spektroskopische Eigenschaft des Übergangs)

Wenn sich die Laserintensität in dem Laserraum aufbaut, dann beginnt der Q-Schalter nahe dem Kernbereich des Kristalls 24 zu öffnen, wo die Konzentration der vierwertigen Chromionen am niedrigsten ist. Dies gestattet es den transversalen Moden 26 niedriger Ordnung, sich zuerst aufzubauen und sich hierdurch gegenüber den Moden 28 höherer Ordnung zu unterscheiden, welche einen Bereich höherer Verluste einnehmen müssen. Der Ursprung, die Struktur und die Unterscheidung transverser Schwingungsmoden in einem Laserresonator sind im einzelnen von Koechner in der zuvor erwähnten Literaturstelle beschrieben. Transverse Moden 26 niedriger Ordnung erzeugen einen Ausgangsstrahl, der eine niedrige Strahldivergenz und hohe Helligkeit hat, was der hauptsächliche Vorteil der radial abhängigen Dichteverteilung ist.
Wie früher erwähnt ist davon auszugehen, dass der Prozess, durch welchen die dreiwertigen Chromionen nahe dem Rande des Q-Schalters in den vierwertigen Zustand umgewandelt werden auf den Fick'schen Gesetzen für die Diffusion in einem Konzentrationsgradienten bestimmt ist. Die Lösung der Diffusionsgleichung unter den vorliegenden Grenzbedingungen ist folgendermaßen anzugeben:
hierin gilt folgendes:

n₄₊(r, t): = Konzentration der vierwertigen Ionen als Funktion des radialen Abstandes und der Zeit von der Anfangsbedingung;
n_i: = Konzentration der dreiwertigen Ionen an der Oberfläche des Zylinders
D: = Diffusionskonstante
t: = Zeit von der Anfangsbedingung aus
R: = Radius des Zylinders
r: = radialer Abstand innerhalb des Zylinders
J₀: = Sesselfunktion der ersten Art und der nullten Ordnung
J₁: = Sesselfunktion der ersten Art und der ersten Ordnung, und
β_ν: = νte Nullstelle von J₀

5 zeigt eine Grafik für die angenäherte radiale Verteilung der vierwertigen Ionen des kristallischen Zylinders als eine Funktion des Produktes von D und t (siehe oben), wobei erkennbar ist, dass (1) der Prozess so steuerbar ist, dass sich eine gewünschte Diffusionstiefe ergibt, und (2) die Verteilung der vierwertigen Ionen den gewünschten niedrigen Absorptionskoeffizienten in dem Zentrum des Q-Schalters entsprechend den transversalen Moden niedriger Ordnung und dem hohen Absorptionskoeffizienten nahe der Peripherie liefert wo eine Diskriminierung für Moden höherer Ordnung herrscht. Während 5 relative Konzentrationen als eine Funktion des relativen Abstandes vom Zentrum aufzeigt, ist es verhältnismäßig einfach, relative Konzentrationen als eine Funktion des Abstandes von der Oberfläche zu berechnen. Es ist nur notwendig, den relativen Abstand von dem Zentrum von Eins abzuziehen.
Das Q-Schalter-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann auch mit einem Diffusionsprozess in zwei Schritten erreicht werden. Dies sieht eine Hintergrundkonzentration von Cr⁴⁺-Ionen ähnlich dem Hintergrundpegel von F₂- Farbzentren vor, wie von Rand im US-Patent 4,833,333 angegeben ist, jedoch ohne die Notwendigkeit einer Gammabestrahlung durch eine Kobalt-60-Quelle. (Die Lehren des US-Patentes 4,833,333 werden hier durch Bezugnahme einbezogen). Der Diffusionsprozess in zwei Schritten ist wohlbekannt bei Halbleiterherstellungsprozessen, wo diese zweischrittigen Prozesse ausgedehnt in Verwendung sind, um genau gesteuerte Verunreinigungskonzentrationsprofile (Donatoren und Akzeptoren) erzeugt werden.
Eine gleichförmige Hintergrundkonzentration wird beispielsweise erzeugt, indem erst der Ausgangskristall, welcher Cr³⁺-Ionen enthält, einer oxidierenden Atmosphäre bei erhöhter Temperatur ausgesetzt wird, was für eine vorbestimmte Zeitdauer geschieht, um eine gewünschte Anzahl von vierwertigen Ionen je Längeneinheit längs der zylindrischen Oberfläche zu erzeugen (dies wird in der Halbleiterindustrie als ein Vorablagerungsprozess bezeichnet). Die oxidierende Atmosphäre wird dann entfernt und der Kristall wird auf eine vernünftige Diffusionstemperatur (wesentlicher Bruchteil des Schmelzpunktes über Nacht typischerweise unter oxidierender Atmosphäre beispielsweise Luft, molekularer Sauerstoff oder Ozon) erhitzt und die Ionen lässt man in Richtung auf das Zentrum des Kristalls diffundieren (dies wird in der Halbleiterindustrie als Eindring-Diffusionsprozess bezeichnet). Lange Diffusionszeiten erzeugen eine nahezu gleichförmige Hintergrundkonzentration von Cr⁴⁺-Ionen. Auf diesen zweistufigen Prozess folgt dann ein einstufiger Prozess (oben beschrieben) oder ein weiterer zweistufiger Prozess, um einen scharfen Übergang von einer hohen Konzentration vierwertiger Ionen an der Oberfläche zu einer niedrigeren Konzentration im Zentrum zu erzeugen. Eine thermische Modellbildung mit endlichen Elementen kann verwendet werden, um all diese Diffusionsprozesse zu simulieren, indem die Ionenkonzentration als eine Temperatur abgebildet wird und der Difussionskoeffizient als thermische Leitfähigkeit abgebildet wird.
Während ein sehr spezifisches Beispiel oben für die Ausführung eins Q-Schalters nach der Erfindung gegeben wurde, ist es für die Fachleute, welche besonders vertraut mit dieser Technik sind, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, dass die Erfindung auf alle kristallinen, polykristallinen und glasartigen Materialien anwendbar ist, welche für die Herstellung von Festkörpergeräten verwendet werden können. Die Werkstoffe sind zu zahlreich, um vorliegend aufgezählt werden zu können. Einige von Ihnen werden in der Veröffentlichung von B. Wechsler und D. Sumida, „Laser Crystals", in CRC Handbook of Laser Science and Technology, Ergänzung 2: Optical Materials, ferner M. J. Weber u. a. CRC Press, Boca Raton, Seiten 595–616 (1995) und L. DeShazer, S. Rand und B. Wechsler „Laser Crystals", in CRC Handbook of Laser Science and Technology, Band V, M. J. Weber u. a., CRC Press, Boca Raton, Seiten 281 bis 338 (1987), genannt, welcher hier durch Bezugnahme einbezogen seien. Lasergläser werden in der Veröffentlichung von Charles F. Rapp, „Laser Glasses: Bulk Glasses", CRC Handbook of Laser Science and Technology, Ergänzung 2: Optical Materials, M. J. Weber u. a. CRC Press, Boca Raton, Seiten 619 bis 634 (1995) und Steven T. Davey, B. James Ainslie und Richard Wyatt, „Laser Glasses: Waveguide Glasses", CRC Handbook of Laser Science and Technology, Ergänzung 2, Optical Materials, M. J. Weber u. a., CRC Press, Boca Raton, Seiten 635 bis 668 (1995), beschrieben, wobei diese Veröffentlichungen durch Bezugnahme hier eingeführt seien. Polykristalline Materialien sind in J. Lu u. a., Applied Physics B, 71, 469 (2000), J. Lu u. a., Jpn J. Appl. Physics, 39, 1048 (2000) und I. Shoji, u. a. Applied Physics Letters, 77, 939 (2000) beschrieben, wobei diese Veröffentlichung hier auch durch Bezugnahme einbezogen seien. Beispiele von Oxiden sind Yttrium-Aluminium-Grant, Yttrium-Vanadat (YVO₄) und Yttriumorthosilikat (Y₂SiO₅).

In gleicher Weise gibt es zahlreiche Dotierungsmittel, welche zugegeben werden können. Tabelle 1 listet eine Anzahl von Festkörperionen auf, welche in mehr als einem Valenzzustand innerhalb eines Trägermaterials existieren können [siehe R. D. Shannon „Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chalcogenides," Acta Cryst. A32, Seiten 751 bis 767 (1976)], wobei diese Materialien ein sättigbares Absorber-Q-Schaltpotential basierend auf ausgedehnter Literaturuntersuchung in der JNSPEC-Datenbank zeigen. Es sei bemerkt, dass die Datenbankeintragungen 1969 beginnen, so dass irgendwelche veröffentlichte Informationen vor 1969 nicht mit eingeschlossen sind. Aus diesem Grunde ist die Liste von Tabelle 1 nicht als eine erschöpfende Liste möglicher Ionen anzusehen und es versteht sich, dass die Verfahren in der Konstruktion eines sättigbaren Q-Schalters und des Betriebes unter Verwendung von Ionenvalenzumwandlung, wie sie hier offenbart sind, auch auf andere Dotierungsmittel anwendbar sind, welche nicht aufgeführt sind. Tabelle 1 Sättigbare Q-Schalter-Absorberionen für die Valenzumwandlung in einem Festkörperträger

Element	Mögliche Valenzzustände
Samarium (Sm)	2+, 3+
Europium (Eu)	2+, 3+
Dysprosium (Dy)	2+, 3+
Uran (U)	3+, 4+
Vanadium (V)	2+, 3+, 4+, 5+
Chrom (Cr)	2+, 3+, 4+
Kobalt (Co)	2+, 3+
Mangan (Mn)	4+, 5+, 6+

Die vorliegende Erfindung ist auf Q-geschaltete Festkörperlasersysteme mit hoher Strahlqualität anwendbar und kann auf zahlreiche Laserwellenlängen angewendet werden, für welche geeignete Q-Schaltmaterialien existieren. Der Cr⁴⁺-Q-Schalter ist mit Nd:YAG-, Nd:YLF- und Nd:Glas-Systemen vereinbar. Die U⁴⁺- und Co²⁺-Q-Schalter sind mit herkömmlichen Er:Yb:Glas-Systemen kombinierbar.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf augenverträgliche Laser mit hoher Impulsrate auf Erbiumbasis für fortgeschrittene Multifunktions-Entfernungsmessanwendungen anwendbar, einschließlich eines Entfernungs-Profilbestimmens (3-D-Abbildung). Die vorliegende Er:Yb:Glaslösung, welche in augenverträglichen Laserentfernungsmessern verwendet wird, verwendet einen difussionverbundenen Pumpraum, welcher in der Herstellung teuer ist und aufgrund des Glasträgerkörpers nicht für höhere Durchschnittsleistungen ausgelegt werden kann. Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung mit niedrigen Herstellungskosten für Kristalllaser, welche für höhere Leistungen ausgelegt werden können, um für zukünftige Anwendungen durch militärisches Personal und in Boden-/Luftfahrzeugen eingesetzt zu werden.
6 zeigt einen Querschnitt eines integrierten Laserpumpraumes 30 mit mehrfachen Durchgängen, welcher gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die Schattierung repräsentiert die Konzentration von Yb³⁺-Ionen, wobei die stärkere Schattierung die höhere Konzentration repräsentiert. In einer praktischen Ausführungsform ist das Material ein Yttrium-Aluminium-Granat dotiert mit Ytterbium (Yb:YAG) oder Erbium und Ytterbium, welche zusammen in einen Phosphatglasträger hineindotiert sind (Er:Yb:Glas). In dem Laserkernbereich 32 absorbieren dreiwertige Ytterbium-Ionen die Pumplichtstrahlen 34 von 940 nm oder 980 nm erzeugenden Laserdioden 36, wenn die Strahlen den Kernbereich 32 über mehrfache Durchgänge durchqueren. Die Oberfläche des Raumes 38 ist optisch so gestaltet, dass sie ein effizientes Pumpen in mehrfachen Durchgängen für den Laserkernbereich 32 ermöglicht. Für den Fall von er:Yb:Glas übertragen die angeregten dreiwertigen Ytterbium-Ionen Energie auf die Erbiumionen in einem effizienten Kreuz-Relaxationsprozess und verursachen eine Populationsinversion in dem Erbium, welches die 1,5 μm Laserstrahlung durch angeregte Emission verstärkt. Ein äußerer ringförmiger Bereich 40 wird durch Behandeln des Kristalls in einer geeigneten reduzierenden Atmosphäre erzeugt, welche Sauerstoffgas oder ein Bildungsgas (beispielsweise eine Mischung aus Sauerstoff und Argon) enthalten kann, und dies bei einer Temperatur, welche nahe dem Schmelzpunkt liegt, was es ermöglicht, die dreiwertigen Ytterbium-Ionen in den zweiwertigen Zustand zu reduzieren. Die Behandlungstemperatur, die Zeit, der Druck und die Konzentration der Reaktionsmittel in der Atmosphäre sind so gewählt, dass die Verteilung von zweiwertigen Ionen gegenüber dreiwertigen Ionen in dem Übergangsbereich zwischen der Außenfläche des Raums 38 und dem inneren Laserkernbereich 32 für die optimale Laserwirkung zugeschnitten wird. Die zweiwertigen Ytterbium-Ionen im äußeren Ringbereich 40 absorbieren bei der Pumpwellenlänge nicht stark, so dass das Pumplicht effizient zu dem Laserkernbereich übertragen wird.
Ein zusätzlicher Vorteil kann erzielt werden, wenn die zweiwertigen Ytterbium-Ionen in dem äußeren ringförmigen Bereich 40 bei der Laserwellenlänge Absorption zeigen, was bei einigen Ionen in einigen Trägermaterialien auftreten kann. Dies wirkt im Sinne einer Unterdrückung verstärkter spontaner Emission und eines parasitären Laserbetriebes in der Ebene im Wesentlichen quer zu der Laserrichtung, wodurch Verluste im Laserwirkungsgrad aufgrund dieser unerwünschten Effekte minimiert werden.
Wie früher ausgeführt ist davon auszugehen, dass der Prozess, durch welchen die dreiwertigen Ytterbium-Ionen nahe dem Rand 40 des integrierenden Pumphohlraums 34 in den zweiwertigen Zustand umgewandelt werden, durch die Fick'schen Gesetze für die Diffusion in einem Konzentrationsgradienten bestimmt wird. Für die folgende Analyse der Valenzumwandlung von einer konstanten Konzentration einer reduzierenden Atmosphäre innerhalb einer zylindrischen Kristallgeometrie werden die folgenden zwei Annahmen gemacht: (1) der Kristall ist gegenüber dem Reduzierungsmittel (beispielsweise Wasserstoffgas oder ein Wasserstoff-/Argongemisch) in der Atmosphäre, welche den Kristall umgibt, undurchlässig; und (2) der Reduzierungsprozess ist relativ zu der Diffusion von Ionen innerhalb des Kristalls ausreichend schnell, so dass sämtliche der Ytterbium-Ionen nahe der Oberfläche des Zylinders in den zweiwertigen Zustand umgewandelt werden.
Diese Situation ist äquivalent zur thermischen Diffusion innerhalb eines unendlich langen thermisch leitenden Zylinders, wobei die Temperatur der Oberfläche augenblicklich geändert und konstant gehalten wird. Die Lösung der Diffusionsgleichung unter diesen Grenzbedingungen ist in der Literatur (M. Jakob, Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc., New York, Seiten 261 bis 268 (1949)) folgendermaßen angegeben:
hierin bedeuten:

n₂₊(r, t): = die Konzentration der zweiwertigen Ionen als eine Funktion des radialen Abstandes und der Zeit von der Anfangsbedingung aus
n_i: = die Konzentration der zweiwertigen Ionen an der Oberfläche des Zylinders
D: = Fusionskonstante
t: = Zeit von der anfänglichen Bedingung aus
R: = Radius des Zylinders
r: = radialer Abstand innerhalb des Zylinders
J₀: = Sessel-Funktion der ersten Art und der nullten Ordnung
J₁: = Sessel-Funktion der ersten Art und der ersten Ordnung, und
β_ν: = die ν-te Nullstelle von J₀

7 zeigt eine Graphik der annähernden radialen Verteilung der zweiwertigen Ionen und 8 zeigt eine Graphik der annähernden radialen Verteilung der dreiwertigen Ionen innerhalb des kristallinen Zylinders als Funktion des Produktes von D und t (siehe oben), was aufzeigt, (1) dass der Prozess so steuerbar ist, dass eine gewünschte Diffusionstiefe erreicht wird und (2) dass die Verteilung der aktiven dreiwertigen Ionen den gewünschten hohen Verstärkungsgewinn im Zentrumsbereich 32 des Stabes 30 liefert, während der Absorptionsverlust nahe des Randes 40 minimal wird, wo keine Extraktion durch den Lasermodus auftritt. Es sei bemerkt, dass die Gesamtkonzentration der Ytterbium-Ionen konstant ist, weshalb die Yb³⁺-Konzentration, nämlich n³⁺, lediglich n_i – n₂₊ ist.
Während ein sehr spezifisches Beispiel oben für die Resonanzraum-Ausführungsform nach der Erfindung gegeben wurde, ist es für die Fachleute, welche besonders vertraut mit dieser Technik sind, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, offensichtlich dass die Erfindung auf alle Oxidmaterialen, kristallinen, polykristallinen und glasartigen Materialien anwendbar ist, welche für die Herstellung von Festkörpergeräten verwendet werden können. Die Werkstoffe sind zu zahlreich, um vorliegend aufgezählt werden zu können. Einige von ihnen werden in der Veröffentlichung von B. Wechsler und D. Sumida, „Laser Crystals", in CRC Handbook of Laser Science and Technology, Ergänzung 2: Optical Materials, ferner M. J. Weber u. a. CRC Press, Boca Raton, Seiten 595–616 (1995) und L. DeShazer, S. Rand und B. Wechsler „Laser Crystals", in CRC Handbook of Laser Science and Technology, Band V, M. J. Weber u. a., CRC Press, Boca Raton, Seiten 281 bis 338 (1987), genannt, welcher hier durch Bezugnahme einbezogen seien. Lasergläser werden in der Veröffentlichung von Charles F. Rapp, „Laser Glasses: Bulk Glasses", CRC Handbook of Laser Science and Technology, Ergänzung 2: Optical Materials, M. J. Weber u. a. CRC Press, Boca Raton, Seiten 619 bis 634 (1995) und Steven T. Davey, B. James Ainslie und Richard Wyatt, „Laser Glasses: Waveguide Glasses", CRC Handbook of Laser Science and Technology, Ergänzung 2, Optical Materials, M. J. Weber u. a., CRC Press, Boca Raton, Seiten 635 bis 668 (1995), beschrieben. Polykristalline Materialien sind in J. Lu u. a., Applied Physics B, 71, 469 (2000), J. Lu u. a., Jpn J. Appl. Physics, 39, 1048 (2000) und I. Shoji, u. a. Applied Physics Letters, 77, 939 (2000) beschrieben, wobei diese Veröffentlichung hier auch durch Bezugnahme einbezogen seien. Beispiele von Oxiden sind Yttrium-Aluminium-Grant, Yttrium-Vanadat (YVO₄) und Yttriumorthosilikat (Y₂SiO₅).
Als Beispiel dieser Technik zeigt 9 die Absorptionsspektren von Yb:YAG vor und nach der Wärmebehandlung. Die Umwandlung der dreiwertigen Yb-Ionen in zweiwertige Yb-Ionen zeigt sich klar durch das Erscheinen eines starken, breiten Absorptionsmerkmals im sichtbaren Bereich, nachdem die Probe für mehrere Tage bei 1400°C in eine Atmosphäre des Bildungsgases eingebracht wurde. Dieses Merkmal fehlt vollständige in dem Spektrum der Probe vor der Behandlung.

In gleicher Weise gibt es zahlreiche Dotierungsmittel, welche vorgesehen werden können. Tabelle 2 führt eine Anzahl von Festkörperionen auf, welche in mehr als einem Valenzzustand innerhalb eines kristallinen Trägers existieren können, basierend auf Shannon.[R. D. Shannon, „Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chalcogenides", Acta Cryst. A32, Seiten 751 bis 767 (1976)]. Der erste ionische Valenzzustand, welcher aufgeführt ist, ist derjenige, welcher Laserverhalten nach Kaminskii zeigt [A. A. Kaminskii, Laser Crystals: Their Physics and Properties, 2. Ausgabe, Berlin, Deutschland, Springer Verlag (1990)]. Der zweite ionische Valenzzustand (und in manchen Fällen der dritte Zustand), welche aufgeführt sind, ist der reduzierte oder oxidierte Valenzzustand gemäß Tabelle 1 in der Veröffentlichung von Shannon. Aus der Literatur erscheint es, dass die am leichtesten umzuwandelnden Ionen zwischen dem 2+ und 3+-Valenzzustand Sm, Eu und Yb sind. Ferner ist, nachdem Tm³⁺ ein Quasi-Vierpegel-System ist, ein guter Kandidat aufgrund der Ähnlichkeit mit dem Yb³⁺-System. Tabelle 2 Ionen mit Laserverhalten für die Valenzumwandlung in einem Feststoff-Träger

Element	Laser- zustand	Valenz	anderer Zustand/ andere Zustände	Valenz
Ytterbium (Yb)	3+			2+
Cerium (Ce)	3+			4+
Praseodymium (Pr)	3+			4+
Neodymium (Nd)	3+			2+
Terbium (Tb)	3+			4+
Dysprosium (Dy)	3+			2+
Thulium^TM	3+			2+
Samarium (Sm)	3+			2+
Europium (Eu)	3+			2+
Uran (U)	3+			4+
Vanadium (V)	2+			3+,
Chrom (Cr)	3+			4+, 2+
Kobalt (Co)	2+			3+
Nickel (Ni)	2+			3+
Titan (Ti)	3+			2+, 4+
Eisen (Fe)	2+			3+
Mangan (Mn)	5+			4+, 6+

Der Pumpraum 30 der beispielsweisen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber dem US-Patent 5,761,233 mit dem Titel „Monolithic Pump Cavity and Method" dar, wobei die Lehre dieses Patentes hier durch Bezugnahme eingeführt sei. Es erreicht die Vorteile des Mehrelementdifussionsverbundenen Pumphohlraumes nämlich (1) eine Lasermodusgröße, welche größer als der dotierte Kernbereich ist, und (2) effizientes seitliches Pumpen durch eine Mehrfachdurchgang-Absorption des Pumplichtes. Durch Beseitigen des zeitraubenden Difussionsverbindungsprozesses ist hier die Herstellung weniger aufwendig und teuer. Der Pumpraum 30 besteht aus einem Lasermaterial, beispielsweise aus einem kristallischen Laserstab, der eine gleichzeitige Dotierung mit Erbium (Laserion) und Ytterbium (Sensibilisierungsion) erfahren hat. Der Stab wird in einem Nachbearbeitungsprozess einer reduzierenden Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt, welche die dreiwertigen Ytterbiumionen nahe dem Außenrand der zylindrischen Staboberfläche und die Enden in einen zweiwertigen Zustand umwandelt. Der Stab wird dann optisch für die beste Betriebseigenschaft als integrierter Pumpraum geformt und für einen hohen Wirkungsgrad für mehrfache Durchgänge beschichtet, was unter Verwendung von üblichen mehrschichtigen, hochreflektierenden dielektrischen Belägen geschieht. Die zweiwertigen Ytterbiumionen absorbieren das Pumplicht nicht und können nicht die Erbiumionen in dem äußeren Ringbereich 40 des Stabes sensibilisieren und daher kann der Laserbetrieb nur in dem zentralen Kernbereich 32 stattfinden. In einigen Ausführungsformen lässt man den zweiwertigen Bereich nahe dem Stabenden weg, so dass man einen kontinuierlichen aktiven Laserbereich über die gesamte Stablänge erhält.
Wie in 10 gezeigt, hat der Laserraum 30 vorzugsweise zwei einander gegenüberliegende gekrümmte Seiten 42 und 44, welche über die gesamte Länge des Raumes 30 entlang seiner Längsachse verlaufen. Die äußeren Oberflächen der beiden gekrümmten Seiten 42 und 44 sind mit einem hochreflektierenden bielektrischen Belag 46 beschichtet, mit der Ausnahme eines schmalen, schlitzartig ausgebildeten Bereiches 48, welcher in der Mitte mindestens einer der gekrümmten Seiten, vorzugsweise beider gekrümmten Seiten entlang läuft. Das Pumplicht tritt in den Pumpraum 30 über die schlitzförmig ausgebildeten Bereiche 48 ein, welche daher nicht mit einem hochreflektierenden Belag versehen sind. Vorzugsweise erhalten diese Bereiche einen Belag 50, welcher bei der Wellenlänge des Pumplichtes antireflektierend ist, um Pumplichtverluste minimal zu halten.
Es ist angezeigt, den Raum 30 zu kühlen, da die optischen Vorgänge, die innerhalb des Raumes ablaufen, eine beträchtliche Wärmemenge erzeugen. Um dies zu erreichen, muss eine Art von Wärmesenke verwendet werden, welche körperlichen Kontakt mit der Oberfläche 38 des Kristalls erfordert. Die beiden einander gegenüberliegenden gekrümmten Seiten 42 und 44 des Raumes werden verwendet, um Pumplicht 34 eintreten zu lassen und zu reflektieren; Das Anbringen von Wärmesenken an diese Seiten würde mit der Anbringung der benachbarten Pumplichtquellen 36 kollidieren. Die Wärme kann daher nur von den Seiten des Raumes abgeführt werden, welche nicht zum Wiedereinleiten des Pumplichtes 34 verwendet werden. Vorzugsweise sind die einander gegenüberliegenden Seiten 58 und 60 des Raumes zwischen den gekrümmten Flächen 42 und 44 flach, so dass sie sich leicht an die Fläche von metallischen Wärmesenkenblöcken anpassen, doch können auch nicht ebene Flächen ebenfalls verwendet werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Abführen von Wärme ist in 11 dargestellt. Wärmesenkenblöcke 76 und 78 vorzugsweise aus Kupfer gefertigt und mit Wasser gekühlt, haben eine Grenzfläche zu dem Raum 60 über dessen gesamte Länge hin über eine dünne Schicht 80 aus Indium. Das Indium 80 bietet einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Kristall des Raumes 30 und den Blöcken 76 und 78 und wirkt auch als eine Abdämpfungsschicht zur Verminderung von Spannungen in dem Kristall 30. Die abgeflachten Oberflächen 58 und 60 sind feingeschliffen und sind nicht im hohen Maße reflektierend, so dass sie die Unterdrückung von parasitären Schwingungen unterstützen. Der unmittelbare innige direkte Kontakt mit der optischen Oberfläche vermindert die Fehlanpassung des Brechnungsindex im Vergleich zu einer Trennfläche zwischen einem Kristall und Luft, wodurch die Fresnel'sche Reflexion und damit eine parasitäre Rückkopplung vermindert wird.
Durch Anordnung des vorliegenden Pumpraumes 30 innerhalb eines Resonators 52 kann, wie in 12 gezeigt ist, ein Laser aufgebaut werden. Ein Resonator 52 besteht typischerweise aus einem 100% reflektierenden Reflektor 54 und einem teilreflektierenden Reflektor 56, wobei der Abstand zwischen den Reflektoren 54 und 56 so gewählt ist, dass Laserlicht bei einer bestimmten Wellenlänge erzeugt wird. Das Laserlicht 57 tritt aus dem Resonator über den teilweise reflektierenden Spiegel 56 aus. Die Erfindung kann als ein Bestandteil für viele Arten von Lasern verwendet werden, einschließlich Q-geschalteten Arten, CW-Lasern, modusgesperrten Lasern und Typen normaler Art. Andere Anwendungen für den Pumpraum 30 umfassen seine Verwendung als ein Hauptoszillator für einen Hauptoszillator-Leistungsverstärker von vielen Kilowatt, einen Hauptoszillator für industrielle Laser-Leistungsverstärker (mit langen Impulsen arbeitend) und eine Pumpeinrichtung für Faserlasern, wie sie als Laserradarquellen verwendet werden können.
Die Pump-Ausführungsform 30 nach der vorliegenden Erfindung vermeidet die Notwendigkeit des Difussionsverbindungsschrittes durch Erzeugen eines ringförmigen Bereiches 40 von niedriger Pumplichtabsorption rund um einen aktiven Kern 32 innerhalb des Laserstabes. Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile gegenüber dem Stande der Technik: (1) Einteilige Konstruktion, (2) ein einziger optischer Fabrikationsvorgang (Schleifen, Polieren), (3) keine optischen Diskontinuitäten innerhalb des vom Lasermodus beanspruchten Volumens, (4) sanftes Verstärkungsprofil mit dem höchsten Verstärkungsgewinn im Zentrum des Stabes, und (5) hoher Erfolgswert der Produktion.
In der Pumpausführungsform 30 werden dreiwertige Ytterbiumionen in einem geeigneten Trägerkristall in den zweiwertigen Zustand bei Nachbearbeitung in einer geeigneten reduzierenden Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen übergeführt. Durch Bemessen der Zeit und der Temperatur in dem Reduktionsprozess kann das Profil von zweiwertigen und dreiwertigen Ionen in ähnlicher Weise wie bei einem normalen Verunreinigungs-Difussionsprozess gesteuert werden. Ytterbium ist eines aus einer Klasse nützlicher Laserionen, welche in einen Trägerkristall in mehr als einem Valenzzustand eintreten können und daher verschiedene Möglichkeiten für die Verwendung einer bestimmten Valenzumwandlung bieten, um räumlich die spektroskopischen Eigenschaften des kristallinen Lasermediums zu ändern. Die vorliegende Erfindung beschreibt in ihrer Offenbarung zwei solche Möglichkeiten im Detail, nämlich (1) die Herstellung eines integrierenden Mehrfachdurchgangs-Diodenpumpraumes aus einem einzigen Yb:YAG-Kristall für einen Lasersender, der in einem CW-Laserradarsensor oder einem mit hoher Impulsrate arbeitenden dreidimensionalen abbildenden Laserradarsensor für die Situationserkundung, Navigation und Zielobjekterfassung verwendet werden kann, und (2) die Herstellung eines einfachen Pumpraumes aus einem einzigen mit Erbium und Ytterbium zusammen dotierten Phosphatglasstab für augenverträgliche Laser-Entfernungsmesser, welche für Helikopter, Kampffahrzeuge oder für Feuerleiteinrichtungen an Waffen für Soldaten verwendet werden können.
Während sowohl die Yb:YAG Lasersystem (1,03 μm Wellenlänge) und die Er:Yb:Glas-Lasersysteme (augenverträglich bei 1,5 μm) sehr praktische Ausführungsformen der Erfindung bieten, versteht es sich, dass das Verfahren der Valenzumwandlung zur Änderung der spektroskopischen Eigenschaften von Festkörpermaterialien in seiner Anwendung allgemeiner ist, wobei die Anwendungen von integrierenden Laserpumpräumen zu räumlich bemessenen sättigbaren Absorbern reichen, welche als passive Q-Schalter verwendet werden.
Während die vorliegende Erfindung hier anhand von erläuternden Ausführungsbeispielen für besondere Anwendungen beschrieben ist, versteht es sich, dass die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Die Fachleute auf diesem Gebiete, welche Zugang zu der hier gegebenen Lehre haben erkennen die Möglichkeit zusätzlicher Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Umfanges der Erfindung sowie zusätzliche Gebiete auf denen die vorliegende Erfindung von wesentlichen Nutzen ist.
Es ist daher davon auszugehen, dass die anliegenden Ansprüche jedwede und sämtliche solcher Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen innerhalb der vorliegenden Erfindung abdecken.

Claims

Festkörpermaterial (14) mit einer Oberfläche (18), wobei das Festkörpermaterial folgendes enthält: ein Dotierungsmittel (16) bei einem ersten Valenzzustand (a); wobei die Konzentration des Dotierungsmittels (16) bei diesem ersten Valenzzustand (a) sich mit dem Abstand von der genannten Oberfläche (18) ändert; und das genannte Dotierungsmittel (16) bei einem zweiten Valenzzustand (b); wobei die Konzentration des Dotierungsmittels (16) bei diesem zweiten Valenzzustand (b) sich invers mit dem Abstand von der genannten Oberfläche (18) ändert.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher die Summe der Konzentrationen eine Konstante ist.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher das Festkörpermaterial aus einer Gruppe gewählt ist, welche aus Yttrium-Aluminium-Granat, Yttrium-Vanadat und Yttrium-Orthosilikat besteht.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher das Festkörpermaterial aus der Gruppe gewählt ist, welche kristalline Werkstoffe, polykristalline Werkstoffe und Glaswerkstoffe enthält.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher das genannte Dotierungsmittel (16) aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Samarium, Europium, Dyspersium, Uran, Vanadin, Chrom, Kobalt, Mangan und ihren Mischungen besteht.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher das genannte Dotierungsmittel (16) bei dem ersten Valenzzustand (a) aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Sm²⁺, Eu²⁺, Dy²⁺, U³⁺, V²⁺, V³⁺, V⁴⁺, Cr²⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Mn⁴⁺, Mn⁵⁺ und ihren Mischungen besteht.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher das genannte Dotierungsmittel (16) bei dem zweiten Valenzzustand (b) aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Sm³⁺, Eu³⁺, Dy³⁺, U³⁺, V³⁺, V⁴⁺, V⁵⁺, Cr³⁺, Cr⁴⁺, Co³⁺, Mn⁵⁺, Mn⁶⁺ und ihren Mischungen besteht.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher das genannte Dotierungsmittel (16) aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Ytterbium, Cerium, Präsodyn, Neodyn, Terbium, Dysprosium, Thulium, Samarium, Europium, Uran, Vanadium, Chrom, Kobalt, Nickel, Titan, Eisen, Mangan und ihren Mischungen besteht.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher das genannte Dotierungsmittel (16) bei dem ersten Valenzzustand (a) aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Yb³⁺, Ce³⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Tm³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺, U³⁺, V²⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Ti³⁺, Fe²⁺, Mn⁵⁺ und ihren Mischungen besteht.
Die Erfindung nach Anspruch 1, bei welcher das genannte Dotierungsmittel (16) bei dem zweiten Valenzzustand (b) aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Yb²⁺, Ce⁴⁺, Pr⁴⁺, Nd²⁺, Tb⁴⁺, Dy²⁺, Tm²⁺, Sm²⁺, Eu²⁺, U⁴⁺, V³⁺, Cr⁴⁺, Cr²⁺, Co³⁺, Ni³⁺, Ti²⁺, Ti⁴⁺, Fe³⁺, Mn⁴⁺, Mn⁶⁺ und ihren Mischungen besteht.