DE69213908T2

DE69213908T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Infrarot/Sichtbar-Aufwärts-Umwandlung in einem bei Raumptemperatur arbeitenden Laser- oder Anzeige-System

Info

Publication number: DE69213908T2
Application number: DE69213908T
Authority: DE
Inventors: Farlane Ross A Mc
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2012-11-28
Also published as: EP0549899B1; DE69213908D1; JPH0716068B2; JPH05251807A; EP0549899A1; KR930015200A; KR960014729B1; US5245623A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme zur Aufwärts- Umwandlung, die allgemein Upconversion-Systeme genannt werden, und Verfahren, um mit einem infraroten Eingangsstrahl einen sichtbaren Ausgangsstrahl aus einem Laser oder Leuchtstoff anzuregen.
Leuchtstoffe und andere Upconversion-Systeme sind wichtig in der Display-Technologie für Fernsehen, Radar, Kathodenstrahlröhren sowie Instrumentenanzeigen. Der übliche Fernsehschirm verwendet z.B. einen Schirm, der mit drei verschiedenen Leuchtstoffen beschichtet ist, die typischerweise Rot, Grün und Blau entsprechen, und wird über einen Elektronenstrahl adressiert. Die Vorrichtung zur Erzeugung des Elektronenstrahles ist kompliziert und teuer, wobei das Erfordernis von drei getrennten Typen von Leuchtstoffen zu der gesamten Komplexität und den Gesamtkosten beiträgt.
Anderes Upconversion-Mechanismen, die infrarote Strahlung in sichtbare Strahlung konvertieren, sind auf dem Gebiet der Leuchtstoffe seit vielen Jahren bekannt. Diese Upconversion- Systeme emittieren sichtbare Strahlung in Reaktion auf einen infraroten Pumpstrahl, wobei das sichtbare Ausgangslicht bezogen auf das infrarote Eingangslicht merklich verstärkt wird. Diese Systeme sind Gegenstand von besonderem Interesse seit preiswerte infrarote Diodenlaser mit hoher Effizienz aufgetaucht Sind, die den erforderlichen Pumpstrahl liefern kännen, um die teure Vorrichtung für die Erzeugung des Elektronenstrahles zu ersetzen.
Ein Vollfarben-Upconversion-Laser, der durch eine infrarote Quelle mit einer wellenlänge gepumpt wird, ist in dem US-Patent 5,008 890 von Mcfarlane diskutiert, das den Titel "Red, Green, Blue Upconversion Laser Pumped by Single wavelength Infrared Laser Source" trägt und wie die vorliegende Erfindung auf Hughes Aircraft Company übertragen wurde. Der Laser verwendet einen Kristall aus YLiF&sub4;:Er5% und wird bei einer Tiefsttemperatur zwischen 15º und 120ºK betrieben. Bei den meisten anderen Untersuchungen von Upconversion-Lasern wurden gleichfalls Materialien auf Fluorid-Basis verwendet, die umfangreiche Kühlung erfordern, siehe z.B. Nguyen et al., "Blue Upconversion Thulium Laser", SPIE Band 1223 - Solid State Lasers, 1990, Seiten 54-63, und Hebert et al., "Visible CW-Pumped Upconversion Lasers", Proc. International Conference on Lasers '90, Dezember 1990, Seiten 386-393.
Um die spektroskopischen Upconversion-Eigenschaften von mit Erbium (Er) dotierten Cäsium-Cadmium-Bromid-Kristallen (CsCdBr&sub3;) zu charakterisieren, wurden Untersuchungen durchgeführt von Cockroft et al., in "Upconversion Fluorescence Spectroscopy of Er³&spplus; Pairs in CsCdBr&sub3;", Journal of Lumicescence, Band 43, 1989, Seiten 257-281, und in "Dynamics and Spectroscopy of Infra- Red to Visible Upconversion in Erbium Doped Cesium Cadmium Bromide (CsCdBr&sub3;:Er³&spplus;)", eingereicht bei Physical Review B, 16. April 1991. Es wurde gefunden, daß ein infraroter Pumpstrahl von 804 nm Wellenlänge einen Emissionspeak bei 414 nm erzeugte, ein Pumpstrahl von 984 nm einen Emissionspeak bei 493 nm erzeugte, und daß gleichzeige Anregung bei 804 nm und 984 nm zu starken Emissionen bei 455 nm, 651 nm und 671 nm führte. Darüber hinaus wurden diese Untersuchungen durchgeführt, indem der CsCdBr&sub3;:E³&spplus;-Kristall bei Tiefsttemperaturen im Bereich von 10º-40ºK pulsierend gepumpt wurde, wie es von dem Stand der Technik vorgegeben wurde. Cockroft et al. enthalten keine Informationen über ein Upconversion-Lasersystem, das den CsCdBr&sub3;:E³&spplus;-Kristall enthält, und zu der Frage, ob solch ein Lasersystem oder so ein Upconversion-Leuchtstoff oberhalb von Tiefsttemperaturen betreibbar ist.
Mcpherson et al. offenbaren in dem Artikel "Dynamics of up-conversion for photoexcited pairs of Er³&spplus; ions in CsCdBr&sub3; crystals", Chemical Physics Letters, Band 167, Nr. 5, 6. April 1990, Seiten 471-474, ebenfalls, daß eine gepulste Anregung von mit Er³&spplus; dotierten CsCdBr&sub3;-Kristallen bei 547,5 nm eine sichtbare Fluoreszenz bei 338 nm und 385 nm bei 77ºK erzeugt. Wenn die Kristalle von 77ºK auf Raumtemperatur erwärmt werden, verschwindet die 338 nm-Emission, während die 385 nm-Emission noch vorhanden ist. Sie berichten weiter, daß bei Dauerstrichanregung eine starke Emission bei 490 nm, aber nur eine sehr geringe Emission bei 385 und 338 nm erfolgt. Darüber hinaus beschreiben sie eine Anzahl von Emissionen zwischen 400 und 520 nm. Die Experimente mit Dauerstrichanregung wurden bei 12ºK durchgeführt.
Darüber hinaus offenbart US-A-5 038 358 ein Upconversion- Lasersystem, bei dem eine Emission mit kurzer Wellenlänge in Antwort auf eine langwellige Anregung eines Lasermediums erreicht wird. Dieses Dokument beschreibt eine Umgebung mit mehreren Quantenniveaus, wie z.B. CsCdBr&sub3;, die durch Atom-Atom-Wechselwirkungen für eine kooperative Energie-Upconversion sorgen. Es ist beschrieben, daß ein Calciumfluorid-Laserkristall, der mit dreiwertigem Erbium dotiert ist, einen Laserausgangsstrahl von 0,85 µm erzeugt, wenn er mit einem Pumpstrahl von 1,5 µm angeregt wird. Es ist beschrieben, daß Kühlung auf ungefähr 77ºK von Vorteil ist. CsCdBr&sub3; als Basiskristall wird ebenfalls erwähnt.
Allgemein gesprochen wurde der Betrieb eines infraroten Upconversion-Systems auf Temperaturen unterhalb von 140ºK beschränkt, um eine Multiphonon-Relaxation von Ionenenergieniveaus zu reduzieren, die durch die Energiezusammenführung von gepumpten Ionenpaaren besetzt werden, und so geeignete Laserbesetzungen im oberen Energiezustand zu erhalten. Es ist bekannt, daß die Forderung nach Tiefsttemperaturkühlung zur Erzielung der Upconversion-Eigenschaften in einem Lasersystem das System merklich verkompliziert, wobei es zu dessen Gewicht, Größe und Kosten beiträgt. Deshalb gibt es einen Bedarf an robusten Upconversion-Lasersystemen und -Leuchtstoffen, die oberhalb von Tiefsttemperaturen betreibbar sind, um die Anwendungsgebiete dieser Technologie im Display-Bereich stark ausweiten zu können.
Erfindungsgemäß wird ein Leuchtstoff bereitgestellt, der in Abhängigkeit von einer infraroten Anregung bei Temperaturen im wesentlichen oberhalb von 140ºK sichtbare Strahlung aussendet, mit:
einem kristallinen Basismedium mit einer Phonon-Wellenzahl von weniger als 200 cm&supmin;¹ und einer hexagonalen Kristallgitterstruktur der Formel AMX&sub3;, wobei A ein einwertiges Metall, M ein zweiwertiges Metall und X ein Halogen ist, und
einem Dotierstoff in Form einer seltenen Erde, der das zweiwertige Metall in der Gitterstruktur des Basismediums ersetzt, um in der Nähe von entsprechenden Lücken Ionenpaare des Dotierstoffes in Form einer seltenen Erde zu bilden.
Dementsprechend schafft die Erfindung ein System zur Erzeugung von sichtbarer Strahlung, mit:
einem kristallinen Basismedium mit einer Phonon-Wellenzahl von weniger als 200 cm&supmin;¹,
Ionenpaaren eines Dotierstoffes in Form einer seltenen Erde in der Nähe zu entsprechenden Lücken in dem Basismedium, und
Mitteln, um die Dotierstoffionen innerhalb des Mediums mit einer Anregung von infraroter Strahlung bei einer Temperatur im wesentlichen oberhalb von 140ºK anzuregen, wobei die Wellenlänge der infraroten Anregung so ausgewählt ist, daß die Emission von sichtbarer Strahlung aus dem Medium stimuliert wird.
Darüber hinaus umfaßt erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erzeugung von sichtbarer Strahlung die Schritte:
Bereitstellen eines kristallinen Basismediums zur Upconversion mit einer Phonon-Wellenzahl von weniger als 200 cm&supmin;¹ sowie Ionenpaaren eines Dotierstoffes in Form einer seltenen Erde in der Nähe zu entsprechenden Lücken innerhalb des Basismediums,
Leiten von infraroter Strahlung in das Basismedium bei einer Temperatur im wesentlichen oberhalb von 140ºK, um die Ionen in dem Basismedium auf höhere Energiezustände anzuregen, und
Emittieren von sichtbarer Strahlung aus dem Upconversion- Medium in Abhängigkeit von der infraroten Anregung.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, einen neuen Typ eines Upconversion-Systems bereitzustellen, das die Erzeugung eines Laserstrahles bei verschiedenen Farben innerhalb des sichtbaren Spektrums in Abhängigkeit von einem infraroten Pumpstrahl möglich macht und ohne die bisherige Forderung nach einer cryogenen Umgebung bei Raumtemperatur arbeitet. Die Erfindung versucht außerdem, ein Mehrfarben-Leuchtstoffdisplay mit nur einer Art von Leuchtstoffmaterial bereitzustellen, das ebenfalls bei Raumtemperatur betreibbar ist.
Diese Ziele werden durch die Verwendung eines kristallinen Basismediums erreicht, das eine Phonon-Wellenzahl von weniger als 200 cm&supmin;¹ sowie in der Nähe zu einer Lücke Ionenpaare eines Dotierstoffes in Form einer seltenen Erde aufweist. Das Basismedium kann entweder als laseraktives Medium oder als Leuchtstoff eingesetzt werden. Das Basismedium hat eine hexagonale Kristallstruktur vom Typ CsNiCl&sub3; mit der Formel AMX&sub3;, wobei A ein einwertiges Metall, M ein zweiwertiges Metall und X ein Halogen ist. Das Displaysystem ist-bei Raumtemperaturen, allgemein bei Temperaturen oberhalb von 140ºK betreibbar Eine veranschaulichte Formel ist CsCdBr&sub3;:Er mit einer Konzentration des Dotierstoffes von ungefähr 0,1 - 1 %.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung, in der:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Laser-Upconversion-Apparatur ist, die zur Durchführung der Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Leuchtstoff-Displaysystemes ist, das zur Durchführung der Erfindung geeignet ist;
die Fig. 3 und 4 Spektralkurven sind, die die sichtbaren Emissionen bei Raumtemperatur zeigen, die durch die Erfindung bei infraroten Pumpstrahlen mit Wellenlänge von 8065,8 Angström bzw. 9848,3 Angström erreichbar sind;
die Fig. 5a, 5b und 5c Quantenenergiediagramme sind, die den durch die Erfindung verwendeten Prozeß der Energiezusammenführung verwenden, und;
Fig. 6 ein Quantenenergiediagramm ist, das die Laserübergänge und Pumpwege zeigt, die durch die Erfindung gezeigt wurden.
Die Erfindung ermöglicht ein Upconversion-System, das in Antwort auf einen infraroten Eingangspumpstrahl sichtbares Licht emittiert und bei Temperaturen oberhalb von 140ºK bis hinauf zur Raumtemperatur betreibbar ist. Dadurch wird das bisher erforderliche Kühlsystem vermieden, so daß folglich die Komplexität, die Kosten, das Gewicht und die Masse des Gesamtsystems reduziert werden.
Es wurde gefunden, daß diese Ergebnisse erzielt werden können, indem ein kristallines Basismedium angeregt wird, das eine hexagonale Kristallstruktur vom Typ CsNiCl&sub3; aufweist und mit einem Metall der seltenen Erden dotiert ist. Hexagonales CsNiCl&sub3; definiert eine allgemeine Klasse von Kristallstrukturen mit der Formel AMX&sub3;, wobei A ein einwertiges Metall wie z.B. Cs, Na oder K ist, M ein zweiwertiges Metall wie z.B. Ni, Mn, Mg oder Cd ist, und wobei X ein Halogen wie z.B. Cl, Br oder F ist. Der Kristall ist mit einem Dotierstoff aus den seltenen Erden wie z.B. Ce, Nd, Tb, Er, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Tm oder Yb dotiert, solange die Größe des Dotierungsions mit dem des Basismaterials kompatibel ist.
Die Struktur vom Typ CsNiCl&sub3; besteht aus linearen Ketten von Octaedern (CdBr&sub6;)&sup4;&supmin; mit gemeinsamen Außenflächen, die längs der kristallographischen c-Achse angeordnet sind. Als eine natürliche Konsequenz der Kristallstruktur substituieren Dotierstoffverunreinigungen wie z.B. das E³&spplus;-Ion das divalente Metallion wie z .B. Cd²&spplus; in dem Gitter. Dielektrische Neutralität erfordert es, daß zwei Er-Ionen drei Cd-Ionen ersetzen; dies wird erreicht durch eine Abfolge Er³&spplus;:Lücke:Er³&spplus;. Im Ergebnis sind zwei Er-Ionen in viel größerer Nähe zueinander angeordnet, als es durch die zufällige Verteilung erreicht wird, die in anderen Basismaterialien erhalten wird, die bisher verwendet wurden.
Eine Konsequenz dieser Kristallstruktur besteht darin, daß sie bezogen auf die Quantenlücken zwischen aufeinanderfolgenden Anregungszuständen eine geringe Phononenergie aufweist, wenn der Kristall dotiert ist. Die Phonon-Wellenzahl ist geringer als 200 cm&supmin;¹. Ein "Phonon" bezieht sich auf die thermische Energie eines Festkörpermaterials, die in bestimmten Kombinationen von Teilchenschwingungen enthalten ist, die äqivalent zu stehenden, elastischen Wellen sind und als normale Moden bezeichnet werden. Jede normale Mode enthält eine Anzahl von diskreten Quanten von Energie, die Phononen genannt werden. Phononen werden nur als Teilchen betrachtet, von denen jedes eine Energie, einen Impuls und eine Geschwindigkeit aufweist. In analoger Weise zu den Energiezuständen von Elektronen in einem Festkörper können Phononen nur bestimmte, diskrete zulässige Energien aufweisen. Die Phonon-Wellenzahl ist ein Maß der Phononenergie; eine niedrige Phonon-Wellenzahl entspricht einer niedrigen Phononenergie. Die Phonon-Wellenzahlen für hexagonale Kristallstrukturen vom Typ CsNiCl&sub3; sind ziemlich gering; die Phonon- Wellenzahl für das gezeigte Material CsCdBr&sub3;:Er beträgt ungefähr 160 cm&supmin;¹, während der in dem US-Patent Nr.5,008,890 verwendete YLiF&sub4;:Er-Kristall eine Wellenzahl in der Größenordnung von 500 cm&supmin;¹ aufweist. Die Bedeutung der geringen Phonon-Wellenzahl als eine Erklärung für die unerwarteten sichtbaren Emissionen, die durch die Erfindung im Betrieb bei Raumtemperatur erreicht werden, wird später diskutiert.
Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Upconversion-Lasers, der die Erfindung verkörpert, ist in Fig. 1 gezeigt. Der Laser 2 besteht aus einem kristallinen Laserstab 4 aus dem dotierten AMX&sub3;-Material, das oben beschrieben wurde, wie z.B. aus CsCdBr&sub3;:Er, und ist als monolithische Struktur gefertigt, die Laserspiegel 6 und 8 als dielektrische Schichten auf sphärischen Oberflächen 10 und 12 an gegenüberliegenden Enden des Stabes 4 enthält. Die Spiegel 6 und 8 sind bei einer oder mehreren der gewünschten Ausgangswellenlängen optisch reflektierend. Die Dotierungskonzentration reicht allgemein von ungefähr 0,1 % bis ungefähr 1 %.
Pumpenergie wird vorzugsweise durch einen infraroten Halbleiterdiodenlaser 14 zugeführt. Andere Laserquellen, wie z.B. ein Farbstofflaser oder ein Titan-Saphirlaser könnten ebenfalls eingesetzt werden, obwohl Halbleiterdiodenlaser wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrades und ihrer geringen Kosten bevorzugt sind. Eine infrarote Quelle nicht vom Lasertyp könnte vorstellbarerweise ebenfalls verwendet werden, was wegen der großen Ineffizienz beim Erzielen der erforderlichen Leistungskonzentration gegenwärtig jedoch nicht praktisch ist. Der Pumpstrahl wird durch den Laserspiegel 6 geleitet, der spezifisch so ausgelegt ist, daß er gleichzeitig bei den Laserwellenlängen eine hohe Reflektivität und bei der Pumpwellenlänge eine hohe Durchlässigkeit aufweist. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist eine Linse 16 in dem Pfad des Pumpstrahles angeordnet, um den Pumpstrahl zu fokussieren und so eine Anpassung zwischen der Größe der Lasermode und dem Pumpbereich des Kristalls 4 zu erreichen. Die interne Lasermode ist durch gestrichelte Linien 16 angedeutet. Der Laserspiegel 8 ist so gefertigt, daß er eine Durchlässigkeit im Bereich von ungefähr 1 % bis 10 % bei den Upconversion-Wellenlängen aufweist und dadurch einen Mechanismus zum Auskoppeln eines Laserstrahles aus dem Kristall 14 bereitstellt.
Der Laserkristall 4 ist allgemein ungefähr 5 nm lang. Sein Durchmesser sollte den der optischen Mode überschreiten und liegt allgemein ungefähr bei 200 - 5.000 Mikrometern. Der Pumplaser 14 wird bei einer Dauerstrich (CW)-Mode mit einer Pumpleistung von ungefähr 10 mW bis mehreren hundert mW betrieben.
Bei Einsatz in einer Nicht-Laser-Anwendung kann dieselbe Art von Kristall, wie sie oben beschrieben wurde, bei Display- Anwendungen ein Ersatz bei Raumtemperatur für mit Elektronenstrahlen gepumpte Leuchtstoffe bieten, wenn er mit einem infraroten Strahl gepumpt wird. Diese Art von Displaysystem ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Paar von infraroten Pumplasern 20 und 22 wird eingesetzt, wobei der erste Laser 20 einen Pumpstrahl 24 bei ungefähr 800 nm und der andere Laser 22 einen Pumpstrahl 26 bei ungefähr 980 nm erzeugt. Die beiden Strahlen werden durch einen dichroitischen Spiegel 28 kombiniert und durch einen Abtaster 30 in einer Abtastbewegung über einen Schirm 32 geleitet, der mit einer Dispersion aus polykristallinen Leuchtstoffen aus demselben Material beschichtet ist, das für den oben beschriebenen Laser verwendet wird. Dies führt zu blauen, grünen und roten Emissionen, die durch eine Linse 34 kollimiert und zu einem Displayschirm oder direkt zu dem Betrachter übertragen werden. Auch dieses System ist wieder bei Raumtemperatur voll einsatzfähig.
Die bei Raumtemperatur erfolgenden Upconversion-Antworten der Pumpstrahlen des beschriebenen Kristalls bei Wellenlängen von 8065,3 Angström und 9848,8 Angström sind in den Fig. 3 bzw. 4 gezeigt. Ein CsCdBr&sub3;:Er1%-Kristall wurde dabei verwendet. Wie es in Fig. 3 zu sehen ist, erzeugen die Kristalle bei einem Pumpen mit 8065, 8 nm eine merkliche Strahlungsemissionsschulter bei ungefähr 5600 Angström, die einem grünen Ausgangslicht entspricht. Ausgangslicht wurde auch bei anderen Teilen des sichtbaren Spektrums erzeugt, wozu eine Antwort 38 bei ungefähr 4100 Angström zählt, die purpur entspricht.
Bei einer Pumpwellenlänge von 9848,3 Angström (Fig. 4) war die stärkste spektrale Antwort 40 des Kristalls bei ungefähr 4900 Angström zentriert, was einer blauen Emission entspricht. Diese Antwort fehlte bei den bisherigen cryogenen Systemen, die auf Fluoriden basierten, völlig. Eine rote Antwort kann durch ein Pumpen mit zwei Wellenlängen, wie z.B. durch das in Fig. 2 illustrierte duale Laserpumpsystem, bei ungefähr 800 nm und 980 nm erreicht werden. Auf diese Weise kann mit einem einzigen Leuchtstoff oder einem einzigen Laserkristall ein dreifarbiges Rot/Grün/Blau-Bild erzielt werden.
Der Upconversion-Mechanismus, durch den ein Pumpstrahl bei einer infraroten Wellenlänge eine Emission von sichtbarem Licht bei einer Wellenlänge erzeugt, die kürzer ist als die Anregungswellenlänge, ist in den Fig. 5a - 5c dargestellt. Bei einer hexagonalen Kristallstruktur vom Typ CsNiCl&sub3; treten Dotierungsionen der seltenen Erden in den Kristall an benachbarten Stellen ein, die durch eine Lücke voneinander getrennt sind, und sind nicht zufällig in dem Basiskristall verteilt. Die gepaarten Dotierungsionen zeigen eine starke, wirksame gemeinsame Energie. Wie es in Fig. 5a gezeigt ist, wird ein Paar von benachbarten Ionen 42 und 44 anfänglich von einem Grundzustand 46 auf einen gemeinsamen höheren Energiezustand 48 angeregt. Zwischen den gepaarten Ionen erfolgt dann eine Energiezusammenführung, wobei ein Ion 42 seine Energie auf das benachbarte Ion 44 überträgt (Fig. 5b). Das Ion 42 fällt in den Grundzustand 46 zurück, während das Ion 44 auf einen höheren Energiezustand 50 hoch geht. Wenn die Energie des angeregten Ions 44 nun den ganzen Weg von dem angehobenen Energiezustand 50 auf den Grundzustand abfällt, wird eine Emission bei einer Wellenlänge erzeugt, die kürzer ist als die der Pumpwellenlänge, die ursprünglich benutzt wurde, um die Ionen auf den Zustand 48 anzuheben. Es wird angenommen, daß die für die Upconversion erforderliche Energiezusammenführung bei dem Kristallmaterial der vorliegenden Erfindung merklich effizienter ist, weil die Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen Ionen in einer zufälligen Verteilung durch eine Wechselwirkung ersetzt wird, die sich durch einen Superaustausch zwischen gepaarten Ionen ergibt.
Es ist auch möglich, das Basismaterial mit mehr als einer Art von Dotierstoff zu dotieren. Wenn z.B. sowohl Ytterbium als auch Erbium als Dotierstoff verwendet werden, neigt das Ytterbium dazu, die Pumpstrahlung effizienter zu absorbieren und diese zugeführte Energie auf das Erbium zu übertragen. Thulium und Praseodym zeigen eine ähnliche Energieabsorption und -übertragung.
Fig. 6 ist ein Energiediagramm, das einen Versuch darstellt, die Erzeugung von grüner, blauer und roter Emission bei Raumtemperatur zu erklären, wobei die Emission durch die Erfindung in einem Beispiel erreicht wurde, bei dem CsCdBr&sub3;:Er eingesetzt wurde. Allgemein können angeregte Ionen in einen Grundzustand zurückkehren, indem Strahlung ausgesendet wird, Phononen erzeugt werden, oder eine Kombination dieser beiden Prozesse Anwendung findet. Die Wahrscheinlichkeit, Phononen zu erzeugen anstatt Strahlung zu emittieren, nimmt exponentiell mit der Phonongröße zu. Da die hexagonale Kristallstruktur vom Typ CsNiCl&sub3; Phonen- Wellenzahlen von weniger als 200 cm&supmin;¹ zeigt, im Gegensatz zu Phononen-Wellenzahlen in der Größenordnung von 500 cm&supmin;¹ für bisherige Basismaterialien auf Fluoridbasis, wird postuliert, daß verglichen mit dem Material auf Fluoridbasis eine größere Anzahl von Phononen durch den Kristall vom Typ CsNiCl&sub3; erzeugt werden muß, um Energie in Form von Phononen zwischen zwei gegebenen Quantenenergiezuständen abzugeben. Daher gibt es eine merklich stärkere Tendenz für angeregte Ionen in dem Kristall vom Typ CsNiCl&sub3;, zwischen einem Paar von Energiezuständen Strahlung auszusenden anstatt Phononen zu erzeugen. Eine Studie von Phonon-Linienbreiten in CsCdBr&sub3; bei Temperaturen von 4,2º- 300ºK wurde berichtet in Pilla et al., "Comparative Raman Study of Phonon Linewidths in Pure and Lead-Doped CsCdBr&sub3;", Phys.Stat.Sol., Band 144, 1987, Seiten 845-851.
Das Phänomen der sichtbaren Emission ist in Fig. 6 durch den Prozeß dargestellt, der zu einer Emission von blauer Strahlung (B) führt. Bei einem Pumpstrahl von ungefähr 980 nm werden Er-Dotierungsionen in CsCdBr&sub3; anfänglich von dem Energiezustand &sup4;I15/2 (der als Grundzustand angesehen werden kann) in den &sup4;I11/2-Zustand angehoben. Durch Energiezusammenführung zwischen gepaarten Ionen kehrt eines der Ionen in den Grundzustand zurück, während die Energie des anderen Ions auf den Zustand &sup4;F7/2 erhöht wird. Von diesem Zustand und mit Betrieb bei Raumtemperatur emittieren die Ionen Strahlung, bis sie den ganzen Weg zurück in den Grundzustand fallen. Diese Strahlungsemission entspricht der spektralen Emission 40 bei ungefähr 4900 Angström in Fig. 4. Selbst bei Tiefsttemperaturen wurde keine derartige Emission bei früheren Basismaterialien auf Fluorid-Basis erreicht, was anzeigt, daß bei den Basismaterialien auf Fluorid-Basis eine Phononerzeugung stattfindet, die eine sichtbare Strahlungsemission auf dem Weg von dem Zustand &sup4;F7/2 zu dem Grundzustand verhindert; Phononen werden zu schnell erzeugt, als daß eine Photonenemission stattfinden kann.
Eine grüne Emission (G) ergibt sich aus einem Pumpen bei ungefähr 800 nm. Die Dotierungsionen werden anfänglich auf den Zustand &sup4;I9/2 angehoben, wobei eines der gepaarten Ionen in den Grundzustand zurückfällt und das andere Ion energiemäßig auf den Zustand ²H9/2 angehoben wird. Von diesem Zustand erfolgt eine Emission sowohl zu dem &sup4;I13/2-Zustand als auch ganz zurück auf den Grundzustand. Die erste Emissione entspricht dem spektralen Merkmal 36 in Fig. 3 bei einer grünen Wellenlänge von ungefähr 5600 Angström, während die zweite Emission einem spektralen Merkmal 38 bei einer purpurenen Wellenlänge von ungefähr 4100 Angström entspricht. Da einige der auf das Niveau ²H9/2 gepumpten Ionen auf dem Niveau &sup4;F9/2 und nicht im Grundzustand enden, ist eine geringere Eingangspumpleistung erforderlich.
Wenn der Kristall mit Strahlen bei ungefähr 800 nm und 980 nm gleichzeitig gepumpt wird, werden Ionen auf die Zustände &sup4;I11/2 und &sup4;I9/2 angeregt, die dann paarweise zusammenwirken, um einige der Ionen auf den Zustand &sup4;F5/2 anzuheben. Von diesem Zustand fallen einige Ionen auf den Zustand &sup4;I13/2, während andere auf den Zustand &sup4;F9/2 und von hier in den Grundzustand zurückfallen. Der Energieabfall von dem Zustand &sup4;F9/2 zu dem Grundzustand führt zu einer Emission von rotem Licht (R).
Eine rote Emission wurde bisher zwar für gleichzeitige Anregung bei 800 nm und 980 nm gefunden, jedoch nur bei einer Tiefsttemperatur von 10ºK. Für Betrieb bei Raumtemperatur wurde jedoch weder eine rote Emission noch rote/grüne/blaue Emissionen bisher empfohlen oder vorgeschlagen. Durch Ausdehnung des Upconversion-Prozesses auf Raumtemperatur reduziert die Erfindung die gesamten Kosten, das gesamte Gewicht und die gesamte Größe der erforderlichen Vorrichtung merklich.

Claims

1. Leuchtstoff zur Aufwärts-Umwandlung (upconversion), der in Abhängigkeit von einer infraroten Anregung bei Temperaturen im wesentlichen oberhalb von 140º K sichtbare Strahlung aussendet, mit:

einem kristallinen Basismedium mit einer hexagonalen Kristallstruktur der Formel AMX&sub3;, wobei A ein einwertiges Metall, M ein zweiwertiges Metall und X ein Halogen ist, und

einem Dotierstoff in Form einer Seltenen Erde, der das zweiwertige Metall in der Gitterstruktur des Basismediums ersetzt, um in der Nähe von entsprechenden Lücken Ionenpaare des Dotierstoffes in Form einer seltenen Erde zu bilden.

2. Leuchtstoff nach Anspruch 1, bei dem die hexagonale Kristallstruktur des Basismediums eine Kristallstruktur vom CsNiCl&sub3;-Typ mit CsCdBr; ist.

3. Leuchtstoff nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Dotierstoff Er umfaßt.

4. Leuchtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das kristalline Basismedium eine Phonon-Wellenzahl von weniger als 200 cm&supmin;¹ umfaßt.

5. System zur Aufwärts-Umwandlung (upconversion), um sichtbare Strahlung zu erzeugen, mit:

einem kristallinen Basismedium (4, 32) mit einer Phonon-Wellenzahl von weniger als 200 cm&supmin;¹,

Ionenpaaren eines Dotierstoffes in Form einer seltenen Erde in der Nähe zu entsprechenden Lücken in dem Basismedium, und

Mitteln (14, 20, 22), um die Dotierstoffionen innerhalb des Mediums (4, 32) mit einer Anregung von infraroter Strahlung bei einer Temperatur im wesentlichen oberhalb von 140º K anzuregen, wobei die Wellenlänge der infraroten Anregung so ausgewählt ist, daß die Emission von sichtbarer Strahlung aus dem Medium (4, 32) stimuliert wird.

6. System nach Anspruch 5, wobei das kristalline Medium (4, 32) einen Leuchtstoff (32) umfaßt, um in Abhängigkeit von der infraroten Anregung die sichtbare Strahlung zu emittieren.

7. System nach Anspruch 5 oder 6, das den Leuchtstoff (32) in einem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt.

8. System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das dotierte kristalline Medium (4, 32) als ein laseraktives Medium (4) arbeitet, um einen kollimierten sichtbaren Strahl in Abhängigkeit von Pumpen mit einem infraroten Laserstrahl zu emittieren, und wobei ferner Mittel (16) vorgesehen sind, um einen infraroten Laserpumpstrahl in das laseraktive Medium (4) zu koppeln, und Mittel (6, 8) vorgesehen sind, um von dem laseraktiven Medium (4) in Abhängigkeit von dem Laserpumpstrahl erzeugte sichtbare Strahlung in wiederholten Durchgängen durch das laseraktive Medium (4) zu reflektieren, um einen sichtbaren Ausgangsstrahl aus dem laseraktiven Medium zu etablieren.

9. Verfahren zum Erzeugen sichtbarer Strahlung, mit den Schritten:

Bereitstellen eines kristallinen Basismediums (4, 32) zur Aufwärts-Umwandlung (upconversion) mit einer Phonon- Wellenzahl von weniger als 200 cm&supmin;¹ sowie Ionenpaaren eines Dotierstoffes in Form einer seltenen Erde in der Nähe zu entsprechenden Lücken innerhalb des Basismediums,

Leiten von infraroter Strahlung in das Basismedium bei einer Temperatur im wesentlichen oberhalb von 140º K, um die Ionen in dem Basismedium auf höhere Energiezustände anzuregen, und

Emittieren von sichtbarer Strahlung aus dem Medium zur Aufwärts-Umwandlung in Abhängigkeit von der infraroten Anregung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Medium zur Aufwärts-Umwandlung (4, 32) mit infraroter Strahlung bei Raumtemperatur angeregt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem das Basismedium das Basismedium aus einem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die infrarote Strahlung eine Wellenlänge von ungefähr 800 nm aufweist und eine grüne Emission aus dem Medium zur Aufwärts- Umwandlung (4, 32) stimuliert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die infrarote Strahlung eine Wellenlänge von ungefähr 980 nm aufweist und eine blaue Emission aus dem Medium zur Aufwärts- Umwandlung (4, 32) stimuliert.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die infrarote Strahlung zwei Wellenlängen von ungefähr 800 nm und ungefähr 980 nm aufweist und eine rote Emission aus dem Medium zur Aufwärts-Umwandlung (4, 32) stimuliert.