NL9000532A

NL9000532A - Inrichting voor het opwekken van blauw laserlicht.

Info

Publication number: NL9000532A
Application number: NL9000532A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1991-10-01
Also published as: JPH04218986A; US5067134A; EP0450677B1; DE69107649D1; DE69107649T2; EP0450677A1; KR910017702A

Description

"Inrichting voor het opwekken van blauw laserlicht".

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het opwekken van blauw laserlicht met een golflengte van 445 tot 455 nm door middel van een upconversie proces, met een pomplaser en een trilholte, welke trilholte een fluoridehoudend materiaal met driewaardige thuliumionen omvat.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het opwekken van blauw laserlicht door middel van een upconversie proces, onder toepassing van een pomplaser en een trilholte, welke trilholte een fluoridehoudend materiaal met driewaardige thuliumionen omvat.

De inrichting volgens de uitvinding kan bijvoorbeeld worden toegepast als compacte lichtbron voor optische opslag van informatie en voor telecommunicatie door middel van glasvezels. Door toepassing van kortgolvig licht kan de informatiedichtheid worden vergroot en worden de mogelijkheden van schrijven en wissen van informatie verruimd door de grotere fotonenenergie.

In een artikel van D.C.Nguyen et.al. in Applied Opties 28 (17), bladzijden 3553 tot 3555 (1989) worden een upconversie proces en een inrichting voor het uitvoeren daarvan beschreven, waarin een éénkristal van yttriumlithiumfluoride wordt toegepast, dat is gedoteerd met 1 atoom % driewaardige thuliumionen. Het kristal wordt bestraald door middel van twee laserlichtbronnen met golflengtes van ongeveer 781 nm en 649 nm. Er wordt coherent blauw laserlicht opgewekt met een golflengte van ongeveer 450 nm. Het licht wordt in de vorm van pulsen opgewekt.

Een nadeel van de bekende inrichting is dat gepulste laserwerking ongeschikt is voor toepassing in apparatuur voor optische registratie van informatie. Een nadeel is ook dat de toepassing van twee (verschillende) laserlichtbronnen tot een ingewikkeld ontwerp en een weinig compacte inrichting leidt.

Een probleem bij het vervaardigen van de bekende inrichting, is de noodzaak om een grote absorptielengte van het halfgeleiderlicht te verschaffen, wat bij een kristal moeilijk te realiseren is. Dit is noodzakelijk omdat de concentratie van de thuliumionen verhoudingsgewijs laag moet zijn (kleiner dan ongeveer 1 mol %) omdat aangeslagen thuliumionen snel aanleiding geven tot efficiënte crossrelaxatie processen, waardoor de effectiviteit van het upconversie proces veel minder wordt.

De uitvinding beoogt onder meer een inrichting te verschaffen voor het opwekken van blauw laserlicht door middel van een upconversie proces, welke inrichting een eenvoudige en compacte opbouw heeft en eenvoudig te vervaardigen moet zijn. De inrichting moet geschikt zijn voor toepassing met een halfgeleiderlaser. De inrichting moet bij voorkeur geschikt zijn om continu blauw laserlicht op te wekken.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een inrichting zoals in de aanhef is beschreven, welke inrichting is gekenmerkt doordat het fluoridehoudende materiaal een glassamenstelling uit zwaarmetaalfluoriden is, en doordat een enkele pomplaser wordt toegepast, welke pomplaser licht met een golflengte van 640 tot 700 nm uitzendt.

Om te bewerkstelligen dat met zulk een inrichting desgewenst continu blauw laserlicht kan worden opgewekt, wordt de inrichting gekenmerkt doordat de toegepaste pomplaser licht met een golflengte van 640 tot 665 nm uitzendt. In een doelmatige uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is de toegepaste pomplaser bij voorkeur een halfgeleiderlaser.

Glassamenstellingen op basis van zwaarmetaalfluoriden, welke geschikt zijn voor toepassing in de inrichting en de werkwijze volgens de uitvinding, zijn bijvoorbeeld omschreven door J.Lucas in het Journal of Materials Science 24, bladzijden 1 tot 13 (1989) en in het Amerikaanse octrooischrift ÜS 4749666. Een geschikte werkwijze voor het vervaardigen van fluoridehoudende glassamenstellingen is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift ÜS 4666486. Door de verhoudingsgewijs geringe hoeveelheid van het toegepaste thuliumfluoride, dat in de glassamenstelling bijvoorbeeld lanthaanfluoride kan vervangen, worden de eigenschappen van de glassamenstelling nauwelijks beïnvloed.

Een efficiënt upconversie proces is mogelijk in een inrichting volgens de uitvinding, waarin de trilholte een glasvezel omvat, met een kern uit een glassamenstelling uit zwaarmetaalfluoriden en met een mantel met een lagere brekingsindex dan de kern. Andere voordelen van toepassing van een glasvezel zijn daarin gelegen dat het blauwe licht wordt gegenereerd in een goed gedefinieerde golfgeleider en dat het mogelijk is de absorptieweglengte binnen ruime grenzen te kiezen. Bovendien zijn er diverse mogelijkheden bekend om licht van een halfgeleiderlaser in een glasvezel te koppelen en is de uittredende lichtspot van een glasvezel goed gedefinieerd, bij een monomode glasvezel bijvoorbeeld tot een spotdiameter van 5 pm.

Een geschikte werkwijze voor het vervaardigen van optische glasvezels uit fluorideglassamenstellingen is beschreven door H.W.Schneider in Critical Reports on Applied Chemistry 27, Fluoride Glasses (ed. A.E.Comyns), John Wiley & Sons, Chichester, bladzijden 185 tot 199 (1989) en in het Amerikaanse octrooischrift OS 4842627.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding bevat de glassamenstelling 0.01 tot 1 mol % thuliumfluoride TmF3. Bij grotere hoeveelheden dan 1 mol % wordt de effectiviteit van het upconversie proces te klein door het optreden van crossrelaxatie processen. Dit verschijnsel wordt beschreven in een artikel van C.Guery et.al. in het Journal of Luminescence 42, bladzijden 181-189 (1988). Bij hoeveelheden van minder dan 0.01 mol % wordt de benodigde absorptielengte onpraktisch groot, bijvoorbeeld meer dan 1 meter. Bovendien vinden tussen de thuliumatomen energieoverdrachtsprocessen plaats, die kunnen bijdragen aan het upconversie proces. Bij een te lage concentratie wordt de kans op dergelijke energieoverdrachtsprocessen te gering.

Een verbeterde continue opwekking van blauw laserlicht wordt mogelijk als de glassamenstelling bovendien terbiumfluoride TbF-j en/of praseodymiumfluoride PrF3 omvat, in een totale hoeveelheid van 0.01 tot 1 mol %.

De uitvinding beoogt eveneens een eenvoudige en efficiënte werkwijze te verschaffen voor het opwekken van blauw laserlicht, onder toepassing van eenvoudige optische middelen.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een werkwijze zoals in de aanhef is beschreven, welke werkwijze is gekenmerkt doordat als fluoridehoudend materiaal een glassamenstelling uit zwaarmetaalfluoriden wordt gekozen, en doordat met een enkele pomplaser licht met een golflengte van 640 tot 700 nm wordt ingestraald onder verkrijging van laserlicht met een golflengte van 445 tot 455 nm.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt met de pomplaser licht met een golflengte van 640 tot 665 nm ingestraald en is het verkregen blauwe laserlicht continu.

De toepassing, volgens de uitvinding, van een fluoridehoudend glas heeft een aantal specifieke voordelen. In glassamenstellingen op basis van fluoriden is een efficiënter upconversie proces mogelijk dan in andere glassamenstellingen, bijvoorbeeld in silicaatglazen. In de glassamenstellingen bevinden de thuliumatiomen zich op diverse energetisch verschillende posities, waardoor er over een enigszins verbreed golflengtegebied absorptie mogelijk is. De uitvinding berust op het verworven inzicht dat daardoor, en door het gecontroleerd optreden van stralingsloze processen, de mogelijkheid geboden wordt om met een enkele stralingsbron een elektron in een thuliumatoom in twee stappen naar een hoger energieniveau te brengen. Glassamenstellingen op basis van zwaarmetaalfluoriden zijn, in tegenstelling tot glassamenstellingen op basis van BeF2; niet giftig en niet hygroscopisch en ze zijn stabiel in een normale atmosfeer. Tenslotte heeft de toepassing van glas het voordeel dat het eenvoudig te bewerken is en bijvoorbeeld in de vorm van een vezel kan worden vervaardigd.

Weliswaar wordt in het Amerikaanse octrooischrift ÜS 3958970 de toepassing beschreven van upconversie processen in fluoridehoudend glas of keramiek met Yb en Er of Tm, maar er wordt gepompt met licht met een golflengte van 980 nm, wat ongunstig is voor toepassing met halfgeleiderlasers. Er treedt geen laserwerking op en het proces met Tm is weinig efficiënt omdat het een 3-foton proces betreft. Bovendien is de golflengte van het verkregen licht (470 nm) groter dan bij de werkwijze volgens de uitvinding. Het proces met Er is een 2-foton proces, maar levert licht met een grotere golflengte van 540 nm.

Opgemerkt wordt dat in het eerder genoemde artikel van C.Guery et.al. en door J.Sanz et.al in het Journal of Non-Crystalline Solids 93, bladzijden 377-386 (1987) optische en spectroscopische eigenschappen van thuliumhoudende fluorideglassamenstellingen worden beschreven. De inrichting en werkwijze volgens de uitvinding worden daarin echter niet beschreven.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en een tekening, waarin

Figuur 1 schematisch een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding weergeeft,

Figuur 2 schematisch upconversie processen weergeeft volgens de stand van de techniek (a) en volgens de uitvinding (b),

Figuur 3 emissie spectra weergeeft, gemeten aan een glassamenstelling welke geschikt is voor toepassing in een inrichting volgens de uitvinding.

tlitvoerinasvoorbeeld.

Figuur 1 toont schematisch een inrichting voor het opwekken van blauw laserlicht door middel van een upconversie proces, met een halfgeleiderlaser 1 die een lichtstraal 2 met een golflengte van 650 nm en een vermogen van 10 mW uitzendt. Tussen twee spiegels 3 en 4 bevindt zich een trilholte, met daarin een glasvezel 5. De uittredende lichtstraal 6 heeft een golflengte van 450 nm en een continu vermogen van maximaal 0.5 mW.

De spiegel 3 is transparant voor het licht dat uit de halfgeleiderlaser 1 treedt en reflecteert al het gegenereerde blauwe licht. De spiegel 4 is beperkt doorlatend (ongeveer 5 %) voor het in de glasvezel 5 gegenereerde blauwe licht.

Een geschikte halfgeleiderlaser is bijvoorbeeld een GalnP/AlGalnP laser. Andere geschikte halfgeleiderlasers volgens de stand der techniek kunnen worden toegepast. Voor de spiegels kunnen in de handel verkrijgbare spiegels worden toegepast. Het is desgewenst mogelijk om de spiegels in de vorm van dunne lagen op een kwartsglassubstraat of op de uiteinden van de glasvezel 5 op te dampen. De spiegel 4 kan een doorlaatbaarheid van 0.2 tot 20 % hebben voor het opgewekte blauwe licht.

Geschikte spiegels die kunnen worden verkregen door opdampen bij een substraattemperatuur van minder dan 100°Cf bestaan uit afwisselende lagen uit Hf(>2 en Sit^r met elk een laagdikte van X/4, waarbij λ de golflengte is van het te reflecteren licht. Bij deze spiegels bestaan de buitenste lagen uit Hft^. Bij toepassing van in totaal 31 afwisselende lagen heeft de spiegel 3 een reflectievermogen van 99.98 % voor blauw licht met een golflengte van 450 nm. Bij toepassing van 11 afwisselende lagen vertoont de spiegel 4 een transmissie van 8 % voor licht met een golflengte van 450 nm. In beide gevallen bedraagt de transmissie van rood licht met een golflengte van 650 nm meer dan 95 %.

De kern van de glasvezel 5 bestaat volgens het voorbeeld uit 53 mol % ZrF4, 20 mol % BaF2, 20 mol % NaF, 3 mol % AIF3, 3.9 mol LaF3 en 0.1 mol % T111F3. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de werkwijze bevat de glassamenstelling bovendien ongeveer 0.1 mol % TbF3, waarbij de hoeveelheid LaF3 overeenkomstig kleiner wordt gekozen.

Glassamenstellingen op basis van zwaarmetaalfluoriden, die kunnen worden toegepast in de inrichting en werkwijze volgens de uitvinding, zijn glassamenstellingen op basis van ZrF4, bijvoorbeeld ZBLA en ZBLAN, en op basis van InF3, bijvoorbeeld BIZYT. Deze glassamenstellingen zijn beschreven in het artikel van J.Lucas in het Journal of Materials Science 24, bladzijden 1 tot 13 (1989), en in het Amerikaanse octrooischrift US 4749666. In deze glassamenstellingen wordt een van de aanwezige zeldzame aardmetaalfluoriden gedeeltelijk vervangen door TmF3.

De glasvezel volgens het voorbeeld is een monomode vezel met een cirkelvormige doorsnede, met een kern met een diameter van 5 pm uit de genoemde zwaarmetaalfluoride glassamenstelling, en met een mantel met een diameter van ongeveer 125 pm. De mantel bestaat uit een fluoridehoudende glassamenstelling met een brekingsindex die lager is dan die van de kern. Volgens het voorbeeld bestaat de mantel uit 40 mol % ZrF4, 20 mol % BaF2, 13 mol % HfF4, 20 mol % NaF, 3 mol % AIF3 en 4 mol % LaF3· Daarbij is in de glassamenstelling zoals die voor de kern wordt toegepast, een deel van het ZrF4 vervangen door HfF4. In het eerder genoemde artikel van J.Lucas wordt aangegeven op welke wijze de brekingsindex kan worden gevarieerd door de samenstelling van de fluoridehoudende glassamenstelling aan te passen.

De glasvezel werd vervaardigd volgens de 'rotational casting' werkwijze zoals beschreven in het eerder genoemde artikel van H.W.Schneider. Ook andere op zich bekende werkwijzen kunnen worden toegepast om een geschikte glasvezel te vervaardigen.

De inrichting kan in diverse andere uitvoeringsvormen worden vervaardigd. In de plaats van een glasvezel kan desgewenst een blokje glas worden toegepast. De inrichting kan worden voorzien van filters om het rode licht en blauw licht met een grotere golflengte dan ongeveer 455 nm uit de uittredende blauwe lichtstraal te filteren.

Figuur 2 toont energieniveau's van de elektronen in een thuliumatoom. In Figuur 2a is een upconversie proces volgens de stand der techniek weergegeven, waarbij een elektron uit het grondniveau

O

Hg door middel van een geabsorbeerd foton naar een aangeslagen

O

toestand F^ wordt gebracht. Voor deze stap, die in Figuur 2a met de pijl 10 is aangeduid, is licht met een golflengte van ongeveer 780 nm nodig. Door gelijktijdige bestraling met licht met een golflengte van ongeveer 650 nm kan het aangeslagen elektron in een tweede stap 11 naar het 1D2 niveau worden gebracht. Vanuit deze toestand kan het elektron terugvallen naar het 3H4 niveau onder uitzending van een foton van 450 nm. Deze stap is in de Figuur aangegeven met pijl 12. Omdat het elektron niet terugvalt in de grondtoestand is laserwerking • · O , eenvoudig te realiseren. Het H^ niveau heeft een levensduur van Λ ongeveer 1 ms. Het D2 niveau heeft een levensduur van ongeveer 0.05 ms, zie het eerder genoemde artikel van J. Sanz et.al. Doordat het H^ niveau volraakt is alleen gepulste laserwerking mogelijk.

Figuur 2b toont de werking van het upconversie proces volgens de uitvinding. Een elektron wordt uit het grondniveau 3Hg door middel van een geabsorbeerd foton naar een aangeslagen toestand 3F2 gebracht. Voor deze stap, die in Figuur 2b met de pijl 13 is aangeduid, kan licht worden gebruikt met golflengtes van 640 tot 700 nm. De breedte van het bruikbare golflengtegebied kan worden verklaard doordat de thuliumatomen in een glassamenstelling op een groot aantal energetisch verschillende posities aanwezig zijn. Door stralingsloze processen, in de Figuur aangeduid met de pijl 14, valt het elektron terug naar het 3F4 niveau. Het is gebleken dat dergelijke stralingsloze processen in glassamenstellingen op basis van zwaarmetaalfluoriden in de juiste mate optreden. Enerzijds wordt het 3F^ voldoende snel gevuld vanuit de hogere energieniveau's 3F2 en 3F3. Anderzijds wordt dit niveau niet te snel weer leeggemaakt door volgende stralingsloze processen naar de lagere energieniveau's 3H5 en daaronder. Vanuit het 3F^ niveau wordt het aangeslagen elektron m een tweede absorptiestap 15 naar het 'D2 niveau gebracht, waarvoor evenals in de eerste stap licht met een golflengte van 640 tot 700 nm geschikt is. Vanuit deze toestand kan het elektron O , . .

terugvallen naar het H^ niveau onder uitzending van een foton van 450 nm. Deze stap is in de Figuur aangegeven met pijl 16. Omdat het elektron daarbij niet terugvalt in de grondtoestand is laserwerking op eenvoudige wijze te realiseren.

De uitvinding verschaft de mogelijkheid om continue laserwerking te verkrijgen. Als de toegepaste pomplaser licht met een golflengte tussen 640 en 665 nm uitzendt, kunnen de elektronen vanuit het 3H^ niveau efficiënt worden overgebracht naar het ^ niveau, zie pijl 17, van waaruit de elektronen terugvallen naar de grondtoestand Hg, zie pijl 18, onder uitzending van een foton van 470 nm. Door dit proces wordt het niveau leeggemaakt, waardoor de relatief lange levensduur van elektronen in het 3H4 niveau (1 ms) geen belemmering meer vormt voor continue laserwerking. De bezetting van het 1D2 niveau kan permanent groter zijn dan die van het 3Η^ niveau.

Een andere methode om de levensduur van elektronen in het

O

niveau te verkorten, bestaat daaruit dat de glassamenstelling wordt gedoteerd met Tb en/of Pr, naast het al aanwezige Tm. Door energieoverdracht van thuliumatomen naar terbiumatomen of praseodymiumatomen wordt het terugbrengen van elektronen naar de grondtoestand bevorderd. De kleinste werkzame hoeveelheid van deze doteringen bedraagt ongeveer 0.01 mol %. Hoeveelheden groter dan 1 mol % dragen niet bij aan een verbeterd resultaat en veroorzaken leging van het 1D2 niveau door absorptie. Het in Figuur 2b met de pijlen 17 en 18 aangegeven proces en de toevoeging van Tb en/of Pr kunnen zowel afzonderlijk als gelijktijdig worden toegepast om ervoor te zorgen dat het 3H4 niveau leeggemaakt wordt.

Figuur 3 toont emissiespectra, waarin de intensiteit I in afhankelijkheid van de golflengte λ van het uitgezonden licht is weergegeven. Er werd gemeten aan een blokje glas met de samenstelling zoals eerder aangegeven voor het kernmateriaal van de glasvezel 5, onder bestraling met een kryptonlaser.

De curve 20 is gemeten bij bestraling met licht met een golflengte van 676 nm. De piek bij 450 nm wordt veroorzaakt door de overgang van ^ naar H^, de piek bi] 470 nm door de overgang 1 3 van G4 naar Hg. De curve 21 is gemeten bij bestraling met licht met een golflengte van 647 nm. De piek bij 470 nm is verhoudingsgewijs sterk toegenomen ten opzichte van die in curve 20, waaruit blijkt dat bestraling met licht met een golflengte van 647 nm efficiënt bijdraagt aan het leegmaken van het niveau.

Om vast te stellen welke hoeveelheden TmF3 in de zwaarmetaalfluoride glassamenstelling geschikt zijn voor het verkrijgen van upconversie, werd een blokje glas bestraald met licht van 700 nm.

Bij deze golflengte is er nauwelijks excitatie van het naar het G4 niveau. De samenstelling van het glasblokje was 53 mol % ZrF^, 20 mol % BaF2, 3 mol % AlFj, 20 mol % NaF, (4 - x) mol % LaF3 en x mol % TmF3, waarin x de waarden had zoals aangegeven in de volgende tabel. In de tabel is I de relatieve effectiviteit van het upconversie proces waarbij blauw licht met een golflengte van 450 nm wordt verkregen.

Tabel.

x I

0.05 0.4 ±0.1 0.10 0.35 ±0.05 0.11 0.35 ± 0.05 0.23 0.22 ± 0.05 0.70 0.04 ± 0.02 1.00 0.02 ± 0.01 8.00 0.01 ± 0.01

Uit de tabel blijkt dat als gevolg van het optreden van crossrelaxatie de effectiviteit van het upconversieproces sterk afneemt boven ongeveer 0.5 mol % TmF3, en vanaf ongeveer 1 mol % een nauwelijks bruikbare waarde heeft. De ondergrens van de geschikte hoeveelheid TmF-j wordt bepaald door de benodigde absorptielengte, die bij 0.01 mol % T111F3 ongeveer 1 meter kan bedragen.

Claims

1. Inrichting voor het opwekken van blauw laserlicht met een golflengte van 445 tot 455 nm door middel van een upconversie proces, met een pomplaser en een trilholte, welke trilholte een fluoridehoudend materiaal met driewaardige thuliumionen omvat, met het kenmerk, dat het fluoridehoudende materiaal een glassamenstelling uit zwaarmetaalfluoriden is, en dat een enkele pomplaser wordt toegepast, welke pomplaser licht met een golflengte van 640 tot 700 nm uitzendt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de toegepaste pomplaser licht met een golflengte van 640 tot 665 nm uitzendt.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de pomplaser een halfgeleiderlaser is.

4. Inrichting volgens een der conclusies 1 tot en met 3, met het kenmerk, dat de trilholte een glasvezel omvat, met een kern uit een glassamenstelling uit zwaarmetaalfluoriden, en met een mantel met een lagere brekingsindex dan de kern.

5. Inrichting volgens een der conclusies 1 tot en met 4, met het kenmerk, dat de glassamenstelling 0.01 tot 1 mol % thuliumfluoride TmF-j bevat.

6. Inrichting volgens een der conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat de glassamenstelling bovendien terbiumfluoride TbFj en/of praseodymiumfluoride PrF3 bevat, in een totale hoeveelheid van 0.01 tot 1 mol %.

7. Werkwijze voor het opwekken van blauw laserlicht door middel van een upconversie proces, onder toepassing van een pomplaser en een trilholte, welke trilholte een fluoridehoudend materiaal met driewaardige thuliumionen omvat, met het kenmerk, dat als fluoridehoudend materiaal een glassamenstelling uit zwaarmetaalfluoriden wordt gekozen, en dat met een enkele pomplaser licht met een golflengte van 640 tot 700 nm wordt ingestraald onder verkrijging van laserlicht met een golflengte van 445 tot 455 nm.

8. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat met de pomplaser licht met een golflengte van 640 tot 665 nm wordt ingestraald, en dat het verkregen laserlicht continu is.