DE19610433A1 - Luminescent glass used e.g. as laser material - Google Patents
Luminescent glass used e.g. as laser materialInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft lumineszierende Gläser, die insbesondere für Anwendungen in der Optik, der integrierten Optik, der Optoelektronik und der Lasertechnik anwendbar sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to luminescent glasses, in particular for applications in optics, integrated optics, optoelectronics and laser technology are applicable, according to the preamble of claim 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung dieser Gläser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The invention further relates to a process for the preparation of these glasses according to the preamble of claim 6.
Die Erfindung betrifft weiterhin Anwendungen dieser Gläser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The invention further relates to applications of these glasses according to the The preamble of claim 11.
Die Möglichkeit der Erzeugung von Laserstrahlung mittels Selten-Erdion (SE)-do tierter Gläser ist seit 1961 bekannt (E. Snitzer; Optical Maser Action of Nd3+ in a Barium Crown Glass, Phys. Rev. Lett. 7, 444-446 (1961)). Ferner ist bekannt, daß die Selten-Erdionen in Gläsern - im Gegensatz zu SE-dotierten Kristallen - eine inhomogene Platzverteilung besitzen (J. Wong, C.A. An gell; Glass - structure by spectroscopy Marcel Dekker (1976)). Naturgemäß zeigen daher die SE-Absorptions- bzw. Emissionsübergänge eine inhomogene Verbreiterung (M.J. Weber (ed.); CRC Handbook of Laser Science and Technology, Vol. IV, Optical Materials, CRC Press Boca Raton, FL (1986)). Dies führt wiederum zu kleineren stimulierten Emissionsquerschnitten und höherer Laserschwelle in Gläsern. Unter speziellen Umständen kann dieser Nachteil aber auch genutzt werden: eine breite inhomogene Laserlinie dient der Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse hoher Pulsleistung (W. Koechner; Solid-State Laser Engineering, Springer New York (1992). The possibility of generating laser radiation by means of rare earth ion (SE) -doped glasses has been known since 1961 (E. Snitzer, Optical Maser Action of Nd 3+ in a Barium Crown Glass, Phys., Rev. Lett., 7, 444-446 (1961)). Furthermore, it is known that the rare earth ions in glasses - in contrast to SE-doped crystals - have an inhomogeneous space distribution (J. Wong, CA Anglel, Glass-structure by spectroscopy Marcel Dekker (1976)). Naturally, the SE absorption transitions show inhomogeneous broadening (MJ Weber (ed.); CRC Handbook of Laser Science and Technology, Vol. IV, Optical Materials, CRC Press Boca Raton, FL (1986)). This in turn leads to smaller stimulated emission cross sections and higher laser threshold in glasses. However, under special circumstances, this disadvantage can also be exploited: a broad inhomogeneous laser line is used to generate ultrashort laser pulses of high pulse power (W. Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer New York (1992).
Gläser besitzen eine geringere Wärmeleitung als Kristalle, so daß Glaslaser üblicherweise nur im Impulsbetrieb eingesetzt werden können. Anderenfalls besteht die Gefahr des thermisch-mechanischen Bruchs. In Abhängigkeit von der Anregungsintensität, von der Pumpgeometrie und unter anderem von den jeweiligen Kühlungsbedingungen werden typischerweise Impulsfolgefrequenzen nicht größer etwa 10 Hz erreicht. Es muß gewährleistet werden, daß der nicht als Laserenergie verwendbare Anteil der Anregungsenergie (Verlustwärme durch strahlungslose Deaktivierung) an das umgebende Medium abgegeben werden kann. Zum Beispiel spezielle Er3+-Glaslaser können auch kontinuierlich (cw) betrieben werden, wenn die strahlungslosen Deaktivierungsprozesse minimiert (D. Ehrt, W. Seeber, E. Heumann, M. Ledig; Sensibilisierte Erbiumgläser hoher Effizienz für die Lasertechnik, Patent DD 2 62 018 A1) und die Wärmeabführung optimiert ist. Auch ist z. B. der geringe Quantendefekt des Yb3+-Lasers (Absorptionsbande um 970 nm, Emissionsbande um 1040 nm) gut bekannt und wurde jüngst zur Realisierung effizienter Yb-Laser auf der Basis von Fluorapatit-Kristal len genutzt. (Z.B. L.D. DeLoach, S.A. Payne, L.K. Smith, WL. Kway and WF. Krupke; J. Opt. Soc. Am. B. 11 (1994) 269 und S.A. Payne, L.K. Smith, L.D. DeLoach, WL. Kway, J.B. Tassano and WF. Krupke; IEEE J. Quantum Eectron. QE-30 (1994) 170). Die Herstellung dieser Kristalle in hoher optischer Qualität und in Volumina < 1 cm³ bereitet Probleme. Bisher veröffentlichte Experimente nennen Kristallabmessungen < 1 cm (z. B. S.A. Payne, L.K. Smith, L.D. DeLoach, W.L. Kway, J.B. Tassano and W.F. Krupke; IEEE J. Quantum Eectron. QE-30 (1994) 170). Außerdem ist üblicherweise die Bearbeitung von Kristallen schwieriger als die von Gläsern. Laseraktivität bei Raumtemperatur wurde beispielsweise in Yb-dotierten Phosphatgläsern gezeigt (U. Griebner, R. Koch, H. Schönnagel, S. Jiang, M.J. Myers, D. Rhonehouse, S.J. Hamlin, W.A. Clarkson, D. C. Hanna; Laser performance of new ytterbium doped phosphate laser glass, ASSL 1996).Glasses have a lower heat conduction than crystals, so that glass lasers can usually only be used in pulse mode. Otherwise there is a risk of thermal-mechanical fracture. Depending on the excitation intensity, on the pump geometry and among other things on the respective cooling conditions, pulse repetition frequencies of not greater than approximately 10 Hz are typically achieved. It must be ensured that the portion of the excitation energy which can not be used as laser energy (loss heat due to radiationless deactivation) can be released to the surrounding medium. For example, special Er 3+ glass lasers can also be operated continuously (cw) if the non-radiative deactivation processes are minimized (Ehrt, W. Seeber, E. Heumann, M. Ledig, Sensitized Erbium Glasses of High Efficiency for Laser Technology, Patent DD 2 62 018 A1) and the heat dissipation is optimized. Also, z. For example, the low quantum defect of the Yb 3+ laser (absorption band around 970 nm, emission band around 1040 nm) is well known and has recently been used to realize efficient Yb lasers based on fluoroapatite crystals. (ZBLD DeLoach, SA Payne, LK Smith, WL, Kway and WF, Krupke, J. Opt Soc, Am. B. 11 (1994) 269 and SA Payne, LK Smith, LD DeLoach, WL Kway, JB Tassano and others WF Krupke, IEEE J. Quantum Eectron, QE-30 (1994) 170). The production of these crystals in high optical quality and in volumes <1 cm³ causes problems. Experiments published so far mention crystal dimensions <1 cm (e.g., BSA Payne, LK Smith, LD DeLoach, WL Kway, JB Tassano and WF Krupke, IEEE J. Quantum Eectron, QE-30 (1994) 170). In addition, the processing of crystals is usually more difficult than that of glasses. Laser activity at room temperature has been demonstrated, for example, in Yb-doped phosphate glasses (U. Griebner, R. Koch, H. Schonnagel, S. Jiang, MJ Myers, D. Rhonehouse, SJ Hamlin, WA Clarkson, DC Hanna, Laser performance of new ytterbium doped phosphate laser glass, ASSL 1996).
In diesen Materialien wurde als bisher höchster differentieller Wirkungsgrad 43% bei einer Schwelle von ca. 190 mW erreicht. Phosphatgläser zeigen allerdings naturgemäß eine verstärkte Neigung OH-Baugruppen einzubauen, die bekanntermaßen lumineszenzlöschende Eigenschaften besitzen. Bedingt durch eine vorteilhafte Fasergeometrie konnte mittels Yb-dotierter Silicatglasfasern 77% differentieller Wirkungsgrad erzielt werden (D.C. Hanna, R.M. Percival, I.R. Perry, G.S. Smart, P.J Suni and A.C. Tropper; J. Mod. Opt. 37 (1990)), die Einkopplung von Anregungslicht in die Faser ist jedoch kompliziert und die erreichbare Laserausgangsleistung begrenzt. In these materials, the highest differential efficiency so far was 43% reached at a threshold of about 190 mW. Phosphate glasses, however, show naturally an increased tendency to incorporate OH assemblies, the are known to have luminescence quenching properties. Due an advantageous fiber geometry could be achieved by means of Yb-doped silicate glass fibers 77% differential efficiency (D.C. Hanna, R. M. Percival, I. R. Perry, G. S. Smart, P.J Suni and A.C. Tropper; J. Mod. Opt. 37 (1990)), the coupling However, excitation light in the fiber is complicated and achievable Laser output limited.
In Fluorid-Phosphatgläsern wurden bei Anregung mittels Ti-Saphirlaser und 3% Auskopplung ca. 41% differentieller Wirkungsgrad bei Schwellenenergien um 145 mW erreicht (E. Mix, E. Heumann, G. Huber, D. Ehrt, W Seeber; Adv. Solid-State-Lasers, Memphis, TN, Tech. Dig., WB 5-1 (1995) 230).In fluoride-phosphate glasses, when excited by Ti-sapphire laser and 3% Output approx. 41% differential efficiency at threshold energies around 145 mW (E.Mix, E. Heumann, G. Huber, D. Ehrt, W Seeber, Adv. Solid State Lasers, Memphis, TN, Tech. Dig., WB 5-1 (1995) 230).
Durch Reduzierung des Phosphatgehalts in diesen Gläsern konnte der Wirkungsgrad in einem Glas mit 2 Mol-% Phosphat auf ca. 55% erhöht werden. Der reduzierte Phosphatgehalt verschlechterte jedoch die Glasbildungstendenz und die optische Qualität. Außerdem wurde ein Anstieg der Schwellenenergie auf ca. 230 mW beobachtet.By reducing the phosphate content in these glasses, the Increased efficiency in a glass with 2 mol% of phosphate to about 55%. However, the reduced phosphate content deteriorated the glass formation tendency and the optical quality. There was also an increase in threshold energy 230 mW observed.
Der Einfluß der konkreten lokalen Struktur eingebauter Selten-Erdionen, das heißt deren ersten und zweiten Koordinationssphäre, auf die Lage von Energieniveaus, Übergangswahrscheinlichkeiten sowie letztlich auf Lasereigenschaften war und ist Gegenstand intensiver Forschung (z. B. S.E. Stokowski, R.A. Saroyan and M.J. Weber; Nd-doped laser glasses/Spectroscopic and physical properties, LLL University of California, Livermore (1981) und L.D. De Loach, S.A. Payne, L.L. Chase, L.K. Smith, W.L. Kway and W.F. Krupke; IEEE J. Quantum Electron. QE-29 (1993) 1179). So wird die elektronische Lage des terminalen Yb-Laserniveaus in Fluorapatitkristallen in Zusammenhang mit Elektron-Phonon-Wechselwirkungsprozessen unter Einbeziehung geeigneter Phononen gebracht. Über eine Variation der Lokalstruktur von Fluorid-Phosphat gläsern mit dem Ziel einer effektiven Ankopplung von Phononen an die elektronischen Übergänge, speziell des Ytterbiumions, gibt es jedoch keine Hinweise.The influence of the concrete local structure of built-in rare-earth ions, the their first and second coordination sphere is called the position of Energy levels, transition probabilities and ultimately on Laser properties have been and are the subject of intensive research (eg S.E. Stokowski, R.A. Saroyan and M.J. Weber; Nd doped laser glasses / Spectroscopic and physical properties, LLL University of California, Livermore (1981) and L. D. De Loach, S.A. Payne, L.L. Chase, L.K. Smith, W.L. Kway and W.F. Krupke; IEEE J. Quantum Electron. QE-29 (1993) 1179). That's the electronic situation of terminal Yb laser level in fluoroapatite crystals Electron-phonon interaction processes involving appropriate Brought phonons. About a variation of the local structure of fluoride phosphate glasses with the aim of an effective coupling of phonons to the However, there are no electronic transitions, especially the ytterbium ion Hints.
Es ist z. B. gemäß DE-OS 36 34 676 bekannt, Spezialgläser auf Fluorid-Phosphat-Ba sis herzustellen. Diese Gläser sind durch Brechzahlen ne = 1,47-1,50 sowie Abbe-Zahlen νe = 85-80 gekennzeichnet und wurden mit dem Ziel einer extremen optischen Lage im ne-νe-Diagramm entwickelt. Eine gezielte Variation der Lokalstruktur zur Verbesserung von Lumineszenz- bzw. Lasereigenschaften dieser Gläser ist nicht erfolgt.It is Z. B. according to DE-OS 36 34 676 known to produce special glasses on fluoride-phosphate Ba sis. These glasses are characterized by refractive indices n e = 1.47-1.50 and Abbe numbers ν e = 85-80 and were developed with the goal of an extreme optical position in the n e -ν e diagram. A targeted variation of the local structure to improve the luminescence or laser properties of these glasses has not occurred.
Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung von lumineszierenden Ytterbiumgläsern hoher Effizienz für die Optik, integrierte Optik, Optoelektronik und Lasertechnik, die auch als kompakte aktive Materialien bei Raumtemperatur, sowohl im Impuls- als auch im kontinuierlichen (cw) Betrieb eingesetzt werden können und die einen breiten Durchstimmbereich der Laserwellenlänge gewährleisten. Sie sollen ökonomisch günstig und in guter Qualität herstellbar sein. Ihre Anwendung soll auf verschiedensten Gebieten der Naturwissenschaft und Technik Vorteile bringen.The object of the invention is the development of luminescent Ytterbium glasses of high efficiency for optics, integrated optics, optoelectronics and laser technology, also known as compact active materials at room temperature, can be used both in pulse and in continuous (cw) operation can and do a wide tuning range of the laser wavelength guarantee. They should be economically cheap and produced in good quality his. Their application is intended in various fields of science and technology bring benefits.
Insbesondere sollen für die Lasertechik Gläser entwickelt werden, die den Vorteil einer angepaßten Elektron-Phonon-Wechselwirkung eingebauter Selten-Erdionen mit den Vorzügen eines optimierten Glassystem verbinden.In particular, glasses are to be developed for laser technology, which has the advantage of an adapted electron-phonon interaction of incorporated rare earth ions connect with the benefits of an optimized glass system.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem lumineszierenden Glas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 1.According to the invention, the object with a luminescent glass with the Characteristics of claim 1 solved. The dependent claims 2 to 5 are advantageous Embodiments of the main claim 1.
Die Erfindung des neuartigen lumineszierenden Glases beruht darauf, daß es gelungen ist, spezielle lokale Strukturen um eingebaute Ionen der Seltenen Erden - nachfolgend SE genannt - insbesondere des Ytterbiums (Yb3+), zu erzeugen, wobei diese speziellen Strukturen durch weitgehend isolierte, clusterförmige Gruppierungen tetraedrischer Anionen um die SE-Ionen erzeugt werden.The invention of the novel luminescent glass is based on the fact that it has been possible to create specific local structures around built-in rare earth ions - hereinafter referred to as SE - in particular of ytterbium (Yb 3+ ), these specific structures being largely isolated cluster-like groupings tetrahedral anions are generated around the SE ions.
Es werden Wirtsgläser verwendet, die neben Kationen und Fluoridanionen insbesondere tetraedrische Anionen besitzen, die sich um eingebaute Selten-Erd ionen, insbesondere Ytterbium (Yb3+) gruppieren, wodurch - vom übrigen Glasnetzwerk weitestgehend isolierte - Cluster entstehen. Host glasses are used which, in addition to cations and fluoride anions, have, in particular, tetrahedral anions which cluster around incorporated rare earth ions, in particular ytterbium (Yb 3+ ), forming clusters largely isolated from the remainder of the glass network.
Diese Wirtsgläser werden vorrangig aus Erdalkaliphosphaten und -fluoriden,
Aluminiumfluorid, Verbindungen der Selten-Erden sowie Verbindungen mit
tetraedrischen Anionen erschmolzen, wobei im Gemenge der Glasschmelze:
als KationenThese host glasses are primarily melted from alkaline earth phosphates and fluorides, aluminum fluoride, rare earth compounds and compounds with tetrahedral anions, with the glass melt in the mixture of:
as cations
weiterhin als Anionencontinue as anions
1-35 Mol-% in der Summe
tetraederförmige Anionen als
Phosphate, Sulfate, Vanadate, Niobate und/oder
Antimonate mit:
kleiner/gleich 15 Mol-%
in der Summe Sulfate, Vanadate,
Niobate und/oder Antimonate
und
65-99 Mol-% in der Summe Fluorid1-35 mole% in total
tetrahedral anions as phosphates, sulfates, vanadates, niobates and / or antimonates with:
less than or equal to 15 mol%
in the sum of sulphates, vanadates, niobates and / or antimonates
and
65-99 mol% in the sum of fluoride
vorliegen.available.
Es wurde festgestellt, daß der Einbau tetraederförmiger Anionen in fluoridische Glasschmelzen unter bestimmten Herstellungsbedingungen die Erzeugung spezieller lokaler Selten-Erdion-Strukturen ermöglicht. Das resultiert vor allem aus der clusterförmigen Anordnung von tetraederförmigen Anionen um Selten-Erd ionen (vergleiche schematische Darstellung in Fig. 1). Die entstehenden Gruppierungen sind weitestgehend von Gruppierungen der gleichen Art separiert. It has been found that the incorporation of tetrahedral anions into fluoride glass melts under certain manufacturing conditions allows for the creation of specific local rare earth ion structures. This results mainly from the cluster-like arrangement of tetrahedral anions around rare-earth ions (see schematic representation in Fig. 1). The resulting groupings are largely separated from groups of the same kind.
Es wurden Elektron-Phonon-Kopplungen der Schwingungen der tetraederförmigen Anionen mit elektronischen Übergängen im Selten-Erdion nachgewiesen. In Fig. 2 wird am Beispiel eines elektronischen Übergangs im Selten-Erdion Gd3+, eingebaut in Fluorid-Phosphatgläser mit unterschiedlichem Gehalt an tetraederförmigen Anionen (hier: Phosphate), die Existenz dieser Kopplungen demonstriert. Diese Kopplungen bewirken eine Verbesserung der Lumineszenz- bzw. Lasereigenschaften des Materials.Electron-phonon couplings of the vibrations of the tetrahedral anions with electronic transitions in the rare earth ion were detected. In Fig. 2, the existence of these couplings is demonstrated using the example of an electronic transition in the rare-earth ion Gd 3+ , incorporated in fluoride-phosphate glasses with different content of tetrahedral anions (here: phosphates). These couplings bring about an improvement in the luminescence or laser properties of the material.
Durch geeignete Synthesezusammensetzungen, insbesondere durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses von tetraederförmigen Anionen zur Summe der Fluoride sowie der Fluoride untereinander, gelingt der Aufbau derartiger Cluster, wobei gleichzeitig eine glasstabilisierende Wirkung durch Verminderung der Kristallisationsneigung der Fluoride eintritt. Bei einem Gehalt von in der Summe 1-25 Mol-% tetraederförmiger Anionen wird eine gute amorphe Erstarrung erreicht. Das ist auf die erfindungsgemäße Konzentration der Fluoride zueinander, den dazu passenden Einsatz von Erdalkali-, Selten-Erdion- und/oder Aluminiumphosphat sowie des Einsatzes von Erdalkalisulfat und/oder -vanadat und/oder -niobat und/oder -antimonat zurückzuführen. Als Fluoride werden vorwiegend MgF₂, CaF₂, SrF₂, BaF₂ und AlF₃ und als Verbindungen mit tetraederförmigen Anionen Strontium-, -Sulfat, -Vanadat, -Niobat, -Antimonat und/oder Metaphosphat eingesetzt. Gemäß der Erfindung können jedoch auch die Kationen von Phosphaten, Sulfaten, Vanadaten, Niobaten, Antimonaten und Fluoriden unter Beibehaltung der Mol-% ausgetauscht, sowie auch Oxide des Vanadiums, Niobiums und/oder Antimons eingesetzt werden.By suitable synthesis compositions, in particular by the choice a suitable ratio of tetrahedral anions to the sum of Fluorides and the fluorides with each other, succeed the construction of such clusters, at the same time a glass stabilizing effect by reducing the Crystallization tendency of fluorides occurs. At a salary of in total 1-25 mol% of tetrahedral anions becomes a good amorphous solidification reached. This is due to the concentration of the fluorides according to the invention to each other, the appropriate use of alkaline earth, rare earth and / or Aluminum phosphate and the use of alkaline earth sulfate and / or vanadate and / or niobate and / or antimonate. Become as fluorides predominantly MgF₂, CaF₂, SrF₂, BaF₂ and AlF₃ and as compounds with tetrahedral anions strontium, sulfate, vanadate, niobate, antimonate and / or metaphosphate. However, according to the invention, the Cations of phosphates, sulfates, vanadates, niobates, antimonates and Fluorides exchanged while maintaining the mol%, as well as oxides of Vanadium, niobium and / or antimony are used.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe weiterhin dadurch gelöst, daß nach den Schritten des Anspruchs 6 lumineszierende Gläser hergestellt werden. Die Schritte bestehen darin, daßAccording to the invention the object is further achieved in that after the steps of claim 6 luminescent glasses are produced. The Steps are that
- 1) Gemenge aus Komponenten der jeweiligen Synthesezusammensetzung werden bei Temperaturen im Bereich 400 K bis 700 K oberhalb der entsprechenden Transformations temperatur Tg vorzugsweise im Tiegel (z. B. aus Platin oder Kohlenstoff) eingeschmolzen. Der zeitlich begrenzte Einsatz von reaktiven Gasen entsprechend international bekannter RAP-Tech nologie (reactive atmospheric processing) kann vorteilhaft sein. 1) Mixtures of components of the respective synthesis composition are melted at temperatures in the range of 400 K to 700 K above the corresponding transformation temperature T g, preferably in the crucible (eg of platinum or carbon). The temporary use of reactive gases according to internationally known RAP technology (reactive atmospheric processing) may be advantageous.
- 2) Läuterung und Homogenisierung der Glasschmelze bei Temperaturen 50 K bis 150 K oberhalb der bei Schritt 1) verwendeten maximalen Temperatur.2) refining and homogenization of the glass melt at Temperatures 50 K to 150 K above at step 1) used maximum temperature.
- 3) Abkühlung der Schmelze auf Temperaturen 200 K bis 300 K oberhalb des jeweiligen Transformationspunktes.3) Cooling of the melt to temperatures of 200 K to 300 K. above the respective transformation point.
- 4) Guß des Glases in auf ca. Tg vorgewärmte Formen, die vorzugsweise aus Graphit bestehen.4) Cast the glass in preheated to about T g forms, which preferably consist of graphite.
- 5) Abkühlung der mit Glas gefüllten Formen auf Raumtemperatur.5) Cool the glass filled molds to room temperature.
- 6) In Abhängigkeit vom Glastyp kann gegebenenfalls auch ein erneutes Einschmelzen des Glases (Remelting) erfolgen.6) Depending on the type of glass may optionally also a renewed Melting of the glass (remelting) done.
- 7) Gegebenenfalls kann eine Feinkühlung der Gläser durch Erwärmung auf Temperaturen ca. 20 K über den jeweiligen Transformationspunkt, Halten dieser Temperatur für ca. 30 Minuten und kontrollierte Abkühlung mit Kühlraten < 15 K/h erfolgen.7) Optionally, a fine cooling of the glasses by Warming to temperatures about 20 K above the respective Transformation point, holding this temperature for about 30 minutes and controlled cooling with cooling rates <15 K / h.
Die Erfindung betrifft weiterhin Anwendungen der Iumineszierenden Gläser nach Anspruch 11 fürThe invention further relates to applications of the luminescent glasses Claim 11 for
- a) aktive durchstimmbare Lasermaterialien in kompakter Form (bulk-Geometrie) zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm bei Raumtemperatur,a) active tunable laser materials in a compact form (bulk geometry) for generating laser radiation in the wavelength range of about 1020 nm to 1085 nm at room temperature,
- b) aktive durchstimmbare Lasermaterialien in Faserform zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm bei Raumtemperatur,b) active tunable laser materials in fiber form for the production of Laser radiation in the wavelength range of about 1020 nm to 1085 nm at Room temperature
- c) Verstärkungsmedien für Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm, insbesondere zum Aufbau von Verstärkerketten für Riesenimpulse,c) gain media for laser radiation in the wavelength range of about 1020 nm to 1085 nm, in particular for the construction of amplifier chains for giant pulses,
- d) Medien zur Erzeugung ultrakurzer Impulse, insbesondere für Anwendungen der Kommunikationstechnik, Meßtechnik und Spektroskopie und weiterhind) media for generating ultra-short pulses, in particular for applications of communication technology, metrology and Spectroscopy and continue
- e) Medien zur optischen Kühlung von Festkörpern.e) media for the optical cooling of solids.
Die Erfindung soll nachfolgen an Hand von Figuren beschrieben werden. Es zeigen:The invention will be described below with reference to figures. It demonstrate:
Fig. 1 Schematisches Strukturmodell zur Bildung einer clusterförmigen Gruppierung aus einem Selten-Erdion (hier Yb3+) und jeweils 3 tetraederförmigen Anionen in einer fluoridischen Glasmatrix. FIG. 1 Schematic structural model for forming a cluster-like grouping of a rare earth ion (here Yb 3+ ) and in each case 3 tetrahedral anions in a fluoridic glass matrix.
Fig. 2 Nachweis von Elektron-Phonon-Kopplungen in Fluorid-Phosphat gläsern durch Aufnahme von Gd3+-Phonon-Seiten bandspektren bei Raumtemperatur. Figure 2 Detection of electron-phonon couplings in fluoride-phosphate glasses by taking up Gd 3+ -phone side band spectra at room temperature.
Fig. 3 Schwellenenergie und differentieller Wirkungsgrad verschiedener erfindungsgemäßer Gläser. Fig. 3 threshold energy and differential efficiency of various glasses according to the invention.
Fig. 4 Zusammensetzungen der Gemenge erfindungsgemäßer Gläser in Mol-Prozent und charakteristische optische Eigenschaften. Fig. 4 compositions of the mixture of glasses according to the invention in mole percent and characteristic optical properties.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Strukturmodell zur Bildung einer clusterförmigen Gruppierung aus einem Selten-Erdion 1, im Beispiel Yb3+, und jeweils drei tetraederförmigen Anionen 2, eingebettet in einer fluoridischen Glasmatrix. In Abhängigkeit von dem Ionenradius des jeweiligen Selten-Erdions 1 erfolgt aus sterischen Gründen eine Verschiebung der Tetraeder entlang der angegebenen Raumrichtungen a, b, c. Fig. 1 shows a schematic structural model to form a cluster-like array of a rare-earth ion 1, in the example Yb 3+, and three tetrahedral anions 2, embedded in a fluoridic glass matrix. Depending on the ionic radius of the respective rare earth ion 1 , a displacement of the tetrahedra along the given spatial directions a, b, c occurs due to steric reasons.
Diese Lokalstruktur des Seltenen-Erdions 1 bildet die Grundlage für wirksame Kopplungen von Schwingungen des tetraederförmigen Anions 2 mit elektronischen Übergängen am Seltenen-Erdion 1, welche für die Lichterzeugung auf Grundlage des Laser-Effekts sowie für die optische Kühlung auf Grundlage der Anti-Stokes Lumineszenz nutzbar sind.This local structure of the rare-earth ion 1 forms the basis for effective couplings of vibrations of the tetrahedral anion 2 with electronic transitions on the rare-earth ion 1 , which for the light generation based on the laser effect and for the optical cooling based on the anti-Stokes luminescence are usable.
Fig. 2 stellt den Nachweis von Elektron-Phonon-Kopplungen in Fluorid-Phosphat gläsern durch Aufnahme von Gd3+-Phonon-Seitenbandspektren bei Raumtemperatur dar. Es werden Emissionsspektren bei einer Anregungswellenlänge λexc = 273 nm gezeigt. Neben rein elektronischen Übergängen, hier im Beispiel ⁶P7/2 → ⁸S7/2 und ⁶P5/2 → ⁸S7/2 treten Phonon-Seiten banden bei etwa 323 nm auf, im Beispiel ⁶P7/2 → ⁸S7/2 + ν₃ (PO₄3-). Sie sind auf Schwingungen des PO₄-Tetraeders zurückzuführen, die aus der IR/Raman-Spektroskopie bekannt sind (G. Blasse; Vibrational Structure in the Luminescence Spectra of Ions in Solids, in Topics in Current Chemistry, 171, Springer Verlag Berlin (1994)). Fig. 2 illustrates the detection of electron-phonon couplings in fluoride-phosphate glasses by recording Gd 3+ phonon sideband spectra at room temperature. Emission spectra at excitation wavelength λ exc = 273 nm are shown. In addition to purely electronic transitions, in this example ⁶P 7/2 → ⁸S 7/2 and ⁶P 5/2 → ⁸S 7/2 , phonon sides bound at about 323 nm, in the example ⁶P 7/2 → ⁸S 7/2 + ν₃ (PO₄ 3- ). They are due to vibrations of the PO₄ tetrahedron known from IR / Raman spectroscopy (Blasse, Blase, Vibrational Structure in the Luminescence Spectra of Ions in Solids, in Topics in Current Chemistry, 171, Springer Verlag Berlin (1994). ).
Diese Phonon-Seitenbanden basieren auf der sterischen Anordnung der tetraederförmigen Anionen 2 um das Selten-Erdion 1 und auf der effizienten Ankopplung der tetraederförmigen Anionen 2 an die elektronischen Übergänge des Selten-Erdions 1. Sie sind für die Lumineszenzeigenschaften dieser Gläser maßgebend.These phonon sidebands are based on the steric arrangement of the tetrahedral anions 2 around the rare-earth ion 1 and on the efficient coupling of the tetrahedral anions 2 to the electronic transitions of the rare-earth ion 1 . They are decisive for the luminescence properties of these glasses.
In Fig. 2 sind Emissionsspektren des Glases Nr. 6 (aus Tabelle in Fig. 4) mit 20% Phosphat, des Glases Nr. 5 mit 3% Phosphat, als tetraeterförmiges Anion, und eines Fluorid-Vergleichsglases ohne Phosphatanteil dargestellt. Das Glas ohne Phosphatanteil zeigt keine Phonon-Seitenbande im Bereich um 323 nm. Die Gläser mit Phosphatanteil zeigen mit steigendem Phosphatanteil ein Anwachsen der Phonon-Seitenbande. Im Beispiel nach Fig. 2 beträgt der energetische Abstand zwischen dem elektronischen Übergang ⁶P7/2 → ⁸S7/2 und der Phonon-Seitenbande in Abhängigkeit vom Phosphatgehalt ca. 1050 cm-1 bei Glas Nr. 5 sowie ca. 1200 cm-1 bei Glas Nr. 6.In Fig. 2, emission spectra of glass No. 6 (from the table in Fig. 4) with 20% of phosphate, glass No. 5 with 3% of phosphate as a tetra-erated anion and a fluoride comparative glass without phosphate are shown. The glass with no phosphate content shows no phonon side band in the range around 323 nm. The glasses with phosphate content show an increase in the phonon side band with increasing phosphate content. In the example of FIG. 2, the energy gap between the electronic transition ⁶P 7/2 → ⁸S 7/2 and the phonon side band as a function of the phosphate content is about 1050 cm -1 for glass No. 5 and about 1200 cm -1 at glass no. 6.
Die erfindungsgemäßen Gläser besitzen gegenüber den bekannten Gläsern verbesserte Lasereigenschaften. So wurden bei Experimenten mittels Diodenanregung von Yb-dotierten Gläsern Schwellenenergien bis kleiner 80 mW sowie differentielle Wirkungsgrade bis 69% erreicht (siehe auch Fig. 3).The glasses according to the invention have improved laser properties compared to the known glasses. For example, in experiments using diode excitation of Yb-doped glasses, threshold energies of less than 80 mW and differential efficiencies of up to 69% were achieved (see also FIG. 3).
Der Umfang der Erfindung wird an den in Fig. 4 tabellarisch aufgelisteten Beispielen demonstriert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die angeführten Beispiele beschränkt. Es werden einige Zusammensetzungen der Gemenge erfindungsgemäßer Gläser in Molprozent und charakteristische optische Eigenschaften angegeben. The scope of the invention is demonstrated by the examples tabulated in FIG. 4. However, the invention is not limited to the examples given. It gives some compositions of the mixture of glasses according to the invention in mole percent and characteristic optical properties.
1 Selten-Erdion
2 tetraederförmiges Anion
a, b, c Raumrichtungen entsprechend D₃-Symmetrie 1 rare earth ion
2 tetrahedral anion
a, b, c spatial directions corresponding to D₃ symmetry
Claims (11)
- - 99,0 bis 65,0 Mol-% aus Fluoriden, vorwiegend MgF₂, CaF₂, SrF₂, BaF₂ und AlF₃ sowie aus
- - 1,0 bis 35,0 Mol-% Phosphaten erschmolzen sind und
- - die Konzentration sämtlicher eingebauter Selten-Erdionen La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm und/oder Yb kleiner/gleich 20 Mol-% ist.
- - 99.0 to 65.0 mol% of fluorides, mainly MgF₂, CaF₂, SrF₂, BaF₂ and AlF₃ and from
- - 1.0 to 35.0 mol% of phosphates are melted and
- the concentration of all incorporated rare earth ions La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and / or Yb is less than or equal to 20 mol%.
kleiner/gleich 15 Mol-% in der Summe Sulfate, Vanadate, Niobate und/oder Antimonate und
65-99 Mol-% in der Summe Fluoridvorliegen.5. Luminescent glasses according to claim 2, claim 3 and claim 4, characterized in that as cations
less than or equal to 15 mol% in the sum of sulfates, vanadates, niobates and / or antimonates and
65-99 mole% in total fluoride.
- a) Gemenge aus Komponenten der jeweiligen Synthesezusammensetzung werden bei Temperaturen im Bereich 400 K bis 700 K oberhalb der entsprechenden Transformationstemperatur Tg eingeschmolzen,
- b) Läuterung und Homogenisierung der Glasschmelze bei Temperaturen 50 K bis 150 K oberhalb der bei Schritt a) verwendeten maximalen Temperatur,
- c) Abkühlung der Schmelze auf Temperaturen 200 K bis 300 K oberhalb des jeweiligen Transformationspunktes,
- d) Guß des Glases in auf etwa Tg vorgewärmte Formen und
- e) Abkühlung der gefüllten Formen auf Raumtemperatur.
- a) mixtures of components of the respective synthesis composition are melted at temperatures in the range from 400 K to 700 K above the corresponding transformation temperature T g ,
- b) refining and homogenization of the glass melt at temperatures of 50 K to 150 K above the maximum temperature used in step a),
- c) cooling of the melt to temperatures 200 K to 300 K above the respective transformation point,
- d) casting the glass in preheated to about T g forms and
- e) cooling the filled molds to room temperature.
eine Feinkühlung der Gläser durch Erwärmung auf Temperaturen ca. 20 K über den jeweiligen Transformationspunkt, Halten dieser Temperatur für ca. 30 Minuten und kontrollierte Abkühlung mit Kühlraten < 15 K/h erfolgt.9. The method according to claim 6, characterized in that
a fine cooling of the glasses by heating to temperatures about 20 K above the respective transformation point, holding this temperature for about 30 minutes and controlled cooling with cooling rates <15 K / h.
- a) aktive durchstimmbare Lasermaterialien in kompakter Form (bulk-Geometrie) zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm bei Raumtemperatur,
- b) aktive durchstimmbare Lasermaterialien in Faserform zur Erzeugung von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm bei Raumtemperatur,
- c) Verstärkungsmedien für Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1020 nm bis 1085 nm, insbesondere zum Aufbau von Verstärkerketten für Riesenimpulse,
- d) Medien zur Erzeugung ultrakurzer Impulse, insbesondere für Anwendungen der Kommunikationstechnik, Meßtechnik und Spektroskopie, und weiterhin
- e) Medien zur optischen Kühlung von Festkörperlasern.
- a) active tunable laser materials in a compact form (bulk geometry) for generating laser radiation in the wavelength range of about 1020 nm to 1085 nm at room temperature,
- b) active tunable laser materials in fiber form for generating laser radiation in the wavelength range of about 1020 nm to 1085 nm at room temperature,
- c) amplification media for laser radiation in the wavelength range of about 1020 nm to 1085 nm, in particular for the construction of amplifier chains for giant pulses,
- d) media for generating ultrashort pulses, in particular for applications of communication technology, measurement technology and spectroscopy, and continue
- e) media for the optical cooling of solid-state lasers.
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