DE2032737C3

DE2032737C3 - Mit Nd tief 2 O tief 3 dotiertes Lasersilikatglas mit einem Wärmeausdehungskoeffizienten, der kleiner als 65 mal 10 hoch -7 / Grad C im Temperaturbereich von 0 bis 300 Grad C ist

Info

Publication number: DE2032737C3
Application number: DE19702032737
Authority: DE
Inventors: Haynes Alexander Sylvania Ohio Lee Jun. (V.St.A.)
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Filing date: 1970-07-02
Publication date: 1976-03-04

Description

2. L^iersilikatglas nach Anspruch 1, gekenn- as Die Erfindung betrifft ein mit Nd₂O₃ dotiertes

zeichnet durch die folgende Zusammensetzung: Lasersilikatglas.

Bestandteil Gewichtsprozent Bei ^der Herstellung von Lasergläsern handelt es sich

SiO₂ 65,4

Bestandteile
SiO₂ ....
Nd₂O₃ ...
Na₂O ...

ZrO₂

MgO

Al₂O₃

70 1

10 5

10 4

Nd₂O₃ 2,0

CaO.

BaO

ZrO₂

Li₂O

Al₂O₃

ZnO.

2,7 1,8 2,0 3,9 20,9 1,3

3. Lasersilikatglas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

Bestandteil Gewichtsprozent

SiO₂ .
Nd₂O.
BaO .
ZrO₂ .
TiO₂ .
Li₂O .
Al₂O₃.

63,4 4,0 4,0 2,0 1,8 3,9

20,9

4. Lasersilikatglas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch dij folgende Zusammensetzung:

Bestandteil

SiO₂

Nd₂O₃

ZrO₂

TiO₂

Li₂O

Al₈O₃,

5. Lasersilikatglas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

Bestandteil
SiO₂ ....
Nd₂O₃ ...

CaO

Na₂O ...
Li₂O ....
Al₂O₃....
ZnO

nicht um ein reines Glasproblem, das sich in der einfachen Auswahl eines Grundglases mit den gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaftein als Wirtsglas für eine geeignete laseraktive Substanz erschöpft, da die verschiedenen das Grundglas aufbauenden Oxide das Termschema des Neodyms als eigentliche Lasersubstanz entscheidend beeinflussen können.

An ein Laserglas sind folgende Grundforderungen zu stellen: gute optische Eigenschaften, große Quanten-Wirksamkeit für die Konversion des absorbierten Pumplichts in Fluoreszenzlicht, breite Absorptionsbanden, um so viel Pumplicht wie möglich zu absorbieren, und ein großer Verstärkungskoeffizient. Die optischen Eigenschaften werden entscheidend durch einen niedrigen Wärmekoeffizienten gestimmt. Der größte Teil Pumplichtes geht in dem Laserglaskörper als Wärme verloren.

Nur ein geringer Teil der von der Pumplichtquelle ausgesandten Energie wird von dem Lasermaterial derart absorbiert, daß es als Fluoreszenzlicht abgestrahlt werden kann. Wegen der großen Wärmeauf-Gewichtsprozent 5° nähme können nur solche Lasergläser verwendet werden, die einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei einem großen Wärmeausdehnungskoeffizienten kann sich der Brechungsindex in dem aus dem Laserglas hergestellten Glaskörper ändern; 55 darüber hinaus kann der Laserglaskörper zerbrechen oder sich zumindest verbiegen oder seine Endfläche»! können deformieren, d. h., aus den üblicherweise planen Endflächen des zylindrischen Glaskörpers werden Linsenflächen, so daß eine genaue Justierung der 6o Laseranordnung nicht möglich ist.
Gewichtsprozent Die Laserwirksamkeit wird durch die sogenannte

. 80 Verweilzeit im angeregten Zustand (Fluoreszenzlebens-

. 1 dauer) bestimmt, und zwar ist die Laserwirksamkeit

5 im wesentlichen umgekehrt proportional zur Fluores-

. 3 65 zenzlebensdauer. Auch muß bei der Herstellung des

. 5 Laserglases die Arbeitsweise der Laseranordnung, in

. 5 der das Glas eingesetzt werden soll, berücksichtigt

1 werden.

54,2 2,0 2,0 1,8 5,5

34,5

3 4

Es sind Gläser bekannt, die einen niedrigen Wärme- plied Physics Letters«, Volume 5 [1964], S. 220 bis 222),

ausdehnungskoeffizienten aufweisen. So ist aus der bei dem ein Li₂O-MgO-Al₂O₃-SiO₂-Grundglas gleich-

CH-PS 415 981 ein Glas für die Herstellung von Glas- zeitig mit Ce und Yb dotiert ist.

fäden der folgenden Zusammensetzung bekannt: 55 Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein

bis 85 Gewichtsteile SiO₂, 10 bis 35 Gewichtsteile 5 Lasersilikatglas der vorstehend genannten Art zu

Al₂O₃ und 4 bis 25 Gewichtsteile MgO. Aus der DT-OS schaffen, das eine gute Laserwirksamkeit und trotzdem

14 96 489 ist ein Glas mit niedrigem Wärmeausdeh- einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf-

nungskoeffizienten der folgenden Zusammensetzung weist.

bekannt: 45 bis 82 Gewichtsprozent SiO₂, 2 bis 25 Ge- Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des

wichtsprozent Li₂O und 10 bis 36 Gewichtsprozent io vorstehend genannten Hauptanspruchs aufgeführten

Al₂O₃. Dieses Glas wird als Grundglas für die Her- Merkmale gelöst.

stellung von Glaskeramiken eingesetzt. Ein Hinweis Mit den beanspruchten Lasersilikatgläsern, deren auf den Einsatz des Grundglases als Wirtsgias für eine Grundgläser auf einem SiO₂ - Al₂O₃ - Li₂O - bzw. laseraktive Substanz findet sich nicht. SiO₂ - Al₂O₃ - MgO-System basieren, wird sowohl Es ist aber ein Nd₂O₃ dotiertes Lasersilikatglas be- 15 eine gute Laserwirksamkeit als auch der niedrige kannt (GB-PS 1111 857), in das für die Erreichung Wärmeausdehnungskoeffizient erreicht, der weit hoher Fluoreszenzlebensdauern schwere einwertige unter dem mit dem bekannten Lasersilikatglas erreich-Alkali-Ionen eingebaut sind. Das Lasersilikatglas ist baren Wärmeausdehnungskoeffizienten liegt. Dadurch ein Glas auf der Basis SiO₂ — Na₂O — K₂O mit der wird für den aus dem Lasersilikatglas gefertigten Glasfolgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent: 20 körper eine hohe Lebensdauer erreicht, da kaum

Wärmerisse und Brüche auftreten; darüber hinaus wird eine Verformung sowohl längs des Umfangs als auch

SiO₂ 53—73 an den Endflächen der Laserglasstäbe vermieden.

Na₂O 3—20 Die Wärmefestigkeit wird in erster Linie durch die

K₂O 5—23 35 hohe Zugabe an Al₂O₃ erreicht, währt.id die Einstellung

Li₂O O— 3 der gewünschten Fluoreszenzeigenschaften durch die

BaO 0—12 hohen Zugaben von LiO₂ oder MgO zu dem Teil-

Sb₂O₃ 0—2 system SiO — Al₂O₃ erfolgt, fußend auf der Erkennt-

Al₂O₃ O— 3 nis, daß die Fluoreszenzeigenschaften im wesentlichen

B₂O₃ O— 3 30 alleine durch die unteischiedlichen Beimengungen von

ZnO O— 7 Alkali- oder Erdalkalianteilen bestimmt werden.

Nd₂O₃ 1— 8 Vorzugsweise liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 40 bis 60· 10"'⁰C.

Die Menge Neodymoxids, die in das Grundglas ein-

Der hohe Gehalt an K-Ionen beeinflußt den ther- 35 gearbeitet wird, ist nicht kritisch, liegt aber im allge-

mischen Ausdehnungskoeffizienten und den physi- meinen im Bereich von etwa 1 bis 4 Gewichtsprozent

kalisch-chemischen Widerstand des Grundglases ent- und kann bis zu etwa 8 Gewichtsprozent betragen,

scheidend. Daher weist dieses Lasersilikatglas einen Wie au3 dem vorstehend genannten Hauptanspruch

sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Be- hervorgeht, kann das beanspruchte Lasersilikatglas

reich von 96 bis 124 · 10"'⁰C auf, so daß das Grund- 40 auch CaO, ZrO₂ und TiO₂ enthalten, was bei dem aus

glas thermisch wenig belastbar ist, da die maximale der GB-PS 1111 857 nicht der Fall ist; mit der Zugabe

Temperaturbelastung eine inverse Funktion des der vorstehend aufgeführten Elemente können aber

Wärmeausdehnungskoeffizienten ist. Bei dem bekann- verschiedene physikalische oder chemische Charakte-

ten Glas sollen Al₂O₃, B₂O₃ und Li₂O nur im Bereich ristika des Lasersilikatglases beeinflußt werden,

von O bis 3 Gewichtsprozent eingesetzt werden, weil +5 Vorzugsweise werden im Falle b) des vorstehenden

sie die Fluoreszenzlebensdauer verkleinern, während Hauptanspruchs MgO, CaO, BaO und Na₂O in einer

die anderen einwertigen Alkali-Ionen die Fluoreszenz- solchen Menge eingesetzt, daß sie zusammen minde-

lebensdauer verlängern und damit die Laserwirk- stens etwa 19 Gewichtsprozent ausmachen,

samkeit verringern. Das bekannte Glas braucht aber Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte

weder Lithium- noch Aluminium-Ionen zu enthalten. 50 Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen Laser-

Bei dem bekannten Glas soll nicht nur eine Ernied- silikatglases.

rigung der Fluoreszenzdauer vermieden werden, son- Im folgenden werden Beispiele für Glaszusammen» dem vielmehr soll diese erhöht werden, weil das be- Setzungen der Gruppe a) (SiO₂ — Al₂O₃ — LiO₂) und kannte Laserglas für das sogenannte ß-switching(Schal- der Gruppe b) (SiO₂ — Al₂O₃ — MgO) angegeben, tung der Güte Q des Resonators) geeignet sein soll. Da- 55 Bei der Herstellung der Gläser werden analysenreine bei erleichtert eine große Fluoreszenzdauer die Er- Rohmaterialien eingesetzt. Diese Rohmaterialien könzeugung einheitlicher Impulse, weil dann ein größerer nen Oxide, Carbonate u. dgl. sein. Diese Komponenten Zeitraum für die Schaltvorgänge im Resonator zur werden miteinander vermischt, und das Nedymoxid Verfügung steht. Wegen der hohen Fluoreszenzlebens- wird in der durch Erhitzung entstehenden Schmelze dauer ist aber die Laserwirksamkeit selbst sehr klein. 60 dispergiert. In dieser Schmelze können auch kleinere Auch ist aus der GB-PS ablesbar, daß der sowieso schon Mengen anderer Bestandteile vorliegen, vorausgesetzt, hohe Wärmeausdehnungskoeffizient durch die Erhö- daß ihre Anwesenheit sich auf die gewünschten Eigenhung der Zugabe von AI₁₁O₃ und Li₂O noch weiter er- schäften des Endproduktes nicht schädigend auswirkt, höht wird. Es findet sich also in dieser Druckschrift Es ist wichtig, daß der Eisengehalt im Nd₂O₃ dotierten kein Hinweis darauf, wie ein vergleichsweise geringer 65 Lasersilikatglas sehr niedrig gehalten wird, da das FeO Wärmeausdehnungskoeffizient bei gleichzeitiger kurzer eine Absorptionsbande hat, welche die Laserwellen-Fluoreszenzlebensdauer erreichbar ist. länge des Neodyms von 1,06 μπι überschneidet. Der Schließlich ist ein Lasersilikatglas bekannt (»Ap- Eisengehalt in den in den nachfolgenden Beispielen

aufgeführten Lasersilikatgläsern lag etwa bei 25 bis 50 ppm Fe₂O₃. Die tolerierbare obere Grenze liegt wahrscheinlich bei etwa 100 ppm Fe₂O₃.

Aus der Schmelze von hoher optischer Qualität wurden nach dem Kühlen derselben zylindrische Stäbe mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Länge von 101,6 mm hergestellt. Die Stirnflächen dsr Stäbe wurden auf genaue Abmaße geschliffen und poliert. Danach wurden die Stäbe in eine Laser-Anordnung eingebaut und in dieser hinsichtlich ihrer Lasereigenschaften überprüft. Der gemessene lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der beispielhaften Lasersilikatgläser lag in dem Temperaturbereich von 0 bis 300 C unter 65 · 10-'/°C

Tabelle der Beispiele für die Gruppe a)

Bestandteil I II

(Gewichtsprozent) III

IV

SiO₂	65,4	63,4	54,2	80
Nd₂O₃	2,0	4,0	2,0	1
CaO	2,7		—	5
BaO	1,8	4,0		—
Na₂O				3
ZrO₈	2,0	2,0	2,0	—
TiO₂		1,8	1,8	—
Li₂O	3,9	3,9	5,5	5
Al₂O₃	20,9	20,9	34,5	5
ZnO	1,3	—	—	1

Tabelle der Beispiele für die Gruppe b)

Bestandteile

(Gewichtsprozent)

VI

SiO₂	59,0	70
Nd₂O₃	2,0	1
CaO	5,5	—
BaO	10,0	—
Na₂O	__	10
ZrO_a		5
TiO₂		—
MgO	4	10
Al₂O₃	19	4

Claims

6. Lasersilikatglas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung: Gewichtsprozent 59,0 2,0 5,5 10,0 Bestandteil SiO2 ... Nd2O3 . CaO BaO MgO Al2O3 7. Lasersilikatglas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung: Gewichtsprozent Patentansprüche:

1. Mit Nd₂O₃ dotiertes Lasersilikatglas, gekennzeichnet durch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der kleiner als 65 · 10~'°C im Temperaturbereich von O bis 30O⁰C ist, und folgende Zusammensetzungen in Gewichtsprozent aufweist:

SiO₂ 54—80

Nd₂O₃ 1—8

CaO 0—5,5

BaO 1—10,0

Na₂O 0—10

ZrO₂ 0—5

TiO₂ 0—1,8

sowie entweder

a) Li₂O 3,9—5,5

Al₂O₃ 4—34,5

ZnO 0—1,3

oder

b) MgO 4—10

Al₂O₃ 4—20