DE2023755A1 - Ytterbiumlaserkörper - Google Patents
YtterbiumlaserkörperInfo
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- H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium
Description
Dr. phil. G. B. HAGEN
Patentanwalt 20237
MÜNCHEN 71 (Solin)
Franz-Hals-Straße 21
Telefon 796213
AO 2704 München, den 12. Mai 1970
Dr.H./HM
American Optical Oorporati on 14 Mechanic Street
Southbridge, Massachusetts V. St. A.
Southbridge, Massachusetts V. St. A.
Ytterbiumlaserkörper
Priorität: 19, Mai 1969} V.St.A.;
U.S.Ser.Io. 825 765
3+
Die Erfindung betrifft eine Xb dotierte Laseranordnung, die eine Strahlung bei Wellenlängen unterhalb 1,06 /U bei hohen Temperaturen aussendet. Eine erfindungsgemäße Laseranordnung enthält eine zur Erzeugung einer Laserstrahlung dotierte aktive Komponente enthaltend Ytterbiumionen und eine in Nähe dazu angeordnete die Empfindlichkeit steigern- ™ de Komponente dotiert mit leodymionen.
Die Erfindung betrifft eine Xb dotierte Laseranordnung, die eine Strahlung bei Wellenlängen unterhalb 1,06 /U bei hohen Temperaturen aussendet. Eine erfindungsgemäße Laseranordnung enthält eine zur Erzeugung einer Laserstrahlung dotierte aktive Komponente enthaltend Ytterbiumionen und eine in Nähe dazu angeordnete die Empfindlichkeit steigern- ™ de Komponente dotiert mit leodymionen.
3+
Es sind mit Yb^ . dotierte Lasermaterialien bekannt. Es ist auch bekannt, doppelt dotierte Gläser enthaltend Ytterbiumlaserionen und die Empfindlichkeit steigernde leodym-Sensibilisatoren bekannt. Bei diesen bekannte*!! Laser-Festkörpern erfolgt die Laseremission mit 1,06 /U bei Raumtemperatur und geht über zu 1,015 /U bei +770K. Die Ursache für diesen Übergang, der Betriebswellenlänge von 1,06 m auf 1,015 /U liegt -strin, daß der Wirkungsgrad bei 19015/Vl ungefähr drei mal größer ist unter den angegebenen Bedingungen
Es sind mit Yb^ . dotierte Lasermaterialien bekannt. Es ist auch bekannt, doppelt dotierte Gläser enthaltend Ytterbiumlaserionen und die Empfindlichkeit steigernde leodym-Sensibilisatoren bekannt. Bei diesen bekannte*!! Laser-Festkörpern erfolgt die Laseremission mit 1,06 /U bei Raumtemperatur und geht über zu 1,015 /U bei +770K. Die Ursache für diesen Übergang, der Betriebswellenlänge von 1,06 m auf 1,015 /U liegt -strin, daß der Wirkungsgrad bei 19015/Vl ungefähr drei mal größer ist unter den angegebenen Bedingungen
009848/1641
Bayerische Vereinsbank Mttndien 820993
AO 2704 - 2 -
als bei 1,06 /u. Die 1,015 /U Emission von Ytterbium geht
im wesentlichen auf drei Energieniveaus zurück, die nahe benachbart sind dem Grundniveau, das ein Band von 0,97 /U
ist. Bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffes führt ein höherer Ausbeutungskoeffizient bei 1,015 /U zu der Laseremission
bei dieser Wellenlänge, Bei Raumtemperatur verhindert der mit der Aufteilung auf drei Niveaus verbundene
Charakter der 1,015 /U Linie die Laseremission'bis der Inversionseffekt
so hoch ist, daß infolge des niedrigeren Ausbeutungskoeffizienten bei 1,06 /u die Laseremission bei
längerer Wellenlänge stattfindet» Eine Emission bei höherer Wellenlänge wird unterstützt durch eine restliche Besetzungs-
"5+
zahl der Nd Ionen, die eine höhere Ausbeutung der beiden Ionen bei 1,06 /U zur Folge hat. Es ergibt sich so ein Wert, der größer ist als der allein bei Ytteroium auftretende Ausbeutuhgsfaktor. Die einzige bisher bekannte Anordnung, die eine 1,015 /U Ausnutzung von einem Lasermaterial mit Ytterbiumdotierung gestattet, erfordert eine Kühlung bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes von ungefähr 770K.
zahl der Nd Ionen, die eine höhere Ausbeutung der beiden Ionen bei 1,06 /U zur Folge hat. Es ergibt sich so ein Wert, der größer ist als der allein bei Ytteroium auftretende Ausbeutuhgsfaktor. Die einzige bisher bekannte Anordnung, die eine 1,015 /U Ausnutzung von einem Lasermaterial mit Ytterbiumdotierung gestattet, erfordert eine Kühlung bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffes von ungefähr 770K.
Um die Laseremission bei 1,06 /U bei Raumtemperatur zu
verhindern/ ist es wünschenswert, eine verhältnismäßig
3+
niedrige Yb Konzentration zu verwenden, beispielsweise 2 Gew.-$> des Oxides oder weniger» Bei niedrigen Konzentrationen von Yb wird die Energieübertragung von Nd auf Yb Ionen weniger wirksam, was zur !Folge hat, daß die
niedrige Yb Konzentration zu verwenden, beispielsweise 2 Gew.-$> des Oxides oder weniger» Bei niedrigen Konzentrationen von Yb wird die Energieübertragung von Nd auf Yb Ionen weniger wirksam, was zur !Folge hat, daß die
5+ Restbesetzung im erregten Zustand von Nd zusammen mit
3+
der invertierten Besetzung von Yb einen hinreichend
hohen Wirkungsgrad für 1,06 ai Wellen ergibt, so daß eine
Laseremission bei öieöer Wellenlänge eintritt. Es kann
jeclooli die anzustrebende 'verhältnismäßig niedrige Konzentration von 'Fbjv für die Emission von 1,015 /U Wellen und
/ Si
ULQT "Piia-peffski:,, bedingt durch die Anwesenheit von Id Ionen
AO 2704 . - 3 -
in zweckmäßigerweise gemäß der Erfindung so kombiniert
werden, daß die Laseranordnung aus einer aktiven Laser-
3+
komponente dotiert mit Yb in verhältnismäßig niedriger Konzentration und einer in der Nähe angeordneten Sensibili-
komponente dotiert mit Yb in verhältnismäßig niedriger Konzentration und einer in der Nähe angeordneten Sensibili-
3+ sierungskomponente dotiert mit JTd Ionen allein oder mit
3+ 3+
ITd Ionen und Yb Ionen zusammen zur Anwendung gelangt.
Eine Laseranordnung kennzeichnet sich gemäß der ErfMung
dadurch, daß zwei Komponenten, und zwar eine laseraktive Komponente enthaltend Ytterbiumlaserionen als Dotierung und λ
eine SensiMlisierungskomponente enthaltend dreiwertige Neodymionen als Dotierung oder dreiwertige Neodymionen
und dreiwertige Ytterbiumionen als Dotierung in unmittelbarer Nähe der laseraktiven Komponente angeordnet sind. Eine derartige
Anordnung erzeugt eine Laseremission der Ytterbiumionen bei Wellengängen unterhalb 1,06 /u bereits bei Raumtemperatur
von ungefähr 22 C und bei unterhalb.der Raumtemperatur liegen-'
den Temperaturen.
Die Erfindung sieht daher eine ytterbiumdotierte Laseranordnung
vor, bei der die Ytterbiumionen einen Lasereffekt bei Wellenlängen von weniger als 1,06 /u bei Raumtemperatur
aufweisen. f
Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung im
Zusammenhang mit den Figuren erörtert. Von den Figuren zeigen:
Figur 1 ein Energieniveauschema für den Energietransport
Neodym-Ytterbium;
Figur 2 eine Charakteristik der Fluoreszenz und Absorptionsintensitätsspektfen
für Ytterbium sowie des Fluoreszenzintensitätsspektrums von Neodym; -
009848/1841
AO 2704
Figur 3 eine perspektivische Anordnung einer Ausführungsform eines Laserkörpers gemäß der Erfindung;
Figur 4 eine perspektivische Darstellung eines Schnittes durch ein Lasermaterial gemäß Figur 3, wobei
der in Figur 1 dargestellte Energieübergang angegeben ist;
Figur 5 eine teilweise geschnittene perspektivische Wiedergabe einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 6 eine perspektiviaäie teilweise geschnittene
Darstellungeiner dritten Ausführungsform eines
Laserkörpers gemäß der Erfindung.
In Figur 1 ist der Energietransport von dreiwertigem Neodym auf dreiwertiges Ytterbium dargestellt. Das drei-
2 wertige Ytterbium kann von dem &rundniveau ^7/0 au^ ^as
darüberliegende Niveau Pr io von einer geeigneten Energie-
15/0
quelle gepumpt werden. Yon dem ^5/0 Niveau
quelle gepumpt werden. Yon dem ^5/0 Niveau
Ytterbiums
kann eine Laseremission in mindestens zwei Wellenlängen
erfolgen, die in Figur 1 dargestellt sindp nämlich bei
1,015 /U und 1,06 /U. Bei den bisher bekannten derartigen
Anordnungen war die Auswahl einer dieser beiden Laseremissionswellenlängen im wesentlichen durch die Temperatur
des dotierten Lasermediums bestimmt.
Um die Absorption des von der impulsmäßig betriebenen Pumplichtquelle
au erhöhen^ hat man bereits bei bekannten Anordnungen geringe Mengen Heodymionen in dem Ytterbiumionen
enthaltenden Festkörper eingebaut. Da dreiwertiges Ytterbium nicht sämtliche Wellenlängen absorbiert, die von einer
üblichen Xenon-Blitzröhre ausgesendet werden,, wird Neodym
AO 2704 - 5 -
mit verwendet, um die Absorption zu erhöhen und dadurch den
Wirkungsgrad in bezug auf das aufgewendete Pumplieht zu verbessern. Im Gegensatz zu Ytterbium hat Neodym Abscsptionsbanden
im sichtbaren !Peil des Spektrums und daher kann Neodym Licht absorbieren, das von der Blitzröhre in diesem Seil
des Spektrums emittiert wird. Wenn jedoch Neodym als Sensibilisierungsmittel für Ytterbium verwendet wird, so
sendet bei Raumtemperaturen die Laseranordnung Strahlung bei 1,06 ,u aus.
1 ■ l
Figur 2 zeigt die Fluoreszenz von Neodym und Ytterbium
bei 1,06, /U bei Raumtemperatur. Wie man Figur 2 entnehmen
/ -ζ, -x,
kann, haben Nd und Yb Fluoreszenzkurven, deren mit 9
bezeichnete Spitze bei 1,06 ,u sich überlappen.
Da das Yb^ Ion als ein System mit drei G-rundni^veaus
arbeitet, sollte die Konzentration von Yb Konzentration
niedrig gehalten werden. Wenn jedoch die Konzentration niedrig gehalten wird, so neigen einige der Nd Ionen dazu,
im erregten Zustand zu verbleiben. Daher ist bei niedrigen Yb Konzentrationen die Energieübertragung von Neodymionen
auf Ytterbiumionen unvollständig. Ein Grund für die Emission g
3+ ™
von Yb bei 1,06 ,u unter Raumtemperaturbedingungen liegt
in der restlichen Besetzungsinvei'sion der Nd Ionen in Verbindung mit erregten Ytterbiumionen was eine Verstärkung
im Sinne der Erzeugung einer 1,06 μ Emission aur Folge hat.
Der so erzielte Wirkungsgrad ist günstiger als für Ytterbiumionen allein, wenn die ^-ornsFiltration an "itterbiumionen
niedrig 1st.
In Figur 3 ist ein erflndimgagemä0er Laeörkörpei? dargestellt,
der Stab 20 besteht aus der aktiven liSLuerk-.-UiponontO 22, die
den Kern dea Laoerstabes 20 bildet und von olimm Mantul 24
8AD OFHÖiNAt.
00SÖ48/.! tjAT ' -...■
AO 2704 - 6 -
umgeben ist. Der Mantel 24 bildet die Sensibilisierungskomponente.
Die Ytterbiumionen sind homogen in dem Kern verteilt. Das Ytterbium bildet mit für die Erzielung eines
lasereffektes geeigneten Mengen das Dotierungsion. Wenn im
nachfolgenden von für die Erzielung eines Lasereffektes geeigneten
Mengen gesprochen wird9 so ist darunter eine derartige
Menge des Laserions zu verstehen, die am Strahlungsübergang von einem ausgewählten Energienire au, wie dem
ρ
ΙΊ-/2 Niveau auf ein niedrigeres Niveau, wie beispielsweise
ΙΊ-/2 Niveau auf ein niedrigeres Niveau, wie beispielsweise
dem ^7/0 Niveau möglich ist. Das Laserion soll dann in
einer solchen Konzentration vorhanden sein, daß zwischen diesen beiden Energieniveaus eine hinreichende Inversion
der Besetzung erzielt werden kann, so daß sich ein hinreichend hoher Wirkungsgrad bei der Laserwellenlänge in
Form einer stimulierten Emission ergibt und dabei sämtliche Lichtverluste innerhalb des Lasermateriales 22 überwunden
werden. Es ist experimentell festgestellt worden, daß die Konzentration der Ytterbiumionen, die zur Erzielung eines
1 R Lasereffektes geeignet ist, zwischen 10 Tonen pro
Kubikzentimeter und 3 x 10 Ionen pro Kubikzentimeter liegt. Gewichtsmäßig ausgedrückt bedeutet dies, daß ungefähr
zwischen 0,01 bis 30 Gew.-^ des Oxides YbpO, vorhanden
sein soll. Der Mantel 24 dient als Sensibilisierungskomponente und ist mit' einer geeigneten Menge Sensibilisatorionen
dotiert. Das Sensibilisatorion ist ein dreiwertiges Neodymion und liegt in solcher Konzentration vor, daß ein
FJnsrgieübergang von dem Sensibilisator auf das Laserion
möglich ist. Die anzuwendenden Bereiche der Laserionen
und dor Sensibilisatorionen siiid bekannt und bilden nicht
i3ii Lregenstanj d-?,c Erfindung, Es ist ferner als bekannt
-üiL;u3eh\m, ά&ά das ^ur Anwendung gelangende G-lasmateuial ein
λιι sich b')l;-Uitu-·.?:■■: 'ΚΙ/Λϋ üelu k:.uu'i, v/obei cvi sich uni Silikat:;,
L .-ι.) iphri■;.-.!, tiu,':i!>·;, BocoMilika·,·.', Ar-jantri^ulfid'-i, "'eleriid^ ,
I iii'iri t·:; j :>! I μ- /* i. i ei, OxLf Luori-J.·..-; Al'imXiio-"■'!'! iknte, ;li?.';rr..-r' it;·.
0 0 9 B ι t! ■ ι >H-\
und organische Gläser handeln kann. Die einzige einzu- „
haltende Bedingung für den Glaskörper besteht darin, daß er im wesentlichen durchsichtig "bei der Wellenlänge sein
muß, die Ytterbium und Neodym absorbieren und Strahlung aussenden. Der Mantel 24 kann aus demselben Glasmaterial
wie der Kern 22 bestehen.
Figur 5 zeigt eine besondere Ausführungsform der ErfMung.
Hier besteht der Laserkörper aus einer Mehrzahl Glasstäben,
die mit aktiven Ionen dotiert sind. In Figur 5 bildet der Stab 32 die laseraktive Komponente, die mit Ytterbiumionen "
dotiert ist und dieser Stab ist von einem oder mehreren Stäben 34 umgeben, die die Sensibilisatoren bilden und mit
Neodymionen dotiert sind. Ein Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß das Größenverhältnis der Sensibilisator- '
komponente und der laseraktiven Komponente leicht entsprechend bemessen werden kann. Ferner läßt sich die in Figur 1 dargestellte
Vorrichtung leicht herstellen, da die Stäbe nicht miteinander verschmolzen sein müssen.
In Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung
bei der die für den Lasereffekt aktive Komponente mit 36 bezeichnet ist und in Form von optischen Längsfasern 38 |
die den Zwecken der Sensibilisierung dienende Komponente
enthält. Ein Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin,
daß in besserer Weise das von der Sensibilisatorkomponente übertragene Licht durch die für den Lasereffekt wirksame
Komponente absorbiert,wird, da die Sensibilisierungskomponente
von der Lasereffekt-aktiven Komponente umgeben ist.
In all diesen Ausführungsformen der Erfindung ist es
wichtig, daß Ifeodymionen nur in der Sensibilisatorkomponente
der Anordnung enthalten sind und daß die für den Lasereffekt
aktive Komponente der Anordnung keine Neodymionen enthält. Die einfachste Ausführungsform der Erfindung besteht
009848/1OAI
BAD ORlQiHAl
AO 2704 - 8 -
darin, aaß ein zur Erzielung eines Lasereffektes geeignetes
Material in unmittelbarer Nähe mit einer Sensibilisatorkomponente angeordnet ist, wobei diese Sensibilisatorkomponente
sämtliche Neodymionen der Anordnung enthält. Die allerbesten Ergebnisse erzielt man jedoch, wenn die Sensibilisatorkomponente
auch in gewissem Umfang dreiwertige Ytterbiumionen enthält. Wenn Ytterbiumionen in der Sensibilisatorkomponente
der Anordnung vorhanden sind, so übertragen sie Strahlungsenergie von der Sensibilisatorkomponente auf die für den
Lasereffekt aktive Komponente. Ein zweckmäßiger Bereich für Ytterbiumoxid in dem Sensibilisator liegt zwischen 0,1 bis
55 Gew.-#.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Laserkörpers ergibt sich aus Figur 4ο Das von einer nicht dargestellten Blitzröhre
ausgesendete Licht tritt in den Stab 20, wie der Pfeil 26 andeutet ein und erregt längs seines Lichtweges Iojinen.
Das Licht von der blitzlampe erregt nicht nur die Ionen in der Sensibilisatorkomponente, sondern durchsetzt auch die
Sensibilisatorkomponente und gelangt in die aktive Laserkomponente hinein und erregt in dieser Komponente die aktiven
Ionen. Neodymionen in dem Mantel 24 werden durch das Licht der Blitzröhre in den F3/0 Zustand erregt und übertragen
diese Energie und erregen dabei·Ytterbiumionen sowohl innerhalb der Sensibilisatorkomponente 24 als auch innerhalb der
ο
aktiven Laserkomponente 22 zu dem F5/0 Niveau, wie durch die gewellten Pfeile 28 angedeutet ist. Die Ytterbiumionen in dem Sensibilisator 24 übertragen Energie auf die Ytterbiumionen innerhalb der aktiven Laserkomponente. Es wird auch Energie direkt von den Neodymionen in der Sensibilisatorkomponente auf die Ytterbiumionen innerhalb der laseraktiven Komponente übertragen.
aktiven Laserkomponente 22 zu dem F5/0 Niveau, wie durch die gewellten Pfeile 28 angedeutet ist. Die Ytterbiumionen in dem Sensibilisator 24 übertragen Energie auf die Ytterbiumionen innerhalb der aktiven Laserkomponente. Es wird auch Energie direkt von den Neodymionen in der Sensibilisatorkomponente auf die Ytterbiumionen innerhalb der laseraktiven Komponente übertragen.
009848/1641
2023701
AO 2704 .■■■■- 9 -
Figur 4 zeigt die möglichen energetischen Torgänge des "5/2 Niveaus- νοϊ1 Neodymionen und die ^c/o Niveaus der
Ytterbiumionen innerhalb des Mantels 24 bzw. des Kernes 22.
Wie durch die Pfeile in Figur 4 angedeutet ist, wird ein
Teil der Energie nach innen übertragen und wird durch die laseraktive Komponente innerhalb des Kernes 22 absorbiert,
wobei ein Teil dieser Energie nach außen austritt und verzieren ist. Ein Teil dieser verlorenen Energie kann von der
Silberfolie reflektiert werden, die zur besseren Strahlungskopplung der Blitzröhre mit dem laserstab vorgesehen ist,
und kann dann wieder aufgenommen werden. Es kann auch die Außenseite des Mantels 24 mattiert sein, so daß Licht wieder
in den inneren Stab hinein reflektiert wird.
Die erfindungsgemäße laseranordnung kann sowohl für Schwingungserzeugung
als auch Verstärker verwendet werden. Sei eirem Schwingungserzeuger weist der Stab 20 selbst reflektierende
Endflächen 30, 31 gemäß Figur 3 .auf. Es kann auch der Laserstab 20 in einem optisch rückkoppelnden Hohlraum angeordnet sein.
In jedem Fall ist es erforderlich, daß die Enden des Sensibilisators
im wesentlichen licht durchlässig sind und daß eine
Schwingungserzeugung auf das Lasermaterial beschränkt wird, das durch den zur Erzielung eines Lasereffektes geeigneten *
Kernkörper gebildet wird. Um die Schwingungen nur auf diesen Körper zu beschränken, können zweifarbige Reflektoren verwendet
werden, die so ausgebildet sind, daß sie für die sich ergebende stimulierende Emission der Laserionen
reflektierend sind, jedoch durchlässig für die lonenemisaion
der Sensibilisatoren. Ee kann auch der G-ütewert Q der
Sensibilisatorkomponente dadurch niedrig gehalten werden, daß die Enden derselben mattiert weißen. Unter dem Gütewert Q
ist hierbei das Terhältniö der gespeicherten Wellenenergie
zu der pro Zyklus vernichteten Energie zu verstehen.
009848/1641
AO 2704 - 10 -
Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt ist darin
zu sehen, daß eine Erzeugung von Laserenergie durch Ytterbiumionen bei Wellenlängen unterhalb 1,06 /u bereits
bei Raumtemperatur und niedrigeren Temperaturen stattfindet.
Patentansprüche;
0 0 S 8 4 8 / 1 6 4 1
Claims (6)
- AO 2704 -41 -Patentansprüche( 1.) Mit dreiwertigem Ytterbium dotierter Laserkörper zur Erzeugung optischer Strahlung in einem Wellenband unterhalb 1,06 /u dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper aus einer laseraktiven Komponente, enthaltend dreiwertige Ytterbiumionen, und einer Sensibilisatorkomponente enthaltend eine bestimmte Menge Heodymionen besteht und daß diese beidenKomponenten in nahem Abstand zueinander angeordnet sind. ' . *
- 2. Laserkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sensibilisatorkomponente auch Ytterbiumionen enthalten sind.
- 3. Laserkörper nach Anspruch 1, dadurch ge-· kennzeichnet , daß die laseraktive Komponente von einem die Sensibilisatorkomponente umgebenden Mantel umschlossen ist.
- 4. Laserkörper nach Anspruch 3, dadurch g ekennzeichnet, daß die laseraktive Komponente ä stabförmig ist und den Kern des Körpers bildet.
- 5. Laserkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, daß die Sensibilisatorkomponente aus einer Anzahl optischer Längsfasern besteht.
- 6. Laserkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ·, daß die laseraktive Komponente und die Sensibilisatorkomponente durch Glasstäbe gebildet werden.00984a/1641
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