DE1489673B2

DE1489673B2 - Drei-Energieniveau-Glaslaser

Info

Publication number: DE1489673B2
Application number: DE1489673A
Authority: DE
Inventors: Elias Sturbridge Mass. Snitzer (V.St.A.)
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Co LLC
Priority date: 1964-12-22
Filing date: 1965-12-21
Publication date: 1978-10-26
Also published as: DE1489673C3; FR1461043A; DE1789198C2; US3533956A; GB1138338A; DE1789198B1; DE1489673A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drei-Energieniveau-Laser mit einem Festkörpermedium, dessen aus anorganischem oder organischem Glas bestehendes Wirtsmaterial mit dreiwertigen Ionen von mindestens zweien der Lanthanoide Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium bzw. Erbium, Neodym, Ytterbium dotiert ist und bei dem Anregungsenergie von den Ionen eines dieser Lanthanoide auf Ionen eines anderen dieser Lanthanoide übertragen wird.

In durch Absorption optischer Strahlung angeregten Festkörper-Lasern werden derzeit als Aktivatorionen (Laserionen) solche mit drei oder vier Energieniveaus verwendet. Sowohl bei Drei- als auch bei Vier-Energieniveau-Systemen ist es erforderlich, eine Umkehr der Besetzungszahlen der Energieniveaus der Ionen (Inversion) zu erhalten, d. h. mehr Ionen in ein höheres Energieniveau zu bringen, als im Grundniveau vorliegen. Dies bildet bisher die Voraussetzung einer stimulierten Strahlungsemission. Bei einem Drei-Energieniveau-System wird die Inversion durch einen optischen Anregungsvorgang von dem Grundniveau in das dritte Niveau bewirkt. Es ergibt sich dann ein strahlungsloser, eine Anreicherung der Besetzung bewirkender Übergang auf das Zwischenenergieniveau. Bei einem Vier-Energieniveau-System ergibt sich die Inversion zwischen einem oberhalb des Grundniveaus liegenden Niveau, dem zweiten Niveau, und dem dritten Niveau als Zwischenniveau, wobei sich der optische Anregungsvorgang zwischen dem ^r> Grundniveau und einem vierten Niveau noch höherer Energie abspielt.

Die einzigen bisher bekannten, unter normalen Arbeitsbedingungen mit drei Energieniveaus arbeitenden Festkörper-Laser sind kristalline Festkörper, z. B.

ίο Rubine. Die bisher bekannten aus dotiertem Glas bestehenden stimulierbaren Festkörpermedien arbeiten als Vier-Energieniveau-Laser, z. B. die mit Neodym aktivierten Glaslaser.

Vier-Energieniveau-Laser haben gegenüber Drei-Energieniveau-Lasern den Nachteil, daß sie bei optischer Anregung zur Abgabe von stimulierter Strahlung mit unterschiedlichen Frequenzen neigen, was den Wirkungsgrad der Erzeugung der angestrebten stimulierten Strahlung beeinträchtigt.

Die FR-PS 1344970 gibt für ein aus Glas bestehendes Laser-Festkörpermedium die Lehre, ein Lanthanoid-Ion als Aktivatorion zu verwenden und zusätzlich, falls erwünscht, ein Lanthanoid-Ion als Sensibilisatorioh zur Erzielung einer nichtstrahlenden Energieübertragung auf das Aktivatorion vorzusehen. Der Lasereffekt beruht auf der Erregung eines metastabilen Zustande im Aktivatorion, bei der sich in Anbetracht der langen Lebensdauer von Elektronen im metastabilen Zustand eine hohe Besetzung des

jo metastabilen Energieriiveaus im Material ergibt und bei stimulierter Anregung diese hohe Besetzung des metastabilen Zustands in Form einer kohärenten Strahlung aufgelöst wird.

Es ist offensichtlich, daß die Lebensdauer von metastabilen Zuständen in verschiedenen Elementen der Lanthanoidengruppe verschieden ist und auch von der Temperatur abhängt. Man kann grundsätzlich sagen, daß eine lange Lebensdauer eines metastabilen Zustands leichter bei einer niedrigen Temperatur erreichbar ist.

Tatsächlich konnten bis heute von den fünfzehn Lanthanoiden, die in der FR-PS als Aktivatorionen vorgeschlagen werden, nur fünf bei normalen Temperaturen zu einem Lasereffekt angeregt werden.

Bettet man nun zusätzlich zu dem ausgewählten, für einen Lasereffekt geeigneten Lanthanoid-Ion ein zweites Lanthanoid-Ion ein, um Anregungslicht zu absorbieren und solche Energie auf das für den Lasereffekt geeignete Ion zwecks Erzielung einer Überbesetzung des metastabilen Zustands zu übertragen, so ergeben sich zwei Möglichkeiten:

a) die Möglichkeit der strahlenden Übertragung von solcher Energie auf das Aktivatorion (vgl. Veröffentl. Cabezas und DeShazer in »Applied Physics Letters«, Jan. 1964, in bezug auf die Energieübertragung von Neodym auf Europium u. a. m.);

b) die Möglichkeit der nichtstrahlenden Energieübertragung auf das Aktivatorion (vgl. Veröffentl. Pearson-Portoin »Applied Physics Letters«, Juni 1964 in bezug auf die Energieübertragung von Neodym auf Ytterbium).
Der Unterschied zwischen einer mit Strahlung verbundenen Übertragung optischer Anregungsenergie und der nicht mit Strahlung verbundenen Energieübertragung liegt in folgendem:

Im Fall der mit Strahlung verbundenen Energieübertragung treten die Laserfrequenzen beider Lan-

thanoid-Ionen auf. Es ist ein Vorgang gekoppelter Schwingungen, wobei die Komponente mit niedrigerer Strahlungsenergie (längere Laserwellenlänge) vorherrscht. Die stimulierte Strahlung ist somit nicht monochromatisch.

Im Fall der nichtstrahlenden Übertragung von Anregungsenergie, d. h. der direkten Übertragung von den Zuständen des Absorptionsbands des zur Übertragung von Anregungsenergie vorgesehenen Ions auf das Aktivatorion, kann die Energie der Laserwellenlänge des Aktivatorions stark vergrößert werden, wobei eine Laserfrequenz des Energieübertragungsions im Spektrum nicht auftritt und daher der monochromatische Charakter der Laserstrahlung nicht beein- ! trächtigt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Erzielung von möglichst monochromatischer stimulierter Strahlung durch ein glasförmiges dotiertes Festkörpermedium der eingangs jeweils angegebenen Art.

Die nachder Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vorzusehenden Mittel sind im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 4 angegeben.

Die Unteransprüche haben besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.

Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt ist darin begründet, daß durch die Anwendung mehrerer spezieller Lanthanoide zur Übertragung optischer Anregungsenergie auf ein speziell ausgewähltes, als Quelle stimulierter kohärenter Strahlung wirkendes Lanthanoid letzteres strahlungsfrei als Drei-Energieniveau-Aktivatorion angeregt und dadurch eine erhöhte Monochromasie der stimulierten Strahlung sichergestellt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Energieniveauschema eines typischen Drei-Energieniveau-Lasers,

Fig. 2 das Energieniveauschema eines typischen Vier-Energieniveau-Lasers,

Fig. 3 eine Darstellung eines Lasersystems mit Thulium als Aktivatorion, dreiwertigem Ytterbium und dreiwertigem Erbium als Ionen zur Übertragung von Anregungsenergie, wobei ein Energieübergang vom Ytterbium zum Erbium und dann vom Erbium zum Thulium erfolgt,

F i g. 4 eine Darstellung eines ähnlichen Systems mit dreiwertigem Holmium als Aktivatorion und dreiwertigem Ytterbium und dreiwertigem Erbium und dreiwertigem Thulium als sensibilisierenden Ionen, wobei Ytterbium das Anregungsenergie aufnehmende Ion ist und Erbium und Thulium energieübertragende Zwischenionen sind,

Fig. 5 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Erzielung eines Laservorgangs, bei dem dreiwertiges Erbium mit drei Energieniveaus als Aktivatorion und dreiwertiges Neodym und dazwischen Ytterbiumionen zur Energieübertragung auf die Erbiumaktivatorionen vorgesehen sind.

Fig. 1 zeigt das Energieniveauschema eines typischen Drei-Energieniveau-Lasers. Rubin ist der Prototyp eines solchen Systems mit drei Energieniveaus. Die Inversion erfolgt zwischen dem erregten metastabilen Energieniveau 2 und dem Grundniveau 1, wobei der optische Anregungsvorgang das Aktivatorion aus dem Zustand 1 in den Zustand 3 bringt, was durch den Pfeil 12 bezeichnet ist, oder von dem Zustand 1 in den Zustand 4 bringt, was durch den Pfeil 14 bezeichnet ist, worauf spontan ein Übergang ohne Strahlung von dem Niveau 4 oder dem Niveau 3 auf "> das Niveau 2 stattfindet, wie durch die Pfeile 16 und 18 bezeichnet ist, und das Niveau 2 ein metastabiles Zwischenniveau bildet. Fluoreszenz und Bildung eines Laserausgangssignals erfolgen dann durch einen Übergang vom Niveau 2 auf das Grundniveau 1 ge-

maß dem Pfeil 20. In Fig. 1 sind strahlungslose Übergänge durch wellenförmige Pfeile dargestellt.

Fig. 2 zeigt das Energieniveaüschema eines typischen Vier-Energieniveau-Lasers, bei dem. der optische Anregungsvorgang zwischen den Niveaus 1 und 4 stattfindet, was durch den Pfeil 22 bezeichnet ist; strahlungsfreie Übergänge erfolgen zwischen den Niveaus 4 und 3 und sind durch Pfeile 24 bezeichnet. Das Laserausgangssignal ist durch den Pfeil 26 bezeichnet und tritt zwischen den Niveaus 3 und 2 auf.

Der Pfeil 28 ist ein spontaner strahlungsfreier Übergang, der nach einem Laserausgangssignal erfolgt und zwischen dem Niveau 2 und dem Grundniveau stattfindet. Häufig ist eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff erforderlich, z. B. wenn der Energieabstand zwischen den Niveaus 1 und 2 so gering ist, daß bei Raumtemperatur sich eine zu hohe thermische Besetzung im Niveau 2 ergibt, die die Inversion des normalen Anregungsvorgangs verhindern würde.

Bei den Systemen nach den Fig. 1 und 2 kann eine

j» ausreichende Besetzung der Niveaus, von denen eine Laseremission stattfindet, durch einen Energieübertragungsvorgang von einem Anregungsion bewirkt werden. Es wird dann durch das Anregungsion Anregungsenergie von einer Blitzlampe absorbiert. Statt

daß dann ein Übergang in dem Anregungsion nach unten erfolgt, wird die Energie auf das Aktivatorion übertragen, weil der Fluoreszenz-Energiezustand des Anregungsions und der obere Energiezustand des Aktivatorions sich überlappen. Auf diese Weise kann das Aktivatorion einfacher die erforderliche Energieinversion erhalten, die für die Erzeugung eines Laserausgangssignals erforderlich ist.

Ein durch ein dreiwertiges Lanthanoid gebildetes Aktivatorion, das im Wege der Energieübertragung als Drei-Energieniveau-Lasersystem arbeiten kann, ist dreiwertiges Thulium oder Holmium. Ein unmittelbarer Energietransport vom dreiwertigen Ytterbium findet zwar auf dreiwertiges Thulium statt; dieser Vorgang ist jedoch nicht sehr wirksam, weil der ²F_5/2-Zustand des dreiwertigen Ytterbiums sich nicht mit einem Thulium- oder Holmiumzustand überlappt. Wenn man indessen entsprechend Fig. 3 dreiwertiges Erbium außerdem vorsieht, so ergibt sich ein günstiger Wirkungsgrad der Energieübertragung. Die Erregung, die im dreiwertigen Ytterbium beginnt, wird auf das dreiwertige Erbium in den ⁴I₁ [„-Zustand übertragen. Es gibt einen strahlungsfreien Übergang nach unten in den ⁴I_13/2-Zustand des dreiwertigen Erbiums, von dem die Energie auf den ³H₄-Zustand des dreiwertigen Thuliums übertragen werden kann. Es hat sich gezeigt, daß dieser Erregungsvorgang sehr wirksam ist, und zwar selbst bei verhältnismäßig niedrigen Konzentrationen von dreiwertigem Thulium im Vergleich zu den Konzentrationen des dreiwertigen Erbiums.

Die Erregung des dreiwertigen Holmiums wird erreicht durch zuvorige Erregung von dreiwertigem Thulium nach Fig. 4. Ein Sensibilisieren durch Ytter-

bium läßt sich durchführen, da eine Überlappung von Energieniveaus stattfindet.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung von dreiwertigem Erbium als Aktivatorion und dreiwertigem Neodym und Ytterbium als Anregungsenergie übertragenden Ionen. Das System arbeitet in der Weise, daß Neodymionen von dem Gruridzustand \_a auf den ⁴F_3/2-Zustand gemäß Pfeil 40 angeregt werden. Es ergibt sich dann ein Energietransport von dem ⁴F_3/2-Niveau des Neodyms auf das ²F_5/2-Niveau des Ytterbiums, wie durch den gewellten Pfeil 42 angedeutet ist. Es finden dann Querübergänge zu dem nächsten Ytterbiumion gemäß dem Pfeil 44 statt, und die Energie wird gemäß dem Pfeil 46 auf das ⁴I_11/2-Niveau von Erbium übertragen, von dem aus ein nichtstrahlender Übergang auf das ⁴I_13/2-Niveau von Erbium stattfindet. In diesem Fall würde, wenn sich das angeregte und Anreguhgsenergie übertragende Neodymion an einer Stelle befinden würde, die von dem Erbiumion nicht um ein oder zwei nichterregte Ytterbiumionen getrennt ist, der Laservorgang entsprechend der punktierten Linie 50 erstikken. Da jedoch vorherrschend Ytterbiumionen gegenüber Neodym- und Erbiumionen vorhanden sind, sind die lohen der beiden letztgenannten Elemente durch die Ytterbiumionen getrennt, und der Übergang entsprechend dem Pfeil 52 ist wahrscheinlicher und erzeugt das gewünschte Laserausgangssignal.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drei-Energieniveau-Laser mit einem Festkörpermedium, dessen aus anorganischem oder organischem Glas bestehendes Wirtsmaterial mit dreiwertigen Ionen von mindestens zweien der Lanthanoide Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium dotiert ist und bei dem Anregungsenergie von den Ionen eines dieser Lanthanoide auf Ionen eines anderen dieser Lanthanoide übertragen wird, gekennzeichnet durch die Dotierung mit den Ionen des Erbiums, des Thuliums und des Ytterbiums und durch die Übertragung der Anregungsenergie von den Ionen des Ytterbiums auf die Ionen des Erbiums und von diesen auf die Ionen des Thuliums (Fig. 3, 4). .

2. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ionen des Thuliums als Aktivatorionen (Fig. 3).

3. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Dotierung mit den Ionen des Holmiums, durch die Übertragung der Anregungsenergie von den Ionen des Thuliums auf die Ionen des Holmiums, und durch die Ionen des Holmiums als Aktivatorionen (Fig. 4).

4. Drei-Energieniveau-Laser mit einem Festkörpermedium, dessen aus anorganischem oder organischem Glas bestehendes Wirtsmaterial mit dreiwertigen Ionen von mindestens zweien der Lanthanoide Erbium, Neodym, Ytterbium dotiert ist und bei dem Anregungsenergie von den Ionen eines dieser Lanthanoide auf Ionen eines anderen dieser Lanthanoide übertragen wird, gekennzeichnet durch die Übertragung von Anregungsenergie von den Ionen des Neodyms auf die Ionen des Ytterbiums und von diesen auf die Ionen des Erbiums als Aktivatorionen (Fig. 5).