Effect of glass composition on the spectral and other properties of neodymium-doped borophosphate glasses

Abstract

Laser glasses of the system R₂O(MO)-P₂O₅-B₂O<sub>23/sub>-Ln₂O₃(R = Li, Na, K; M = Ca, Sr, Ba; Ln₂O₃ = La₂O₃ + Nd₂O₃) at high Nd³⁺ concentrations of 1 ∙ 10²¹ ions/cm³ were prepared. By using reactive atmosphere processing to remove hydroxyl groups, the infrared absorption coefficient at 3.5 μm due to OH- groups was below 1 cm^-1. Absorption and fluorescence spectra, fluorescence lifetimes and thermal expansion coefficients were measured, and the stimulated emission cross-section for the ⁴I_11/2 transition and the quantum efficiency were calculated. The results indicate that the borophosphate glass is possessed of a large stimulated emission cross-section, especially for alkali oxide containing borophosphate glass systems in which the stimulated emission cross-section is larger than 4.4 ∙ 10^-20 cm², and the effect of alkali and alkaline earth ions depends on the bonding strength between the cation and oxygen. The influence of B₂O₃ in borophosphate glasses on the fluorescence lifetime is much less than that in silicate glasses, and the quantum efficiency of borophosphate glasses, different from borate and borosilicate glasses, is high. The introduction of B₂O₃ strengthens the structure resulting in a lower thermal expansion coefficient and an excellent thermal shock resistance.

Es wurden Lasergläser des Systems R₂O(MO)-P₂O₅-B₂O<sub>23/sub>-Ln₂O₃(R = Li, Na, K; M = Ca, Sr, Ba; Ln₂O₃ = La₂O₃ + Nd₂O₃ ) mit hohen Nd³⁺ -Konzentrationen von 1 • 10²¹Ionen/cm<₃ hergestellt. Bei Anwendung eines Verfahrens mit reaktionsfähiger Atmosphäre zur Entfernung von Hydroxylgruppen lag der Infrarotabsorptionskoeffizient infolge des Auftretens von OH^{->/sup>-Gruppen unter 1 cm^-1 . Die Absorptions- und Fluoreszenzspektren, die Fluoreszenzlebensdauer und der Wärmeausdehnungskoeffizient wurden gemessen, der Querschnitt der angeregten Emission für den ⁴F_3/2 — ⁴I_11/2-Übergang und die Fluoreszenzausbeute wurden berechnet. Die Ergebnisse zeigen, daß Borophosphatgläser über einen großen Querschnitt der angeregten Emission verfügen, insbesondere trifft dies auf Alkalioxid enthaltende Borophosphatgläser zu, in denen dieser größer als 4,4 • 10}-20</sup>cm² ist. Der Einfluß von Alkali- und Erdalkaliionen hängt von der Bindungsstärke zwischen Kation und Sauerstoff ab. Die Fluoreszenzlebensdauer wird in Borophosphatgläsern von B₂O₃weniger beeinflußt als in Silicatgläsern, die Fluoreszenzausbeute dagegen ist hoch, im Gegensatz zu der in Borat- und Borosilicatgläsern. Die Einführung von B₂O₃ festigt die Struktur, was zu einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer hohen Temperaturwechselbeständigkeit führt.