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FORSCHUNG — 73
Traditionelle aktive Lasermaterialien für Hochleistungsla-
ser sind Ytterbium dotierte Phosphat- oder Fluorophos-
phatgläser oder aber Calciumfluorid Einkristalle. Um die
Pulsenergie von Hochleistungslasern weiter erhöhen zu
können, muss die thermo-mechanische Widerstandskraft
des optischen Verstärkermaterials gesteigert werden.
Deshalb wurden Aluminosilicatgläser, die bekannterma-
ßen gute thermomechanische Eigenschaften aufweisen,
auf ihre Eignung als optisches Verstärkermaterial unter-
sucht und für diese Anwendung optimiert. Aluminosilicat-
gläser verschiedenster Zusammensetzungen wurden un-
ter Verwendung der Netzwerkwandlerionen wurden Li
+
,
Na
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
, Sr
2+
, Ba
2+
, Zn
2+
, Pb
2+
, Y
3+
, La
3+
und Gd
3+
hergestellt. Bei konstanten stöchiometrischen Verhältnis-
sen der Glaskomponenten steigen in der Regel mit zuneh-
mender Feldstärke des Netzwerkwandler-Ions die Werte
für E-Modul, Vickers-Härte, Poissonzahl und Bruchzähig-
keit. Die niedrigsten thermischen Ausdehnungskoeffi-
zienten wurden für Zink- und Magnesium-haltige Gläser
gefunden.
Die Fluoreszenzeigenschaften wurden anhand Sm
3+
-,
Eu
3+
- und Yb
3+
-dotierten Gläsern untersucht. Während
sich die Fluoreszenzanregungs- und -emissionspektren
der Ionen in verschiedenen Glaszusammensetzungen
kaum unterscheiden, zeigt ihre Fluoreszenzlebensdauer
in der Regel hohe Werte für Gläser mit niedriger Brech-
zahl, Molekulargewicht bzw. Dichte. Ein Einfluss der Pho-
nonen-Energie des Glasnetzwerks auf die Fluoreszenzei-
genschaften wurde nicht beobachtet.
Unter Berücksichtigung dieser Resultate wurden viel
versprechende Glaszusammensetzungen in hoher opti-
scher Qualität mit Yb
3+
dotiert hergestellt und ihre Laser-
leistung getestet. Zwar sind die Fluoreszenzlebens-
dauern etwas niedriger als in etablierten Yb
3+
-dotierten
Verstärkermaterialien, wie z. B. CaF
2
, ihre Verstärkungs-
profile sind aber spektral breiter und glatter und ihre
Absorptions- und Emissionsquerschnitte nahezu doppelt
so hoch. Durch effizientes Entziehen von im Glas gelös-
tem H
2
O konnten Fluoreszenzlebensdauern von ca. 1 ms
und Quanteneffizienzen nahe 1 erreicht werden. Zusätz-
lich besitzen die favorisierten Aluminosilicatgläser weit-
aus bessere thermomechanische Eigenschaften.
[3] Herrmann A., Tylkowski M., Bocker C., Rüssel C. (2013): Cubic and Hexa-
gonal NaGdF
4
Crystals Precipitated from an Alumosilicate Glass-Preparation
and Luminescence Properties. Chem. Mater. DOI:10.1021/cm401454y.
[4] Herrmann A., Kuhn S., Tiegel M., Rüssel C., Körner J., Klöpfel D., Hein J.,
Kaluza M.C. (2014): Structure and Fluorescence Properties of Ternary Alumi-
no Silicate Doped with Samarium and Europium Glasses. J. Mater. Chem. C.
DOI:10.1039/c4tc0036f.
Abb. 2. EBSD Orientation Map eines Oberflächenkristallisierten
Fresnoit Glases. Grafik: Wolfgang Wisniewski
Neue Lasergläser
Neue Materialien mit Nullausdehnung und
negativer thermischer Dehnung
Kommerzielle Produkte ohne signifikante thermische Deh-
nung sind stets Glaskeramiken und enthalten stets Lithi-
umalumosilicate. Leider sind diese Materialien nur sehr
schwer herzustellen. Kürzlich wurde am Lehrstuhl eine
neue silicatische Phase mit negativer Ausdehnung ent-
deckt. Es ist ein Mischkristall der Zusammensetzung
AM
2
Si
2
O
7
(A = Sr, Ba und M = Zn, Mg, Ni, Co, Cu, Mn). Wenn
100 % der A-Plätze durch Ba
2+
besetzt sind, hat die Phase
eine stark positive Ausdehnung, zeigt bei 280°C eine Pha-
senumwandlung, die mit einem erheblichen Volumen-
sprung verbunden ist und bei höherer Temperatur negative
Ausdehnung zeigt. Durch Substitution des Bariums gegen
Strontium gelingt es, die Hochtemperaturphase bei Zim-
mertemperatur zu stabilisieren und eine negative Ausdeh-
nung zu erhalten. Die kristalline Phase kann gesintert wer-
den und es können Beschichtungen mit negativer Dehnung
durch Sol-Gel hergestellt werden. Weiterhin kann diese
Phase aus Gläsern auskristallisiert werden, ohne dass grö-
ßere Mengen an anderen Phasen entstehen. Je nach Zu-
sammensetzung lässt sich ein breites Feld von thermischen
Ausdehnungskoeffizienten einstellen, von stark negativ bis
Nullausdehnung, aber auch bis hin zu stark positiven linea-
ren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15·10
-6
K
-1
.
[5] Thieme C., Görls H., Rüssel C. (2015): Ba
1
-xSrxZn
2
Si
2
O
7
-A new Family of
Materials with Giant Negative and very High Thermal Expansion. Sci. Rep.
DOI:10.1038/srep18040.