Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der breitbandig emittierenden Ytterbium-dotierten Borate LaSc3(BO3)4 (LSB) und Ca4YO(BO3)3 (YCOB) sowie der Vanadate YVO4 (YVO) und LuVO4 (LuVO) in Hinblick auf ihren Einsatz als aktives Material im Scheibenlaser.
In den spektroskopischen Untersuchungen wurden die Lebensdauern des angeregten Zustandes von Yb3+ in diesen Wirtsgittern mittels der Pinhole-Methode bestimmt. Für Yb:LuVO wurde im Rahmen dieser Arbeit anhand der Analyse der bei tiefen Temperaturen aufgenomme nen Absorptions- und Fluoreszenzspektren erstmals die Lage der Stark-Niveaus bestimmt. Aufgrund der hierbei gewonnenen Erkenntnisse erfolgte eine Neuinterpretation der Tieftemperatur-Spektren von Yb:YVO. Mit den ebenfalls ermittelten Absorptionswirkungsquerschnitten wurden sowohl für die Vanadate als auch für die untersuchten Borate über die Reziprozitäts-Relation die Emissionswirkungsquerschnitte bestimmt. Die Resultate stehen in guter Übereinstimmung mit den durch Einsetzen der experimentell bestimmten Lebensdauern in die Füchtbauer-Ladenburg-Gleichung ermittelten Werten.
Im Laufe dieser Arbeit konnte mit allen untersuchten Materialien erstmals Lasertätigkeit im Scheibenlaseraufbau realisiert werden. Dabei wurden die bisher in der Literatur verzeichneten Ausgangsleistungen durch die Anwendung dieses Laserkonzeptes teilweise um ein Vielfaches übertroffen. Die höchsten Ausgangsleistungen wurden mit 25 at.% Yb:LSB in a-cut Orientierung erzielt. Unter einer Pumpleistung von 95W konnten 40W Ausgangsleistung realisiert werden. Der maximale mit diesem Material erzielte differentielle Wirkungsgrad betrug 55%. Mit 15 at.% Yb:YCOB in X-cut Orientierung wurden bis zu 26W Ausgangsleistung unter 45 W Pumpleistung, resultierend in einem sehr hohen optisch-optischen Wirkungsgrad von 58%, erzielt. Der differentielleWirkungsgrad betrug hier 67%. Diemit den Vanadaten erzielten Laserresultate blieben hinter diesen Werten zurück. Dies ist auf eine unzureichende Kristallqualität und sehr hohe Schwellpumpleistungen für den Laserbetrieb, die in der geringen Stark-Aufspaltung dieser Materialien begründet liegen, zurückzuführen. Mit 1,6 at.% Yb:YVO wurden 10W Ausgangsleistung bei 43% differentiellem Wirkungsgrad erzielt, mit 1,5 at.% Yb:LuVO lagen die maximale Ausgangsleistung bei 13,1 W und der differentielle Wirkungsgrad bei 51%. In beiden Fällen betrug die eingestrahlte Pumpleistung etwa 40 W.Weiterhin wurden Experimente zur spektralen Durchstimmbarkeit dieser Materialien im Scheibenlaseraufbau durchgeführt. Die besten Ergebnisse wurden dabei mit Yb:LSB-Kristallen erzielt. Bei einer Pumpwellenlänge von 973 nm konnte die Laserwellenlänge in einem spektralen Bereich von 117 nm zwischen 988 nm und 1105 nm kontinuierlich durchgestimmt werden. Über einen Wellenlängenbereich von nahezu 70 nm lag die Ausgangsleistung dabei über 10Wbei einer Pumpleistung von 50 W. Auch mit Yb:YCOB konnte über 90 nm kontinuierliche Durchstimmbarkeit bei hohen Ausgangsleistungen erzielt werden, während die mit den Vanadaten erzielten Resultate hinter den anhand der spektroskopischen Untersuchungen erwarteten Werten zurückblieben. Die Nutzbarkeit der großen Verstärkungsbandbreite von Yb:LSB zur Erzeugung kurzer Pulse wurde in Kooperation mit dem Max-Born-Institut in Berlin in ersten Experimenten zum Modenkoppeln dieses Materials nachgewiesen. Die minimal erzielten Pulsdauern von 58 fs gehören zu den kürzesten jemals mit Yb3+-dotierten Materialien realisierten.
The subject of this thesis is the examination of the broad-band emitting Ytterbium-doped Borates LaSc3(BO3)4 (LSB) and Ca4YO(BO3)3 (YCOB) as well as the Vanadates YVO4 (YVO) and LuVO4 (LuVO) with regard to their suitability as gain-materials in the thin-disk laser setup.
In this work extensive spectroscopic investigations have been carried out, including the determination of the excited state lifetimes of Yb3+ in these hosts applying the pinhole-method. The Stark energy levels of the Yb3+-ion in Yb:LuVO have been identified for the first time by the analysis of low-temperature absorption and fluorescence spectra. Based on these results the low-temperature spectra of Yb:YVO were reinterpreted. The emission cross sections for all investigated materials were obtained from the knowledge about the Stark splitting of the energy levels and the measured absorption-spectra by implementing the reciprocity-relation. These results are in good agreement with the emission cross sections calculated from the Füchtbauer-Ladenburg-equation using the experimentally determined lifetimes and fluorescence spectra. For the first time laser operation was realized in the thin-disk laser setup with all examined materials. In these experiments power-scaling was demonstrated for the investigated materials, significantly exceeding previous results in the literature for the maximum laser output powers. The highest output power was obtained with 25 at.% Yb:LSB in a-cut orientation:With 95 W of launched pump power, 40 W of laser output power could be realized and slope efficiencies of up to 55% were obtained. Using 15 at.% Yb:YCOB in X-cut orientation, 26 W of output power for 40 W of incident pump power were generated, resulting in a high optical-to-optical efficiency of 58%, while the slope efficiency reached 67%. The results for the Yb3+-doped Vanadates fell short of these values owing to insufficient crystal quality and compared to the Borates much higher lasing thresholds in this setup. Those high lasing-thresholds can be explained by the low Stark splitting of the Yb3+-manifolds in these hosts. In the case of 1.6 at.% Yb:YVO, 10 W of output power with a slope efficiency of 43% was obtained. An output power of 13.1 W with a slope efficiency of 51% was reached with 1.5 at.% Yb:LuVO. In both cases the launched pump power was about 40 W.
Furthermore, spectral tuning experiments were performed in the thin-disk laser setup. The best results were obtained with Yb:LSB, which demonstrated an extremely broad continuous tuning range of 117 nm bandwidth in the spectral range from 988 nm to 1,105 nm at a pumping wavelength of 973 nm. With 50W of incident pump power the output power exceeded 10 W covering a wavelength range of almost 70 nm. A tuning range of more than 90 nm at high output powers was achieved with Yb:YCOB, whereas the tunability of the Yb3+-doped Vanadates fell short of the values estimated from the spectroscopic properties. In cooperation with the Max-Born-Institut in Berlin, the broad amplification bandwidth of Yb:LSB was exploited in first modelocking-experiments. The obtained pulse lengths of 58 fs are among the shortest that have ever been realized with Yb3+-doped materials.