Motiviert durch die Suche nach alternativen Strahlungsquellen für den Argon-Ionen Laser bzw. nach Lasern für die Displaytechnologie, untersucht die vorliegende Arbeit resonatorintern frequenzverdoppelte Neodym Grundzustandslaser mit Ausgangsleistungen von einemWatt und mehr im blauen Spektralbereich.
Für die Klassifizierung der Lasermaterialien wurden die Absorptions- und Emissionsspektren sowie die Kristalleigenschaften von sieben Wirtsmaterialien bezüglich ihrer Eignung für Neodym-Grundzustandslaser miteinander verglichen. Die Materialien lassen sich in vier Gruppen mit jeweils sehr änlichen Eigenschaften einteilen: YAG und LuAG, YAlO3, YVO4 und GdVO4, YLF und LiLuF4. Die Emissionswellenlängen dieser Materialgruppen liegen in Bereichen um 946, 930, 912 und 905 nm. Die Absorption der ersten fünf Kristalle ermöglicht eine Anregung mit Hochleistungslaserdioden bei 808 nm, Nd:YLF und Nd:LiLuF4 hingegen absorbieren im Bereich von 792 nm. Als Lasermaterialen wurden Nd:YAG und Nd:GdVO4 ausgewählt, da Nd:YAG eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine gute optische Qualität und aufgrund der großen Starkaufspaltung eine geringe Besetzung des unteren Laserniveaus besitzt. Diese Besetzung ist bei Nd:GdVO4 deutlich größer, es emittiert jedoch eine kürzere Wellenlänge, was für die Display-Technologie von Vorteil ist.
Aufgrund der thermischen Besetzung des unteren Laserniveaus ergeben sich für den Grundzustandslaser unter anderem besondere Anforderungen bezüglich der Fokussierung der Pumpstrahlung. Diese sind unter Berücksichtigung der thermischen Probleme im Laserkristall theoretisch und experimentell untersucht worden. Um trotz der starken thermischen Linse im Laserkristall einen stabilen Laserbetrieb zu ermöglichen, ist ein Resonator konstruiert worden, der ab einer Brennweite der thermischen Linse von 5 cm stabil ist. Der Z-förmige Resonator besitzt neben der Taille im Laserkristall eine zweite Strahltaille, in die der Verdopplerkristall platziert werden kann.
In diesem Resonator konnte mit Nd:YAG bei 21 W Pumpleistung bis zu 5 W linear polarisierte Strahlung bei 946 nm erzeugt werden. Für die resonatorinterne Frequenzverdopplung wurden drei unterschiedliche nichtlineare Kristalle in den Resonator eingesetzt: ein 10,4 mm langer BiBO, ein 8 mm langer BBO und ein 10 mm langer LBO. Mit dem BiBO-Kristall konnten bis zu 2,86 W blaue Ausgangsleistung bei 473 nm erreicht werden, mit dem BBO 2,5 W und mit dem LBO 2,2 W.
Der Nd:GdVO4-Laser lieferte mit 17 W Pumpleistung 2,1 W bei 912 nm. Die Frequenzverdopplung mit einem 10 mm langen LBO-Kristall brachte eine Ausgangsleistung von 840 mW bei 456 nm.
Die resonatorintern frequenzverdoppelten Laser zeigen starke Schwankungen der Ausgangsleistung mit Frequenzen von mehreren 10 kHz. Dieses als green problem bekannte Phänomen ist in der Literatur fast ausschließlich für Laser mit Typ II-Phasenanpassung behandelt worden und wird auf die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Laser mit Typ I-Phasenanpassung übertragen. Als mögliche Lösung dieses Problems wird auflerdem eine neue Methode vorgestellt, die durch geschickte Positionierung der Kristalle im Resonator die Wahrscheinlichkeit für einen stabilen Laserbetrieb stark erhöht.
In order to find an alternative for Argon-ion-lasers or rather to find lasers for the display-technology this survey examines intracavity frequencydoubled Neodym ground-state lasers with an output power of more than one watt in the blue spectral range.
For the selection of a laserhost the absorption- and emissionspectra as well as the crystal
properties of seven hostmaterials have been compared with regard to their suitability as a hostmaterial
for neodymium-doped ground-state lasers. These materials can be divided into four
groups, each having very similar properties: YAG and LuAG, YAlO3, YVO4 and GdVO4, YLF
and LiLuF4. The emission wavelengths of this groups are in the range of 946, 930, 912 and
905 nm. The absorption of the first five crystals makes an excitation with high-power diodelasers
possible, whereas Nd:YLF and Nd:LiLuF4 absorb in the range of 792 nm. Nd:YAG and
Nd:GdVO4 have been chosen as laser materials; since Nd:YAG has a high thermal conductivity,
a good optical quality and, because of its high Stark splitting, a small population of the lower
laser level. The latter is much higher in Nd:GdVO4 which, however has a shorter emission
wavelength. That is advantageous for the laser display technology.
Because of the thermal population of the lower laser level the quasi-three-level laser is very
sensitiv to the focus of the pumplight. The influence of the focus and the thermal problems in the
laser crystal have been examined theoretically and experimentally. In order to get stable operation
of the laser in spite of the thermal lens in the laser crystal a resonator has been constructed,
which is stable with a focal length of the thermal lens of 5 cm. This resonator is equipped with
a beamwaist for the laser crystal and a second waist for the doubling crystal.
With this resonator up to 5W of linear polarized output power at 946 nm with 21 W of pump
power have been achieved. Three different nonlinear crystals have been inserted in the resonator
for the intracavity frequency doubling: a 10,4 mm long BiBO, a 8 mm long BBO and a 10 mm
long LBO. Up to 2,86 W of blue output power at 473 nm have been reached with the BiBO crystal,
2,5 W with the BBO and 1,5 W with the LBO.
The Nd:GdVO4-laser has produced 2,1 W at 912 nm with 17 W of pump power. The frequency
doubling with a 10mm long LBO has generated 840 mW at 456 nm.
The intracavity doubled lasers show large power fluctuations with frequencies of several
10 kHz. This phenomenon, known as the green problem, is treated in the literature only for
lasers with typ II-phasematching. It will be investigated to which extent the results that can be
found in the literature apply to the lasers of this work with typ I-phasematching.
In addition a new method is presented as a possible solution for the problem: the probability
for a stable laser operation can be increased by a clever arrangement of the crystals in the
resonator.