Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde seltenerd-dotiertes SrAl12O19(SRA) untersucht. Dieses Wirtsmaterial ist insbesondere durch seine kleine Kristallfeldabsenkung, sowie niedrige maximale Phononenergie von Interesse. Die Untersuchungen beinhalten sowohl die Züchtung der Kristalle, als auch die Untersuchung ihrer spektroskopischen Eigenschaften und Lasercharakteristiken.Dabei wurde der Fokus hauptsächlich auf den sichtbaren
Spektralbereich gelegt und die folgenden dreiwertigen Seltenerd-Ionen als Dotierung eingesetzt: Praseodym (Pr3+), Samarium (Sm3+), Terbium (Tb3+) und Dysprosium (Dy3+). Zudem wurde dreiwertiges Neodym (Nd3+) verwendet und im nahinfraroten
Spektralbereich untersucht.
Sichtbare Laser finden eine Vielzahl an Anwendungen in den Bereichen Medizin, Materialbearbeitung,Unterhaltung und Wissenschaft. Beispiele hierfür sind die Ophthalmologie im Bereich der Medizin [Tho92], sowie Lithium-Atom-Fallen im Bereich
der Wissenschaft [Eis11]. Obwohl Nd3+ im Allgemeinen nicht für direkt sichtbare Laser eingesetzt wird, basieren viele kommerziell verfügbare Laser im grünen Spektralbereich
auf frequenz-verdoppelten Nd3+-Lasern.Mittels Nd3+-Dotierung lässt sich SRA mit etablierten Wirtskristallen wie Y3Al5O12(YAG) vergleichen.
Die Kristallqualität von SRA wurde unter Pr3+-Dotierung untersucht und optimiert. Zur Ladungskompensation wird häufig Mg2+ als Kodotierung eingesetzt. In dieser Arbeit wurde der Mg2+-Anteil variert und Na+als alternative Kodotierung untersucht.
Spektroskopisch zeigten sich dabei keine signifikanten Veränderungen. Jedoch konnte die Auswirkung der Veränderung in der Ladungskompensation auf die Lasereigenschaften demonstriert werden. Zudem wurden Durchstimm-Experimente mit Pr,Mg:SRA
durchgeführt und eine Durchstimmbarkeit von ≈1100cm−1 konnte in mehreren Abschnitten im orangen bis tiefroten Spektralbereich realisiert werden.
Mit Nd,Mg:SRA wurde Lasertätigkeit bei 1051nm mit einem differentiellen Wirkungsgrad von 62% gegen die absorbierte Leistung erzielt. Zudem konnte nach bestem Wissen zum ersten Mal Lasertätigkeit bei 900nm und 1,3µm mit diesem Kristallsystem gezeigt werden.
In den spektroskopischen Untersuchungen mit Sm3+-,Tb3+- und Dy3+-dotiertem SRA zeigten sich Spitzenwirkungsquerschnitte in der Gr¨ oßenordnung 10−21cm2 für die
Grundzustandsabsorption und stimulierte Emission. Diese sind somit mindestens eine Größenordnung kleiner im Vergleich zu Pr3+- oder Nd3+-dotiertem SRA. Dies lässt sich auf einen benötigten Spin-flip für die untersuchten Übergänge in Sm3+, Tb3+und Dy3+
zurückführen.
Lasertätigkeit von Sm,Mg:SRA konnte bei 593nm und 703nm realisiert werden. Nach bestem Wissen konnte somit erstmals Lasertätigkeit eines Sm3+-dotierten, oxidischen Wirtsmaterials erzielt werden.Dabei lief der Laser auf beiden Emissionwellenlängen
jeweils in einem selbstpulsenden Regime mit gütegeschaltetem Verhalten. Aus Simulationen lässt sich schließen, dass dieser Effekt aus einer sättigbaren Absorption aus angeregten
Zuständen folgt.
[Eis11] U. Eismann et al., Appl. Phys. B 106 (1), 25-36 (2011).
[Tho92] K. P. Thompson et al., Proceedings IEEE 80 (6), 838-860 (1992).
In the framework of this thesis rare-earth-doped SrAl12O19(SRA) was investigated. This host material is of interest especially due to its low crystal field depression and low maximum phonon energy. The investigations include the growth of the crystals as well as the spectroscopic properties and laser characteristics. Thereby the main focus was kept on the visible spectral range. For this purpose the following rare-earth ions were uti- lized in their trivalent state: praseodymium (Pr3+), samarium (Sm3+), terbium (Tb3+), and dysprosium (Dy3+). Furthermore, trivalent neodymium (Nd3+) was employed and investigated in the near infrared spectral range. Visible lasers find a variety of applications in the fields of medicine, material processing, entertainment, and science.Examples are ophthalmology in medicine [Tho92] and trapping lithium atoms for scientific researches [Eis11]. Although Nd3+ is usually not employed for direct visible lasers, many commercial lasers in the green spectral range are based on frequency-doubled Nd3+-lasers. By utilizing Nd3+as doping ion SRA can be compared to well established host crystals like Y3Al5O12(YAG). The crystal quality of SRA was investigated and optimized under Pr3+-doping. For charge compensation Mg2+ is often codoped. In this thesis the amount of Mg2+was varied and Na+ was introduced as an alternative codoping. No significant changes were observed in spectroscopic investigations. However, the effect of the charge compensation on the laser characteristics was demonstrated. In further laser experiments with Pr,Mg:SRA a total tunability of ≈1100cm−1 was realized in several smaller ranges in the orange to deep red spectral range. With Nd,Mg:SRA laser action was achieved at 1051nm with a slope efficiency of 62% with respect to the absorbed pump power. Furthermore, to the best of the author’s knowledge laser operation of this crystal system was demonstrated for the first time at 900nm and 1.3µm. The spectroscopic investigations with Sm3+-doped, Tb3+-doped, and Dy3+-doped SRA revealed peak ground state absorption and peak stimulated emission cross sections in the order of 10−21cm2. These are at least one order of magnitude smaller compared to Pr3+-doped and Nd3+-doped SRA. This can be attributed to a spin-flip, which is required for the investigated transitions in Sm3+, Tb3+, and Dy3+. Laser operation of Sm,Mg:SRA was realized at 593nm and 703nm. To the best of the author’s knowledge this represents the first demonstration of laser operation of any Sm3+-doped oxide host material. The laser operated in a self-pulsing regime with a Q-switching like behavior. Due to simulations this effect is likely caused by saturable excited state absorption. [Eis11] U. Eismann et al., Appl. Phys. B 106 (1), 25-36 (2011). [Tho92] K. P. Thompson et al., Proceedings IEEE 80 (6), 838-860 (1992).