"Upconversion-Laser und weitere Anwendungen Erbium-dotierter Fluoridkristalle"

"Upconversion lasers and other applications of Er3+-doped fluoride crystals"

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden sechs unterschiedliche Er³⁺-dotierte Kristalle spektroskopisch untersucht, um ihre Eignung als Upconversion-Lasermaterial zu prüfen. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist eine niedrige effektive Phononenenergie. Sie bewirkt, dass sowohl das mittlere als auch das obere Laserniveau eine ausreichende Lebensdauer haben, um effizientes Pumpen sowie Laseremission zu gewährleisten. Daher handelt es sich bei den untersuchten Wirtsmaterialien ausschließlich um Fluoridkristalle: LiLuF₄, LaF₃, BaY₂ F₈, BaLu₂F₈, KY₃F₁₀, sowie erstmalig BaYLuF₈ mit Er³⁺-Dotierung. Von diesen Materialien hat sich Er³⁺:LiLuF₄ als das geeignetste erwiesen. 

Mit einem Ti:Saphir-Laser als Pumpquelle wurde ein Upconversion-Laser im Volumen- Kristall realisiert. Die Input-Output-Kurven (maximale Ausgangsleistung von 80mW und differentielle Wirkungsgrad von 20,7%) wurden verglichen mit denen von direkt im blauen Spektralbereich gepumpten cw Erbium-basierten Laser (maximale Ausgangsleistung von 35mW und differentieller Wirkungsgrad von 9,2% beim reinen Dauerstrichbetrieb), die im Rahmen dieser Arbeit erstmals realisiert werden. Zusätzlich wurden durch gleichzeitiges Pumpen mit zwei verschiedenenWellenlängen sogenannte Zweiwellenlängen- Upconversion-Laser demonstriert. 

Neben der Realisierung sichtbarer Laserstrahlung sind Er³⁺-dotierte Fluoridkristalle auch für Laser mit Wellenlängen um 1,6 μm für Anwendungen in Telekommunikation, Medizin sowie für die Detektion von Treibhausgasen mittels LIDAR von großem Interesse. In LiLuF₄ und BaYLuF₈ mit verschiedenen Er³⁺-Dotierungen wurden Ausgangsleistungen von bis zu 1,4W und differenzielle Wirkungsgrade von 19% gegenüber der einfallenden Pumpleistung erzielt. Laserbetrieb konnte bei verschiedenenWellenlängen gezeigt werden. Insbesondere wurde Laseremission eines 1,25% Er³⁺:LiLuF₄ Kristalls bei λ = 1610nm demonstriert, einer Wellenlänge die besonders geeignet für die Detektion von CO₂ ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig Laserbetrieb eines Er3+:BaYLuF8 sowie inbandgepumpter Laserbetrieb bei 1,6μm in Er³⁺:LiLuF₄ gezeigt. 

Neben Laserexperimenten im Volumkristall wurden Upconversion-Scheibenlaser und Wellenleiternlaser-Experimente durchgeführt, um eine hohe Pumpintensität im Kristall zu ermöglichen. Beide Varianten wurden mit 1,3% Er³⁺:LiLuF4-Kristallen erprobt. Dabei konnte der erste kristalline grün emittierende Upconversion-Wellenleiterlaser mit bis zu 10mW Ausgangsleistung und einem differenziellen Wirkungsgrad von 3% realisiert werden. Die internen Wellenleiterverluste sind mit weniger als 0,5 dB/cm sehr vielversprechend für zukünftige Auswendungen.

Titel

Kurzfassung

Summary

Upconversion lasers are unconventional sources of visible laser emission. The nonlinearupconversion process is based on the level scheme of suitable dopants, such as Er³⁺-ions. Here, a two-photon absorption process takes place. An intermediate level is populated by the absorption of the first photon, then the second photon populates the upper laser level. In the most efficient configuration, an Er³⁺-doped medium can emit a photon in the visible spectral range for every two consecutively absorbed infrared photons of the same wavelength. 

In this work, six different Er³⁺-doped crystals have been spectroscopically investigated in order to demonstrate their suitability for upconversion lasers. A fundamental requirement for the host material is a low effective phonon energy, which ensures that the lifetimes of the intermediate and the laser emitting levels are long enough to allow for efficient pumping and laser emission. For this reason, the host materials are all fluorides: LiLuF₄, LaF₃, BaY₂ F₈, BaLu₂F₈, KY₃F₁₀ and, for the first time investigated with Er³⁺- doping, BaYLuF8. In this work, the crystal recognized as most efficient for upconversion lasers is Er³⁺:LiLuF₄. 

Bulk laser experiments have been carried out. Upconversion laser input-output characteristics have been recorded with a Ti:sapphire laser as pump source, obtaining a maximum output power of 80mW and a slope efficiency of 20.7%. The results are comparable to those obtained in the same setup but using a direct pumping scheme, by substituting the pump source with a frequency-doubled optically-pumped semiconductor laser emitting at nearly half of the wavelength of the Ti:sapphire laser. In pure cw regime, a maximum output power of 35mW has been achieved with a slope efficiency of 9.2%. It represents the first demonstration of a cw erbium-based laser directly pumped in the blue spectral range. Moreover, experiments with simultaneous pumping with two different wavelengths have been carried out to realize so-called dual-wavelength upconversion lasers. 

Furthermore, Er³⁺-doped fluoride crystals can be interesting host materials for lasers emitting in the 1.6-μm spectral range, where many applications in telecommunication and medicine are possible and greenhouse gases can be detected via LIDAR techniques. The laser experiments under inband-pumping at 1.5 μm, with different Er³⁺:doped LiLuF4 and BaYLuF8 crystals yielded a maximum emission output power of 1.4W and a slope efficiency of 19% with respect to the incident pump power. Laser operation at different emission wavelengths has been demonstrated. In particular, emission at λ = 1610nm could be obtained using a 1.25 at.% Er³⁺-doped LiLuF₄ crystal, which is especially interesting for the detection of CO₂. The first laser operation in Er³⁺:BaYLuF₈ and the first inband-pumped laser operation at 1.6μm in Er³⁺:LiLuF₄ have been realized. 

To obtain cw upconversion lasers, a second requirement is a high pump intensity in the crystal, which can be achieved in the thin-disk-laser configuration as well as in waveguide lasers. Thin-disk-laser and waveguide-laser experiments have been performed with 1.3 at.% Er³⁺-doped LiLuF₄ samples. The experiments resulted in the first crystalline green upconversion waveguide laser. Performance has been improved to achieve up to 10mW of output power with a slope efficiency of 3%. The internal losses are less than 0.5 dB/cm, very promising for future applications.