"Ytterbium-dotierte einkristalline Sesquioxid-Wellenleiterlaser"

"Ytterbium-doped single crystalline sesquioxide waveguide lasers"

Kurzfassung

Das Hauptziel dieser Arbeit war die Realisierung eines Yb³⁺-dotierten einkristallinen Sesquioxid-Wellenleiterlasers, der mittels Pulsed Laser Deposition (PLD) hergestellt wurde. Zur Charakterisierung und Erprobung möglicher Materialsysteme wurden mit Ytterbium (Yb³⁺) sowie mit Erbium und Ytterbium (Er³⁺,Yb³⁺) dotierte, kristalline Sesquioxidschichten mit PLD hergestellt. Als Wirtsmaterial der Schichten dienten Yttriumoxid (Y₂O₃), Scandiumoxid (Sc₂O₃) und Gadolinium-Lutetiumoxid ((Gd,Lu)₂O₃). Das Wachstum fand auf einkristallinen Yttriumoxid- bzw. Saphir-Substraten (α-Al₂O₃) statt.

Die strukturelle Charakterisierung erfolgte durch Röntgendiffraktometrie (XRD) und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Der Vergleich zwischen den Y₂O₃- und Sc₂O₃-Schichten zeigte ein deutlich kristallineres Wachstum letzterer. Für die Y₂O₃-Schichten wurde mit steigender Herstellungstemperatur eine Zunahme der Kristallitgrößen sowie eine Annäherung der Gitterkonstanten an die eines Y₂O₃-Einkristalls beobachtet. Die Repetitionsrate des Excimerlasers hatte hingegen einen geringen Einfluss auf die Gitterkonstante, wobei die übrigen untersuchten Schichteigenschaften unbeeinflusst blieben. Für eine Yb³⁺:(Gd,Lu)₂O₃-Schicht auf Y₂O₃, mit einer Gitterkonstante, welche auf die des Substrates angepasst wurde, deuten die durchgeführten Messungen auf ein monokristallines Wachstum hin. Zur Bestimmung der energetischen Lage der Starkniveaus der Yb³⁺-Ionen in dieser Schicht wurden Emissions- und Anregungsspektren bei tiefen Temperaturen aufgenommen. Die Spektren der Yb³⁺-Ionen zeigen nur geringe Abweichungen von den Spektren der Yb³⁺-Ionen in Y₂O₃. Die Lebensdauern und Wirkungsquerschnitte der Energiemultipletts der Dotierionen in den verschiedenen Schichtmaterialien wurden mittels spektral- und zeitaufgelöster Emissionsspektroskopie bestimmt. Zur Untersuchung des Energietransfers zwischen Yb³⁺ und Er³⁺ in entsprechend dotierten Sc₂O₃- und Y₂O₃-Schichten wurden verschiedene spektroskopische Methoden verwendet. Es wurden Energietransferparameter von k_ye = 10,4×10^-18 cm³/s (Er³⁺,Yb³⁺:Sc₂O₃) bzw. k_ye = 15,1×10^-18 cm³/s (Er³⁺,Yb³⁺:Y₂O₃) bestimmt. Diese Parameter sind deutlich geringer als die Literaturwerte für verschiedene Er³⁺,Yb³⁺-dotierte Gläser. Die geringe Energietransfereffizienz wurde durch Laserexperimente in einem Er³⁺,Yb³⁺:Sc₂O₃-Kristall bekräftigt. Es konnte erstmals Lasertätigkeit in einem Yb³⁺-dotierten kristallinen Sesquioxidwellenleiter nachgewiesen werden. In einem Kanalwellenleiter einer Yb³⁺(3%)-dotierten (Gd,Lu)₂O₃-Schicht betrug die maximale Ausgangleistung 12 mW bei einer Laseremissionswellenlänge von 976,8 nm. Der differentielle Wirkungsgrad betrug 6,7% bei einer Laserschwelle von 17 mW, beides bezogen auf die eingestrahlte Pumpleistung der Wellenlänge 905 nm. Für die Bestimmung reabsorptionsfreier Fluoreszenzlebensdauern wurde die sogenannte Pinholemethode verwendet. Zur theoretischen Beschreibung dieser Methode wurde ein Modell entwickelt, welches den linearen Zusammenhang zwischen Pinholeradius und gemessener Fluoreszenzlebensdauer erklärt. Es wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen der Reabsorptionsprozesse in optisch aktiven Volumenkristallen und dünnen Schichten durchgeführt. Die Pinholemethode wurde weiterhin modifiziert, um reabsorptionsfreie Fluoreszensspektren von optischen Materialien zu erhalten.

Titel

Kurzfassung

Summary

This work focusses on the realization of an Yb³⁺-doped single crystalline sesquioxide waveguide laser, which has been produced by Pulsed Laser Deposition (PLD). For characterization and testing of potential material systems, ytterbium (Yb³⁺) as well as erbium and ytterbium (Er³⁺,Yb³⁺)-doped crystalline sesquioxide films were produced by PLD. Yttria (Y₂O₃), scandia (Sc₂O₃) and gadolinium lutetium oxide ((Gd,Lu)₂O₃) served as host materials. The films were grown on single crystalline sapphire (α-Al₂O₃) and yttria substrates.

The structure of the films was characterized using X-Ray-Diffraction (XRD) as well as Atomic Force Microscopy (AFM). A comparison of the Y₂O₃ and the Sc₂O₃ films showed a significantly higher crystallinity of the latter. In the case of the Y₂O₃ films for increasing growth temperature an increasing crystallite size and a convergence of the lattice constant towards the lattice constant of an Y₂O₃ single crystal was observed. However, the repetition rate of the excimer laser had only a small influence on the lattice constant and the other investigated film properties were not affected. For an Yb³⁺:(Gd,Lu)₂O₃ film on Y₂O₃, with a lattice constant that had been matched to that of the substrate, the performed measurements indicated a single crystalline growth. To determine the Stark level energies of the Yb³⁺ ions in that film, emission and excitation measurements were performed at low temperatures. The spectra of the Yb³⁺ ions showed only minor deviations from the corresponding spectra of Yb³⁺ ions in Y₂O₃. The lifetimes and cross sections of the dopant ions in the different film materials were determined by spectral and time resolved emission spectroscopy. Different spectroscopic methods were used for the investigation of the energy transfer between Yb³⁺ and Er³⁺ in correspondingly doped Sc₂O₃ and Y₂O₃ films. Energy transfer parameters of k_ye = 10.4×10^-18 cm³/s (Er³⁺,Yb³⁺:Sc₂O₃) as well as k_ye = 15.1×10^-18 cm³/s (Er³⁺,Yb³⁺:Y₂O₃) were determined. These parameters are significantly lower than the values for different Er³⁺,Yb³⁺-doped glass materials. The low energy transfer efficiency was substantiated by laser experiments using a Er³⁺,Yb³⁺:Sc₂O₃ crystal. First laser action in an Yb³⁺-doped crystalline sesquioxide waveguide could be shown. A channel waveguide of an Yb³⁺(3%)-doped (Gd,Lu)₂O₃ film had a maximum output power of 12 mW at a laser emission wavelength of 976.8 mW. The slope efficiency was 6.7% with a laser threshold of 17 mW. Both values are given with respect to the incident pump power of 905 nm wavelength. For the determination of reabsorption-free fluorescence lifetimes the pinhole method was used. A theoretical model of this method was developed, describing the linear dependency between the pinhole radius and the measured fluorescence lifetime. Experimental and theoretical investigations on reabsorption processes in optically active bulk crystals and thin films were performed. Furthermore the pinhole method was modified to obtain reabsorption-free fluorescence spectra of optical materials.