Ziel dieser Arbeit war die Herstellung von Wellenleiterlasern in YAG-Kristallen mittels fs-Laserstrukturierung. Hierfür wurden fs-Laserpulse mit einer Pulsdauer von 150 fs und Pulsenergien im Bereich von 1 μJ bis 1,5 μJ etwa 300 μm unter die Oberfläche der YAG-Kristalle fokussiert. Einzel- und Doppelspuren wurden erzeugt, indem die Proben während der fs-Laserbestrahlung mit einer Geschwindigkeit von 10 μm/s verschoben wurden.
Aufgrund einer spannungsinduzierten Änderung des Brechungsindex konnte Licht in mehreren Kanälen in der Umgebung der Einzelspuren und im Zentrum der Doppelspuren geführt werden. Bei einer Wellenlänge des geführten Lichts von 1063 nm konnte bei den untersuchten Doppelspurwellenleitern nahezu kreisrunde und gaußförmige Grundmoden beobachtet werden. Bei einer Wellenlänge von 632,8 nm konnte bei Spurabständen von weniger als 25 μm nur die kreisrunde und gaußförmige Grundmode angeregt werden. Bei höheren Spurabständen wurde zusätzlich die Ausbreitung höherer Moden beobachtet. Die geführten Grundmoden hatten einen Durchmesser von 11 μm bis 20 μm. Bei einer Wellenlänge von 1063 nm betrugen die minimalen Ausbreitungsverluste des geführten Lichts in Doppelspur-Wellenleitern etwa 0,6 dB/cm und bei 632,8 nm etwa 0,7 dB/cm. Die maximale Brechungsindexänderung im Zentrum der Doppelspuren konnte mit verschiedenen Methoden zu etwa 1⋅ 10-3 bestimmt werden.
Um die Auswirkungen der fs-Laserstrukturierung auf den Laserbetrieb eines Nd:YAG-Wellenleiterlasers zu untersuchen, wurden ortsaufgelöste Emissionsspektren des zentralen Bereichs der Doppelspuren eines Nd:YAG-Kristalls im Wellenlängenbereich von 1050 nm bis 1080 nm aufgenommen. Hierbei wurden Rotverschiebungen der Emissionsmaxima von bis zu 0,09 nm und Verbreiterungen von bis zu 0,22 nm im Vergleich zu einem Volumeneinkristall gemessen. Die Fluoreszenzlebensdauer des oberen Laserniveaus blieb unverändert.
Mit Doppelspur-Wellenleitern in Nd(1% ):YAG und Yb(7% ):YAG konnte effizienter Laserbetrieb bei hohen Auskoppelgraden erzielt werden. In Nd:YAG wurde ein Wellenleiterlaser bei einer Wellenlänge von 1064 nm realisiert. Bei einem Auskoppelgrad von 96% wurde eine Ausgangsleistung von 1,29 W bei einer eingekoppelten Pumpleistung von 2,25 W erreicht. Der differentielle Wirkungsgrad betrug 59% . Dies stellt die höchste bisher demonstrierte Ausgangsleistung eines mit fs-Laserpulsen geschriebenen Wellenleiterlasers dar. Yb:YAG-Doppelspur-Wellenleiterlaser zeigten Laseroszillation bei einer Wellenlänge von 1030 nm. Bei einer eingekoppelten Pumpleistung von 1,2 W konnte eine Ausgangsleistung von 765 mW erreicht werden. Der differentielle Wirkungsgrad betrug 77% bei einem Auskoppelgrad von 99% und stellt damit den höchsten bisher erreichten Wirkungsgrad eines mit fs-Laserpulsen geschriebenen Wellenleiterlasers dar. Neben dem Dauerstrichbetrieb wurden Experimente zur passiven Güteschaltung des Nd(1% ):YAG-Wellenleiterlasers durchgeführt. Hierfür wurde eine Cr,Mg:YAG-Schicht mittels Pulsed Laser Deposition auf eine Kristallendfläche aufgetragen. Durch Güteschaltung erzeugte Pulse konnten nicht generiert werden. Jedoch war eine schnelle Modulation der Ausgangsleistung mit einer Frequenz von 5 MHz möglich.
The subject of this thesis was the fabrication of waveguide lasers in YAG crystals by direct fs-laser structuring. For this purpose, fs-laser pulses with a pulse duration of 150 fs and pulse energies between 1 μJ and 1,5 μJ were focused 300 μm below the crystal surface. Single tracks and pairs of tracks were written by translating the samples with a velocity of 10 μm/s.
Due to stress-induced changes of the refractive index waveguiding was possible in multiple channels adjacent to the single tracks or located between the pairs of tracks. Propagation of a circular and Gaussian shaped fundamental mode was observed in the center of pairs of tracks for light at a wavelength of 1063 nm. At a wavelength of 632.8 nm the observed fundamental mode was round and Gaussian as well, but could be excited only at track distances of less than 25 μm. At higher track distances the waveguides were multimode. The guided fundamental modes had diameters between 11 μm and 20 μm. At a wavelength of 1063 nm minimal propagation losses were determined to be around 0.6 dB/cm and at 632.8 nm the minimal propagation losses were around 0,7 dB/cm. The maximum change of the refractive index in the center of pairs of tracks was measured to be in the order of 1⋅ 10-3.
In order to analyse the effects of fs-laser structuring on the laser operation of the Nd:YAG waveguide lasers, spatial resolved emission spetra were recorded in the wavelength range from 1050 nm to 1080 nm. The emission spectra were obtained in the center of a pair of tracks in a Nd:YAG crystal. A red-shift of the emission peaks up to 0.09 nm and a peak-broadening up to 0.22 nm in comparison to bulk material were measured. No change of the fluorescence lifetime of the upper laser level was observed.
Efficient waveguide lasers between pairs of tracks were realized in Nd(1% ):YAG and Yb(7% ):YAG at high outcoupling transmissions. In Nd:YAG, a channel waveguide laser was demonstrated at a wavelength of 1064 nm and an outcoupling transmission of 96% . The maximum output power was 1.29 W at a launched pump power of 2.25 W. The slope efficiency was 59% . This is the highest output power realized with a fs-laser written waveguide laser so far. Yb:YAG waveguide lasers were demonstrated at a wavelength of 1030 nm. At a launched pump power of 1.2 W an output power of 765 mW was achieved. The slope efficiency was 77% at an outcoupling transmission of 99% . This is the highest efficiency of a fs-laser written waveguide laser reported so far. In addition to continuous wave laser experiments, passive Q-switching experiments of a Nd(1% ):YAG waveguide laser were performed. A thin Cr,Mg:YAG film serving as a saturable absorber was deposited on one end facet of the crystal using the pulsed laser deposition technique. Pulses generated by Q-switching could not be observed, instead a fast modulation with a frequency of 5 MHz was obtained.