Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die chromdotierten
Chalkogenide als aktive und passive Elemente für Festkörperlaser
im mittleren infraroten Spektralbereich vorgestellt.
In der Verwendung als aktive Laserkristalle zeichnen sich die
Cr2+-dotierten Chalkogenide durch eine breite
Durchstimmbarkeit im Spektralbereich von 2 µm bis über
3 µm und einen effizienten 4-Niveau-Laserbetrieb aus. Der
Schwerpunkt dieser Arbeit wird auf Cr2+:ZnSe gelegt, wobei
auch Cr2+:CdSe und Cr2+:Cd0.55Mn0.45Te
untersucht werden.
Das tetraedrisch koordinierte divalente Chromion weist innerhalb
der Chalkogenide Emissions- und Absorptionswirkungsquerschnitte in
der Größenordnung von 10-18 cm2 auf. Die
Lebensdauer des oberen Laserniveaus liegt typischerweise im
Bereich von 3-7 µs. Eine Absorption aus angeregten Zuständen
kann für Cr2+:ZnSe im gesamten Spektralbereich der Emission
und Absorption nahezu vernachlässigt werden.
Für den Cr2+:ZnSe-Laser bei einer Wellenlänge von 2.5 µm
werden verschiedene Anregungsquellen, wie erbiumdotierte
Faserverstärker, Thulium-Festkörperlaser und Laserdioden bei
verschiedenen Wellenlängen eingesetzt und detailliert untersucht.
Für den Hochleistungslaserbetrieb erweist sich der Tm:YAG-Laser
als geeignetste Anregungsquelle. Ein auf diese Weise gepumpter
Cr2+:ZnSe-Laser erreicht im Dauerstrichbetrieb eine maximale
Ausgangsleistung von 1.4 W mit einem differentiellen
Wirkungsgrad von 73 % bezogen auf die absorbierte
Pumpleistung. Die Durchstimmbarkeit dieses Lasers wird bis zu
einer Wellenlänge von 3.04 µm demonstriert. Unter direkter
Anregung mit Laserdioden bei einer Wellenlänge von 1.9 µm
bzw. 2.0 µm werden Ausgangsleistungen von bis zu 125 mW
und differentielle Wirkungsgrade von bis zu 35 % erzielt.
Weiterhin wird ein Cr2+:ZnSe-Kristall als passiver
Güteschalter für einen diodengepumpten Tm:KY(WO4)2- bzw.
Tm:YAG-Grundzustandslaser bei einer Wellenlänge von 1.9 µm
bzw. 2.0 µm eingesetzt. Für den Tm:KYW-Laser wird eine
maximale Pulsenergie von etwa 30 µJ bei einer
Repetitionsrate von 8.4 kHz erreicht. Die passive Güteschaltung
des Tm:YAG-Lasers führt zu Pulsenergien von ~0.44 mJ bei
einer Repetitionsrate von ~4 kHz.
Sowohl der Cr2+:ZnSe-Laserbetrieb als auch die passive
Güteschaltung der Thulium-Grundzustandslaser werden mit
Ratengleichungen analysiert.
In this work chromium doped chalcogenides are
presented as active and passive elements for solid-state lasers in
the mid-infrared spectral range.
Used as active laser crystals, the Cr2+-doped chalcogenides
show a broad tunability in the spectral range between 2 µm
and more than 3 µm and an efficient 4-level-laser operation.
This work is mainly focused on Cr2+:ZnSe, whereby
Cr2+:CdSe and Cr2+:Cd0.55Mn0.45Te are also
investigated.
The tetrahedrally coordinated divalent chromium ion inside the
chalcogenides has emission and absorption cross sections in the
order of 10-18 cm2. The lifetime of the upper
laser level is in the range of 3-7 µs. Excited state
absorption is almost negligible for the whole range of emission
and absorption, at least for Cr2+:ZnSe.
For the Cr2+:ZnSe laser at a wavelength of 2.5 µm
different pump sources are used, these are an erbium doped fibre
amplifier, thulium ground state lasers and laser diodes at
different wavelengths. A detailed investigation is performed. For
the case of high power laser operation, the Tm:YAG laser appears
to be the most suitable pump source. Pumping the Cr2+:ZnSe
laser in this way, a maximum output power of 1.4 W with a slope
efficiency of 73 % with respect to the absorbed pump power is
achieved in continuous wave laser operation. The tunability of
this laser is demonstrated up to a wavelength of 3.04 µm.
Using laser diodes at a wavelength of 1.9 µm or 2.0 µm
a maximum output power of up to 125 mW and a maximum slope
efficiency of 35 % are obtained.
Furthermore, a Cr2+:ZnSe crystal is used as a passive
Q-switch for a diode pumped Tm:KY(WO4)2 and Tm:YAG ground
state laser at wavelengths of 1.9 µm and 2.0 µm,
respectively. For the Tm:KYW laser a maximum pulse energy of ~30 µJ
at a repetition rate of ~8.4 kHz is achieved.
Passive Q-switching of the Tm:YAG laser leads to pulse energies of
~0.44 mJ at a repetition rate of ~4 kHz.
The Cr2+:ZnSe laser operation as well as the passive
Q-switching of the thulium ground state lasers are analyzed with
rate equations.