Michael Mond, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2003 :

"Cr2+-dotierte Chalkogenide - Neue durchstimmbare Festkörperlaser und passive Güteschalter im mittleren infraroten Spektralbereich "


"Cr2+-doped chalcogenides - New tunable solid-state lasers and passive Q-switches in the mid-infrared spectral range "



Schlagwörter:
PACS : 42.55.-f, 42.72.Ai, 42.55.Xi, 42.60.Gd, 42.70.Hj
Der Volltext wurde als Buch/Online-Dokument (ISBN 3-8322-1514-X ) im Shaker Verlag veröffentlicht.

Summary

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.

Titel

Kurzfassung

Summary

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.