"Praseodym-dotierte Fluoride für kompakte Festkörperlaser im sichtbaren Spektralbereich"

"Praseodymium-doped Fluorides for Compact Solid-State Lasers in the Visible Spectral Range"

Kurzfassung

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit richtet sich auf die Realisierung und Charakterisierung hocheffizienter, kompakter Praseodymlaser mit Emission im grünen Spektralbereich auf Basis fluoridischer Wirtskristalle. Für Pr³⁺-dotierte Materialien ergibt sich mit der direkten Erzeugung sichtbarer Laserstrahlung unter Anregung durch InGaN-Laserdioden bei einer Wellenlänge von 444 nm ein großes Potential zur Realisierung eines kompakten Lasers. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf Pr³⁺:LiYF₄ (Pr:YLF) als aussichtsreiches Lasermaterial für diese Anwendung. Weitere Schwerpunkte liegen in der vergleichenden spektroskopischen und Lasercharakterisierung der Materialien Pr³⁺:BaY₂F₈ (Pr:BYF) und Pr³⁺:LiY_0,5Lu_0,5F₄ (Pr:YLLF), sowie der Analyse grundlegender Charakteristika des Pr:YLF-Lasersystems.

Mit einem Pr(0,5at.%):YLF-Kristall konnte in einem einfachen, linearen, diodengepumpten Aufbau effiziente Lasertätigkeit mit Emission bei einer Wellenlänge von λ = 522,5 nm realisiert werden. Die maximale Ausgangsleistung von 358 mW, der differentielle Wirkungsgrad von 59% und die elektro-optische Systemeffizienz von 7,4% waren die höchsten bis dato dokumentierten Werte für einen einfach diodengepumpten grün emittierenden Pr-Laser.

In einem ähnlichen Aufbau wurden durch Anregung eines Pr(2at.%):YLF-Kristalls mit einer gepulst betriebenen InGaN-Laserdiode im gewinngeschalteten Regime Laserpulse mit minimalen Längen von 128 ns im grünen Spektralbereich erzeugt.

Mit einer vereinfachten Pumpoptik wurden in einer besonders kompakten, linearen Anordnung Experimente zur resonatorinternen Frequenzverdopplung eines rot emittierenden Pr:YLF Lasers durchgeführt. Dabei wurde bei einer Wellenlänge von 319,8 nm im Dauerstrichbetrieb eine maximale Ausgangsleistung der kohärenten UV-Emission von 50 mW erreicht.

In Durchstimmexperimenten mit Pr:YLF wurde Lasertätigkeit auch bei verstärkungsschwachen Emissionslinien gezeigt. Kontinuierlich durchstimmbar war der Laser allerdings nur über schmale Spektralbereiche von ein bis zwei Nanometern Breite.

Die Czochralski-Kristallzüchtung von Pr:YLLF stellt die erste Realisierung eines Pr-dotierten LiY_1-xLu_xF₄ Mischsytems dar. Die spektroskopischen und Lasereigenschaften dieses Materials sind zu denjenigen von Pr:YLF vergleichbar, womit die Eignung als Lasermaterial auch hinsichtlich der schon realisierten Kristallqualität als vielversprechend eingeschätzt wird.

Mit Pr:BYF konnte erstmalig Lasertätigkeit mit Emission bei den Wellenlängen 524,1 und 552,7 nm im grünen Spektralbereich und eine Optimierung der Lasereigenschaften für den rot emittierenden Laser gegenüber früher dokumentierten Resultaten erreicht werden.

Die spektroskopischen Untersuchungen konzentrierten sich neben der Charakterisierung der Materialien im Hinblick auf ihre Eignung als aktives Lasermedium auf die Übergangslinie bei 604 nm von Pr:YLF. Bei Tieftemperaturuntersuchungen wurden für diese Linie eine effektive Entkopplung von phononischen Einflüssen und ein sehr großer Emissionswirkungsquerschnitt ermittelt. Dies führte auch zu deutlich veränderten Lasercharakteristika bei Experimenten im selben Temperaturbereich.

Insgesamt zeigen die Resultate, dass hocheffiziente, kompakte, grün emittierende Laser auf der Basis von Pr:YLF realisiert werden können. Weiterhin wurde deutlich, dass Pr-Laser auch für Anwendungen interessant sind, in denen die Verfügbarkeit bestimmter Laserwellenlängen im sichtbaren und UV-Bereich oder besonders kompakte Systeme im Vordergrund stehen.

Titel

Kurzfassung

Summary

The focus of this thesis is the realization and characterization of highly efficient, compact Praseodymium-lasers emitting in the green spectral range based on fluoride crystal hosts. For Pr³⁺-doped materials, the possibility of generating visible laser radiation directly by excitation with InGaN laser diodes at a wavelength of 444 nm leads to a huge potential for realizing a compact laser. The investigations in the framework of this thesis concentrate on Pr³⁺:LiYF₄ (Pr:YLF) as a promising candidate for this application. Further key aspects are the comparative spectroscopic and laser characterization of the materials Pr³⁺:BaY₂F₈ (Pr:BYF) and Pr³⁺:LiY_0.5Lu_0.5F₄ (Pr:YLLF), as well as an analysis of basic properties of the Pr:YLF laser system.

Using a Pr(0.5at.%):YLF crystal in a simple, linear, diode-pumped setup, efficient laser operation with an emission wavelength of λ=522.5nm could be realized. The maximum output power of 358 mW, the slope efficiency of 59%, and the electro-optical efficiency of 7.4% were the highest values documented so far for a green emitting Pr-laser pumped by a single laser diode.

By exciting a Pr(2at.%):YLF crystal in a similar setup using a current pulse operated InGaN laser diode, laser pulses in the green spectral range were generated in the gain-switched regime, resulting in minimum pulse widths of 128 ns.

Employing simplified pump optics, experiments on the intracavity frequency doubling of a red emitting Pr:YLF laser were carried out in a particularly compact, linear setup. At a wavelength of 319.8 nm, a maximum output power of 50 mW was reached for the coherent UV emission in continuous wave laser operation.

In laser wavelength tuning experiments with Pr:YLF, laser operation could be demonstrated even at emission lines with weak amplification. However, continuous tuning was only possible for narrow spectral sections of few nanometers.

The successful Czochralski crystal growth of Pr:YLLF marks the first realization of a Pr-doped LiY_1-xLu_xF₄ mixed crystal system. Spectroscopic and laser properties of this material are comparable to those of Pr:YLF. Thus, the suitability as active laser medium, also with respect to the crystal quality already achieved, is considered highly promising.

With Pr:BYF, laser operation at emission wavelengths of 524.1 and 552.7 nm in the green spectral range was demonstrated for the first time. Also, for the red emitting Pr:BYF laser, an optimization of the laser performance in comparison to earlier experiments could be achieved.

The spectroscopic analyses focused on the evaluation of the three investigated materials as active laser media and on the transition line at 604 nm of Pr:YLF. For the latter, very efficient decoupling of phonon interaction and a huge emission cross-section were determined at low temperatures. This also led to significant changes of the laser characteristics in the same temperature range.

The obtained results show that highly efficient, compact green emitting lasers can be realized based on Pr:YLF. Furthermore, the high suitability of Pr-lasers for applications that require compact systems or certain laser wavelengths in the visible and UV spectral range could be demonstrated.