Gegenstand dieser Arbeit ist die Charakterisierung Yb-dotierter Sesquioxide sowie des Wolframats Yb:NaGd(WO4)2 (NGW) hinsichtlich ihrer Eignung als aktive Materialien im Scheibenlaser. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Weiterentwicklung und Optimierung des für die Hochtemperatur-Kristallzüchtung der Sesquioxide eingesetzten Kristallzüchtungsverfahrens.
Hierzu wurden mittels der Heat-Exchanger-Method Lu2O3-, Sc2O3-, Y2O3- und LuScO3- Kristalle unterschiedlicher Yb-Dotierungskonzentrationen hergestellt und der Einfluss der Züchtungsatmosphäre und der Tiegelform untersucht. In allen Fällen konnten erstmals sehr große Einkristalle hergestellt werden, im Falle von Lu2O3 mit einem Volumen von bis zu 30 cm3. Anhand der Bestimmung der Lebensdauer des angeregten Zustandes von Yb3+ in den verschiedenen Materialien mit Hilfe der Pinhole-Methode konnte bei den Yb-dotierten Sesquioxiden eine deutliche Verminderung der Konzentrationslöschung im Vergleich zu früheren Arbeiten beobachtet werden. Dies ist ein Hinweis auf die ausgezeichnete Qualität der hergestellten Kristalle. Mit den ebenfalls ermittelten Absorptionswirkungsquerschnitten wurden über die Reziprozitäts-Relation und die Füchtbauer-Ladenburg-Gleichung die Emissionswirkungsquerschnitte der untersuchten Sesquioxide und des Yb:NGW bestimmt.
Desweiteren wurde der Verlauf der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit der Yb-Dotierungskonzentration ermittelt. Die experimentellen Daten lagen in guter Übereinstimmung mit dem nach einem Modell von Klemens ermittelten theoretischen Verlauf und belegen die gute Eignung der Sesquioxide, vor allem von Yb:Lu2O3, hinsichtlich dieses Gesichtspunktes für Hochleistungsanwendungen.
Um weitere Aussagen über die Qualität der hergestellten Yb-dotierten Sesquioxide treffen zu können, wurden Laserexperimente unter Anregung mit einem Ti:Saphir-Laser durchgeführt. Bis zu einer Dotierungskonzentration von etwa 5 at% Yb zeigten alle untersuchten Proben einen effizienten Laserbetrieb mit differentiellen Wirkungsgraden von bis zu 85 %. Dies gilt auch für Yb:LuScO3, für welches erstmals Laserbetrieb demonstriert wurde. In weiteren Experimenten konnte mit diesen Materialien der bisher effizienteste Laserbetrieb im Scheibenlaser mit differentiellen Wirkungsgraden von mehr als 80 %, optischen Wirkungsgraden von über 73 % und typischen Ausgangsleistungen um 35 W realisiert werden. Unter Verwendung von Yb:NGW kam es aufgrund der weniger guten thermischen Eigenschaften sowohl bei der Beschichtung der Scheibenlaserkristalle als auch im späteren Laserbetrieb zu Beschädigungen der Proben. Die höchste mit diesem Material erreichte Ausgangsleistung von 18,3 W wurde bei einem optischen Wirkungsgrad von etwa 42 % erzielt. Experimente zur spektralen Durchstimmbarkeit ergaben für die Sesquioxide einen typischen Durchstimmbereich von 1000 nm bis 1110 nm, wobei die Ausgangsleistung bei einer Pumpleistung von 32 W über einen Wellenlängenbereich von 95 nm mehr als 10 W beträgt.
In Kooperation mit der ETH Zürich wurde erstmals ein modengekoppelter Yb:Lu2O3 Scheibenlaser demonstriert. Dabei konnte bei einer mittleren Ausgangsleistung von 20,5 W eine minimale Pulsdauer von 370 fs erzielt werden. Der höchste optische Wirkungsgrad betrug 43 %. Die erzielten Resultate übertreffen die bisher mit Standardmaterial Yb:YAG erreichten Ergebnisse in Bezug auf Effizienz und Pulsdauer deutlich.
The subject of this thesis is the characterization of Yb-doped sesquioxides and NaGd(WO4)2 (NGW) with regard to their applicability as gain-materials in the thin-disk laser setup. Special attention is paid to the growth technique used for the production of high melting sesquioxides.
For that aim Lu2O3, Sc2O3, Y2O3 and LuScO3 crystals with different doping concentrations were grown using the heat exchanger method (HEM). The influence of the growth atmosphere and crucible design is investigated. For the first time, very large single crystalline samples of all sesquioxides could be grown, in case of Lu2O3 up to a volume of 30&xnbsp;cm3. The excited state lifetime of Yb3+ in these hosts is determined in spectroscopic investigations using the pinhole-method. In contrast to former publications, no decrease of the fluorescence lifetime with increasing Yb-concentration was observed. This can be attributed to the high purity of the crystals. Additionally, the absorption and emission cross sections of the investigated sesquioxides and Yb:NGW are determined. The thermal conductivities of the grown sesquioxide crystals were determined by the heat wave analysis method, focusing on the influence of the Yb-doping concentration. This dependency could well be fitted by a simple theoretical model by Klemens. These investigations on thermal conductivity confirmed the suitability of sesquioxides, especially that of Yb:Lu2O3, for high power laser applications.
Laser properties of the HEM-grown crystals are investigated using a longitudinal resonator and a Ti:sapphire laser as a pump source. Up to a doping concentration of 5at.% Yb highly efficient laser operation is observed for all samples with slope efficiencies up to 85 %. This also applies for the stoichiometrically mixed Yb:LuScO3 for which laser operation is demonstrated for the first time. In further experiments with the same materials the most efficient laser operation ever obtained in the thin-disk laser setup is achieved. With output powers in the range of 35 W the typical slope efficiency is above 80 % at optical-to-optical efficiencies of more than 73 % with respect to the incident pump power. In case of Yb:NGW a large fraction of the samples was damaged during the coating process and the laser experiments due to the poor thermal properties. Nevertheless, a maximum output power of 18.3 W with an optical-to-optical efficiency of 42 % could be achieved. Furthermore, spectral tuning experiments are performed in the thin-disk laser setup. For the sesquioxides the typical tuning range is from 1000 nm to 1110 nm with more than 10 W of output power over a spectral range of more than 95 nm for a launched pump power of 32 W.
In cooperation with the ETH Zurich a passively mode-locked Yb:Lu2O3 thin-disk laser is realized for the first time. The achieved minimum pulse duration is 370 fs at an average output power of more than 20 W. The highest optical-to-optical efficiency is 43 %. These results suggest that the use of Yb:Lu2O3 as a gain material yields superior performance to standard Yb:YAG thin-disk lasers in terms of efficiency and pulse duration.