"Femtosekundenlaser-geschriebene kristalline Wellenleiterlaser im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich"

"Femtosecond-laser written crystalline waveguide lasers in the visible and near infrared spectral region"

Kurzfassung

Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung und Untersuchung von Wellenleitern und Wellenleiterlasern in Y₃Al₅O₁₂ (YAG), Yb:YAG, keramischem Yb:YAG, Cr⁴⁺:YAG gebondet an Nd:YAG (Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG), KTiOPO₄ (KTP) und Pr:SrAl₁₂O₁₉. Die Wellenleiter wurden mittels fs-Laserstrukturierung hergestellt. Dabei wurden durch Translation der Probe senkrecht zur Einfallsrichtung der fs-Laserstrahlung zwei parallele Spuren (Doppelspuren) modifizierten Materials geschrieben. Die untersuchten wellenleitenden Bereiche liegen zwischen diesen beiden Spuren, wobei sich die relative Erhöhung des Brechungsindex in diesen Bereichen aus einer Brechungsindexverringerung des modifizierten Materials und einer spannungsinduzierten Brechungsindexerhöhung zwischen den Spuren zusammensetzt.

Durch eine systematische Variation der Schreibparameter Pulsenergie, Translationsgeschwindigkeit und Spurabstand bei der Strukturierung von YAG wurden Parameterkombinationen für die Herstellung von Wellenleitern mit relativ niedriger Dämpfung (D = 0,85 dB/cm) bestimmt. Diese führen kreisförmige, nahezu gaußförmige Moden mit einem Durchmesser von 2w = 18 μm bei einer Wellenlänge von λ = 632,8 nm und Spurabständen d von 24 μm bis 26 μm. Wellenleiter mit d ≤ 24 μm und d ≥ 26 μm wiesen elliptische, nahezu gaußförmige Modenprofile auf. Für kleinere Spurabstände lag die Dämpfung leicht über 0,85 dB/cm und für größere Spurabstände leicht unter diesem Wert. Wellenleiter mit kleineren kreisförmigen Modenprofilen (2w = 14 μm bei λ = 632,8 nm, 2w = 17 μm bei λ = 1064 nm, d = 25 μm) wurden mit einer neuen Herstellungsmethode geschrieben. Dabei wurde während des Strukturierungsprozesses die lineare Verschiebung der Probe mit einer oszillierenden Bewegung senkrecht zur Translationsrichtung und Einfallsrichtung der fs-Laserstrahlung überlagert.

In Ti:Saphir-Laser gepumpten Yb:YAG Wellenleitern, die mit dieser Methode hergestellt wurden, konnte effizienter Laserbetrieb bei 1030 nm demonstriert werden. Es wurde ein differentieller Wirkungsgrad von η_s = 79 %, eine maximale Ausgangsleistung von P_out = 1055  mW und ein optisch-optischer Wirkungsgrad von η_opt = 67 % erzielt. Durch die Verwendung unterschiedlicher auf Halbleitertechnologie basierender Pumpquellen wurde in weiteren Laserexperimenten die mögliche Miniaturisierung derartiger Lasersysteme demonstriert (P_out = 2,4  W, η_s = 51 %). Durch die Realisation von S-förmig gekrümmten Yb:YAG Wellenleiterlasern konnte die mögliche Integrierbarkeit von fs-Laser-geschriebenen optischen Bauelementen auf optischen Chips demonstriert werden. Strukturen mit einem Krümmungsradius von R ≥ 20 mm wiesen gute Lasereigenschaften auf (P_thr ≤ 216  mW, η_s ≥ 51 %, P_out ≥ 726  mW).

Weiterhin wurde gütegeschalteter Laserbetrieb in Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG Wellenleitern mit Pulsenergien von 1 μJ und Pulsdauern von 1 ns und Laseroszillation in Yb:YAG Keramik Wellenleitern (P_thr = 233  mW, η_s = 65 %, P_out = 731 mW) erzielt.

Mit den Wellenleitern in Pr:SrAl₁₂O₁₉ (D = 0,16  dB/cm) wurde Laseroszillation im sichtbaren Spektralbereich bei 623 nm und 644 nm demonstriert. Durch Verwendung eines Spiegelsystems mit variabler Transmission konnte die Emissionswellenlänge des Lasers umgeschaltet bzw. gleichzeitige Laseroszillation auf beiden Wellenlängen erzielt werden.

Die in KTP hergestellten Wellenleiter (D = 0,6  dB/cm) eignen sich mit einem Modendurchmesser von 14 μm (d = 18 μm) zur effizienten Frequenzkonversion von Laserlicht.

Titel

Kurzfassung

Summary

The subject of this thesis is the fabrication and investigation of waveguides and waveguide lasers in Y₃Al₅O₁₂ (YAG), Yb:YAG, Yb:YAG ceramics, Cr⁴⁺:YAG bonded to Nd:YAG (Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG), KTiOPO₄ (KTP) and Pr:SrAl₁₂O₁₉. The waveguides were fabricated by fs-laser structuring. During the writing process the sample was translated perpendicular to the incident fs-laser radiation, so that tracks of modified material were formed. The investigated waveguides consisted of two parallel tracks with a waveguiding region in between. The relative increase of refractive index in this region results from a refractive index decrease of the modified material and a stress induced refractive index increase between the tracks.

With a systematic variation of the writing parameters pulse energy, translation velocity and track distance for the waveguide writing in YAG some combinations of parameters for the fabrication of waveguides with relatively low damping (D = 0.85 dB/cm) were identified. For track distances d between 24 μm and 26 μm nearly Gaussian circular mode profiles with a diameter of 2w = 18 μm were guided at a wavelength of λ = 632.8 nm. The mode profiles of waveguides with d ≤ 24 μm and d ≥ 26 μm were elliptically shaped and the damping of these waveguides was slightly above and below 0.85 dB/cm, respectively. Waveguides with circular mode profiles with a smaller diameter (2w = 14 μm at λ = 632.8 nm, 2w = 17 μm at λ = 1064 nm, d = 25 μm) were written with a new fabrication method, in which the linear translation was superimposed by an oscillation perpendicular to the translation direction and the incident fs-laser radiation Ti:Sapphire pumped highly efficient Yb:YAG waveguide lasers emitting at 1030 nm were demonstrated with waveguides, which were fabricated with this method. A slope efficiency of η_s = 79 %, a maximum output power of P_out = 1055  mW, and an optical-to-optical efficiency of η_opt = 67 % were achieved. In further laser experiments different semiconductor-based pump sources were applied. A maximum output power of 2.4 W and a maximum slope efficiency of 51 % was achieved. This shows the potential for miniaturization of these laser systems. Furthermore, by realizing S-bent Yb:YAG waveguide lasers the feasibility of integration of fs-laser written optical devices on optical chips was demonstrated. Structures with a radius of curvature of R ≥ 20 mm exhibited good laser characteristics (P_thr ≤ 216  mW, η_s ≥ 51 %, Pout ≥ 726  mW).

Additionally, Q-switched laser operation of Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG waveguides with pulse energies of 1 μJ and pulse durations of 1 ns as well as laser oscillation in Yb:YAG ceramic waveguides (P_thr = 233  mW, η_s = 65 %, P_out = 731 mW) was achieved.

With low loss waveguides in Pr:SrAl₁₂O₁₉ (D = 0.16 dB/cm) laser oscillation in the visible spectral region at 623 nm and 644 nm was achieved. By the application of a mirror system with variable transmission the laser emission could be switched between these two wavelengths. Furthermore dual wavelength operation of this device was demonstrated.

The fabricated KTP waveguides with a diameter of the mode profile of 14 μm (d = 18 μm) and a damping of 0.6 dB/cm are suitable for efficient frequency conversion of laser light.