Dissertation Ulrike Wolters

Ulrike Wolters, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2014 :

"Inversionsabhängige Verluste in Yb:YAG und ihre Auswirkungen auf den Scheibenlaserbetrieb"

"Inversion Dependent Losses in Yb:YAG and their Effects on Thin-Disk Laser Operation"

Schlagwörter: Infrared Laser, Ytterbium, YAG, Spectroscopy, Crystal Growth, Thin Disk Laser, Nonlinear Effects, Photoconductivity
PACS : 42.55.Ah, 42.55.Rz, 42.55.Lh, 42.60.Pk, 42.65.Ky, 42.70.Hj, 72.40.+w, 72.80.Sk, 78.420.Pa, 78.30.Am, 78.40.Ha
Der Volltext wurde als Buch/Online-Dokument (ISBN 9783844027723) im Shaker Verlag veröffentlicht.

Summary

Kurzfassung

Diese Arbeit befasst sich mit nichtlinearen Verlusten, die bei hohen Inversionsdichten in Yb:YAG-Scheibenlasern auftreten und einen effizienten Laserbetrieb verhindern. Die spektroskopischen Eigenschaften, die lichtinduzierte elektrische Leitfähigkeit sowie die Scheibenlasereigenschaften von Yb:YAG werden untersucht, um die zugrundeliegenden Prozesse zu identifizieren und in einem Modell zu beschreiben.

Absorptions- und Emissionsmessungen an Yb:YAG Kristallen bei hohen Anregungsdichten zeigen, dass ein Teil der Yb³⁺ Anregungsenergie nichtstrahlend verloren geht. Eine Sättigung des 4fⁿ–4fⁿ Übergangs bei 940 nm tritt nicht wie erwartet ein. Anhand der Ergebnisse wird gefolgert, dass mehrere angeregten Yb³⁺-Ionen in einem kooperativen Prozess nichtstrahlend relaxieren. Dies wird durch die überlineare Pumpleistungsabhängigkeit der lichtinduzierten Leitfähigkeit von Yb:YAG bestätigt. Dabei werden durch Yb³⁺-Anregung freie Ladungsträger generiert. Die Bestimmung des Ladungsträgertyps zeigt, dass Löcher im Valenzband die Majoritätsträger in Yb:YAG Laserkristallen sind.

Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein Modell für die Erzeugung freier Ladungsträger durch Anregung von Yb³⁺ Ionen entwickelt. Es beschreibt einen kooperativen Mechanismus, bei dem mehrere Yb³⁺ Ionen gleichzeitig relaxieren. Durch phononen-unterstützte Energietransfer-Upconversion wird dabei ein Verlustzentrum generiert, das aus einem transienten Yb²⁺ Ion und einem an einen Sauerstoffliganden gebundenen Loch besteht. Diese transienten Zentren zerfallen bei Raumtemperatur nichtstrahlend, was zur Erwärmung des Kristalls führt. Durch Absorption nahinfraroter Strahlung kann ein Valenzbandelektron in das gebundene Loch angeregt werden, was zu Löcherleitung im Valenzband führt. Aus den Ratengleichungen für diesen Mechanismus folgt, dass die Anzahl beweglicher Ladungsträger proportional zur zweiten bis dritten Potenz der Pumpleistung ist. Dies deckt sich mit den Ergebnissen der Photoleitfähigkeitsmessungen.

Schließlich werden Yb:YAG-Keramiken sowie Einkristalle in Bezug auf ihre Lasereffizienz verglichen. Die Laserleistung wird bei verschiedenen Auskoppelgraden unter Einbeziehung der Temperatur im aktiven Medium analysiert. In Einklang mit den spektroskopischen Ergebnissen und dem vorgestellten Modell wird ein nichtlinearer Verlustprozess nachgewiesen. Durch Berücksichtigung dieses Laserverlustes in den Laserbedingungen ist nun eine realistische Abschätzung der Besetzungsdichte des oberen Laserniveaus bei hohen Anregungsdichtenmöglich.

Die niedrige Effizienz von Yb:YAG-Scheibenlasern bei hohen Inversionsdichten kann demnach auf drei Effekte zurückgeführt werden: Da ein Teil der Anregungsenergie durch die Erzeugung des Verlustzentrums verloren geht, ist eine höhere Pumpleistung erforderlich, um die Schwellinversion zu erreichen. Zudem muss der zusätzliche Laserverlust aufgrund der Absorption des Verlustzentrums durch eine erhöhte Schwellinversion ausgeglichen werden. Drittens wird mit steigender Inversionsdichte überproportional viel Wärme im aktiven Medium erzeugt. Im Zusammenspiel führen die einzelnen Effekte zu einer selbstverstärkenden Degradation des Lasers, womit das vorgestellte Modell treffend die beobachten Laserverluste in Yb:YAG Scheibenlaser beschreibt.

Titel

Kurzfassung

Summary

The work presented in this thesis aims to identify the fundamental mechanism responsible for the nonlinear losses in Yb:YAG thin-disk lasers that inhibit efficient laser operation at high inversion densities. The investigation of spectroscopic properties, photoinduced electrical conductivity and thin-disk laser performance allows to characterize and model the underlying processes.

Absorption and emission measurements of Yb:YAG single crystals at high xcitation levels reveal that part of the excitation energy of Yb3+ ions is lost at high inversion densities and that saturation of the 4fⁿ–4fⁿ transition at 940 nm is not reached as expected. From the results it is deduced that several Yb³⁺ ions relax nonradiatively in a cooperative mechanism. This is supported by the superlinear pump power dependence of the photoinduced electrical conductivity in Yb:YAG. Here, Yb³⁺ excitation leads to the creation of mobile carriers. The determination of the carrier sign shows, that holes in the valence band are the majority carrier in Yb:YAG laser crystals.

On basis of these results, a model for the creation of free carriers by excitation of Yb³⁺ ions is proposed. It describes a cooperative mechanism that simultaneously relaxes several excited Yb³⁺ ions. The process generates a loss center consisting of a transient Yb²⁺ ion and a hole bound to an oxygen ligand in a phonon-assisted energy transfer upconversion. These transient Yb²⁺ centers decay nonradiatively at room temperature, generating heat inside the crystal. Once a hole is created, a valence band electron can be excited into the hole by absorption of near infrared radiation, giving rise to hole conductivity in the valence band. The rate equations describing this mechanism of photocarrier generation yield a density of mobile holes in the valence band that is proportional to the second to third power of the pump power. This is in very good agreement with the results of the photoconductivity measurements.

In the third part of this thesis Yb:YAG ceramics and single crystals are compared regarding thin-disk laser performance. The laser input-output curves are analyzed by taking the temperature distribution in the active medium into account, allowing an evaluation of thermal effects such as a shift of the laser threshold. In correspondence to the spectroscopic investigations and the proposed model, a nonlinear loss process is found. Incorporating this laser loss into the lasing conditions allows for a realistic estimate of the population density of the upper laser level at high excitation levels.

It is concluded that the efficiency decrease of Yb:YAG thin-disk lasers at high inversion densities is a result of three effects: First, due to the creation of the loss centers a part of the Yb³⁺ excitation energy is lost and a higher threshold pump power is necessary to reach threshold inversion. Second, the additional laser loss due to absorption of the loss center has to be compensated by a higher inversion density. Third, there is a disproportionate heat generation that strongly increases with inversion density. As the combination of these effects results in a self-enhancing degradation of the laser, the proposed model fully succeeds in describing the laser losses observed in Yb:YAG thin-disk lasers.