Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Herstellung, sowie der strukturellen und spektroskopischen Untersuchungen der mittels Pulsed Laser Deposition hergestellten oxidischen Schichten. Die Schichten sind mit Selten-Erd-Ionen dotiert und weisen kristalline Struktur auf. Derartige Schichten können Anwendungen im Bereich der integrierte Optik finden. Auch der Einsatz als aktive Materialien für kompakte Lichtquellen und in Scheibenlasern ist möglich.
Es wurden Schichten mit Dicken im Bereich von 500 nm bis 10 µm aus den folgenden Materialien hergestellt: Scandium- (Sc2O3), Yttrium- (Y2O3), Lutetium- (Lu2O3) und Ytterbiumoxid (Yb2O3) sowie Yttrium-Aluminium-Granat (Y3Al5O12). Die Struktur der Schichten wurde mittels Röntgenbeugung (XRD) untersucht. Für die Scandiumoxidschichten wurde der Einfluss der Herstellungsparameter auf die Schichteigenschaften untersucht.
Die Scandiumoxidschichten sind stark in <111>-Richtung orientiert und weisen Kristallitgrößen von einigen hundert Nanometern auf. Die Kristallite in unter gleichen Bedingungen hergestellten Lutetiumoxidschichten sind dagegen kleiner 50 nm. Die meisten dieser Kristallite sind <111>-orientiert, aber auch andere Orientierungen treten auf.
Die bei 700°C hergestellten YAG-Schichten sind amorph. Nach dem Tempern bei 1200°C haben XRD-Untersuchungen die polykristalline Struktur der Schichten bestätigt. Ihr spektrales Verhalten war ähnlich zu dem des entsprechenden Volumenkristalls.
Wellenleitung wurde in der 1.2 µm dicken Eu:Y2O3-Schicht sowie in den 3 µm und 10 µm dicken Nd:Sc2O3-Schichten experimentell nachgewiesen. Lichtausbreitungsverluste von 19.5 dB/cm bzw. 12 dB/cm wurden für die 3 µm bzw. 10 µm Wellenleitern ermittelt. Die Anregungs- und Emissionsspektren der Nd‑dotierten Schichten ähneln denen des Volumenkristalls, wobei die Lebensdauer des 4F3/2 (Nd3+)-Multipletts in den Schichten etwas verkürzt ist.
Für die Ytterbiumoxidschichten ist die Emission nur bei Temperaturen unter 20 K gemessen worden. Die spektroskopischen Untersuchungen der Ytterbium-dotierten Scandium- und Lutetiumoxidschichten zeigen, dass deren Spektren denen der Volumenkristalle entsprechen, aber leicht von dem verwendeten Substrat und dem Nachtempern (900°C) abhängen. Die Lumineszenzquanteneffizienz erreicht den Wert von 66% für die Yb:Lu2O3 und 78% für die Yb:Sc2O3 Schichten.
This thesis presents the results of fabrication as well as structural and spectroscopic characterization of pulsed-laser-deposited oxide films. The fabricated films are activated by rare-earth ions and proven to be crystalline. Such films are promising for the fabrication of integrated optical devices or compact light sources. The application as active medium for thin disk lasers is considered as well.
The films produced include scandia (Sc2O3), yttria (Y2O3), lutetia (Lu2O3), ytterbia (Yb2O3) and yttrium-aluminum garnet (Y3Al5O12) films with thicknesses in the range from 500 nm to 10 µm. Their structural properties have been investigated by means of X-ray diffraction. The influence of the deposition parameters on the characteristics of the scandia films has been investigated in more detail and the optimal deposition parameters have been determined.
The scandia films are highly textured along the <111>‑direction and the crystallite dimensions reach several hundreds of nanometers. The lutetia films deposited under the same conditions demonstrate substantially smaller crystallites (<50 nm), which are mostly <111>‑oriented. However, other orientations are also present in the diffraction patterns of the lutetia films.
The YAG films deposited at 700°C have been proven to be amorphous. After annealing at 1200°C the XRD analysis revealed a polycrystalline behavior of the Yb:YAG films and their spectroscopic properties resembled those of the bulk.
Waveguiding has been demonstrated in a 1.2 µm thick Eu:Y2O3 film as well as in 3 µm and 10 µm thick Nd:Sc2O3 films. The light propagation losses have been estimated to be 19.5 dB/cm and 12 dB/cm, respectively, for the 3 µm and 10 µm Nd:Sc2O3 films. The excitation and emission spectra for the Nd:Sc2O3 films are close to those of the bulk material. The lifetime of the 4F3/2 (Nd3+) multiplet in the scandia PLD‑film is somewhat reduced compared to that in the bulk material.
Spectroscopic investigations of ytterbia as well as Yb-doped scandia, lutetia, and YAG films have been performed. For the ytterbia films the emission has only been detected at temperatures below 20 K. The spectra of the Yb:Sc2O3 and Yb:Lu2O3 films are bulk-like and vary slightly depending on the used substrate and the post annealing treatment (at 900°C). The luminescence quantum efficiency was up to 66% or up to 78%, respectively for the Yb‑doped lutetia and scandia films.