Volker Peters, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2001
Schlagwörter: Kristallzucht, Selten-Erd Oxide, Ytterbium Spektroskopie, Paarspektroskopie, Laser
PACS: 81.10.Fq, 78.20.Ci, 42.55.Rz
VolltextDie hochschmelzenden Sesquioxide des Scandiums, Yttriums und Lutetiums sind aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, der großen Stark-Aufspaltung und ihrer geringen Phononenenergien als Wirtsmaterialien für Laserkristalle von Interesse. Laserbetrieb konnte in den Sesquioxiden mit zahlreichen Selten-Erd Dotierungen erzielt werden. Insbesondere dreiwertiges Ytterbium als Dotierung hat in ersten Hochleistungs-Laserversuchen äußerst vielversprechende Resultate gezeigt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden bekannte Kristallzuchtmethoden für die Zucht der hochschmelzenden Sesquioxide optimiert. Das HEM-Verfahren (Heat-Exchanger-Method) wurde an die hohen Schmelztemperaturen der Sesquioxide angepaßt, um die Herstellung größerer Einkristalle von höherer optischer Qualität als mit den bisher getesteten Methoden zu ermöglich. In ersten Zuchtversuchen konnten Scandiumoxid Einkristalle von mehreren Kubikzentimetern Volumen hergestellt werden.
Es wurden spektroskopische Analysen von Sesquioxiden mit verschiedenen Selten-Erd Dotierungen vorgenommen. Besonderer Wert wurde auf die Identifikation der elektronischen Niveaus des dreiwertigen Ytterbiums auf den beiden kristallographischen Plätzen mit C2- und C3i-Symmetrie gelegt. Die eindeutige Unterscheidung zwischen elektronischen und vibronischen Niveaus mit herkömmlicher Tieftemperatur-Spektroskopie ist bei Ytterbium aufgrund der starken Elektron-Phonon-Kopplung nicht möglich.
Zunächst wurde versucht mit Messungen bei hohen hydrostatischen Drücken im GPa Bereich zwischen elektronischen und vibronischen Niveaus zu unterscheiden. Dies ist prinzipiell möglich, da die Phononen des Wirtsgitters im allgemeinen anders auf Druck reagieren als die elektronischen Niveaus. Die beobachteten Linienverschiebungen reichten allerdings nicht aus, um eine Unterscheidung zu ermöglichen.
Erfolgreicher waren Messungen an Ytterbium-Paaren, die über Austausch-Wechselwirkung gekoppelt sind. Aufgrund der geringeren Elektron-Phonon-Kopplung bei Paarübergängen ermöglichten Messungen der Paar-Absorption und -Emission im grünen Spektralbereich eine eindeutige Bestimmung der Energieniveaus von Ionen auf beiden Kationenplätzen. Da die Übergänge zwischen Paar-Niveaus sehr schwach sind, wurden zahlreiche andere Selten-Erd Dotierungen vermessen, um Übergänge anderer Materialien, die als Verunreinigungen in den Ausgangsmaterialien vorkommen, ausschließen zu können.
The high-melting sesquioxides of scandium, yttrium, and lutetium are interesting laser host-materials because of their high thermal conductivity, strong Stark-splitting, and low phonon energies. Laser operation of sesquioxide crystals doped with various rare-earths has been demonstrated. Especially sesquioxides doped with trivalent ytterbium have shown very promising results in first high-power laser experiments.
In the course of this work several known crystal growth methods were optimized for the growth of bulk sesquioxide crystals. The heat-exchanger-method was adapted for the use at the high melting temperatures to be able to obtain larger single crystals of higher optical quality than with the growth methods used in the past. Scandia single crystals of several cubic centimeters in volume could be grown in first experiments by this method.
Sesquioxide crystals doped with various rare-earths as well as non-doped crystals were spectroscopically analyzed. Special emphasis was set on the identification of the electronic level structure of trivalent ytterbium in the two crystallographic symmetry sites C2 and C3i. Due to the strong electron-phonon coupling in ytterbium an unambiguous identification of electronic and vibronic levels by standard low temperature spectroscopy is not successful.
Measurements at high hydrostatic pressures of several GPa were used in a first attempt to distinguish between electronic and vibronic levels. This is possible since the phonons of the host lattice generally show a different reaction to pressure than the electronic levels. The experimentally observed line shifts, however, were not sufficient to make this distinction.
The study of exchange-coupled ytterbium pair-states proved more successful. Due to the reduced electron-phonon coupling for pair-transitions, measurements of the pair-absorption and -emission in the green spectral region allowed a clear determination of the electronic structure for ions in both symmetry sites. Since the cross-sections of the pair-transitions are very low, the spectra of various other rare-earths were measured to exclude transitions from rare-earths that appear as unwanted impurities in the raw chemicals.