Kurzfassung
Breitbandig emittierende Mn3+-dotierte Granatkristalle und Cr4+-dotierte
Kristalle mit Wurtzit-ähnlicher Struktur wurden im Hinblick auf die Realisierung
von durchstimmbaren Lasern temperaturabhängig spektroskopisch untersucht.
Alle Kristalle wurden nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt.
Die 300K-Fluoreszenz der Mn3+-dotierten Granatkristalle deckt den
Spektralbereich von 600nm bis 1300nm ab und ist für YAG und YGG
intensitätsstark und für GGG, YSGG und GSGG durch hohe nichtstrahlende
Prozesse stark gequencht. Die 300K-Quanteneffizienz der Mn3+-Emission beträgt
für Mn3+ :YAG, dem Wirtsgitter mit der größten Kristallfeldstärke, 100%; für
Mn3+ :GSGG, dem Wirtsgitter mit der kleinsten Kristallfeldstärke, ist sie auf
einen Wert kleiner als 0,1% reduziert. Absorptionen aus dem angeregten
Zustand (1T2g(t24)) (engl.: ESA) überdecken den gesamten Absorptions- und
Emissionsbereich. Stimulierte Emission ist weder bei hohen noch bei niedrigen
Temperaturen beobachtbar, so daß Lasertätigkeit von Mn3+-Ionen in
Granatkristallen nicht erwartet werden kann. Zur Erklärung des
spektroskopischen Verhaltens der untersuchten Mn3+-dotierten Kristalle wurde
ein Konfigurationskoordinatenmodell konstruiert, das nichtstrahlende
Relaxationen durch alpha1g-Modenkopplung erklärt und strahlende Prozesse
durch epsilong -Modenkopplung.
Die Polarisationsabhängigkeit der Absorptions- und Emissionsspektren
der Cr4+-dotierten LiAlO2- und LiGaO2-Kristalle kann unter Berücksichtigung
eines monoklin verzerrten Cr4+-Tetraederplatzes verstanden werden.
Als low-field-Systeme fluoreszieren Cr4+ :LiAlO2 und Cr4+ :LiGaO2 breitbandig
von 1µm bis 1,7µm mit Maxima bei 1,29µm bzw. bei 1,26µm. Die
Raumtemperaturlebensdauern betragen 29µs bzw. 18µs und 4µs für Cr4+ :LiAlO2
bzw. Cr4+ :LiGaO2 . Die stimulierte Emission ist von starken Absorptionen aus
dem angeregten Zustand (3T2) überlagert, so daß die Bedingung für
Laseremission (SigmaEM -SigmaESA)>0 nicht erfüllt ist.
Ein Vergleich verschiedener Wirtsgitter zeigt, daß Cr4+-dotierte oxidische
Kristalle nur dann hohe Fluoreszenzwirkungsquerschnitte besitzen, wenn die
substituierten Tetraeder isoliert und stark verzerrt sind. Ist die
Tetraeder-Platzsymmetrie D2d, C3v, D2 oder C2v, so besteht für bestimmte
Polarisationsrichtungen und erste angeregte Zustände keine Wahrscheinlichkeit
für elektrisch dipolerlaubte ESA-Übergänge.
The results of the temperature depending spectroscopic investigations of Mn3+-doped oxide crystals and Cr4+-doped crystals with Wurtzite-like structure are presented and analysed with respect to the realisation of tuneable lasers. All investigated crystals were grown by the Czochralski-technique. The 300K-emission of the Mn3+-doped garnet crystals covers the spectral range from 600nm to 1300nm. It is very intense for YAG and YGG and strongly quenched by nonradiative relaxation processes for GGG, YSGG and GSGG. The 300K-emission quantum efficiency amounts to 100% for Mn:YAG, the host with the strongest crystal field strength. For Mn:GSGG, the host with the weakest crystal field strength, the efficiency is reduced to 0,1%. Excited state absorptions from the (1T2g(t24)), cover the whole absorption and emission range. Since no stimulated emission occurs neither at room temperature nor at low temperatures, laser oscillation is not expected. In order to explain the spectroscopic properties of the Mn3+-doped crystals a configurational coordinated model, which explains nonradiative ralaxation processes by coupling to alpha1g-modes and radiative processes by coupling to epsilong-modes. The polarisation dependent absorption and emission spectra of the Cr4+-doped LiAlO2- and LiGaO2-crystals are analysed in terms of a monoclinic distorted tetrahedral site. As low-field systems Cr4+:LiAlO2 and Cr4+:LiGaO2 exhibit broad band emission around 1,29·10-6m and 1,26·10-6m with room temperature lifetimes of 29·10-6s and 18·10-6s (4·10-6s), respectively. The stimulated emission is strongly reduced by absorptions of the excited 3T2 state, so that the laser condition (sigmaEM - sigmaESA)>0 is not fulfilled. A comparison of Cr4+-doped oxide crystals reveals that the emission cross section is increased, if isolated and strongly distorted tetrahedral sites are substituted by the Cr4+-ion. In the case of a D2d, C3v, D2 or C2v site symmetry of the Cr4+-tetrahedrons, there is no possibility of electric dipole allowed excited state absorption transitions for specific polarisations and first excited states.