Kurzfassung
Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Realisierung von Laserübergängen
im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich in seltenerddotierten
Festkörperlasermaterialien. Zu diesem Zweck wurden Erbium - und
Erbium - Ytterbiumdotierte Fluoridkristalle mit unterschiedlichen
Konzentrationsverhältnissen nach dem Czochralski - Verfahren gezüchtet und
untersucht. Die durchgeführten Untersuchungen umfassten sowohl die
spektroskopische Charakterisierung hinsichtlich der Grundzustandsabsorption,
der Absorption aus angeregten Zuständen, der Fluoreszenz und der Lebensdauer
als auch die Lasereigenschaften.
Über die Absorption aus angeregten Zuständen
und das
Upconversion - Pumpen werden Anregungsprozesse
bezeichnet, die zur Besetzung von Energieniveaus führen, die energetisch höher
liegen als die einfache Pumpphotonenenergie; daher haben
Upconversion - Laser eine kürzere Emissions - als Pumpwellenlänge.
Von Erbium über Ytterbium konnten das 4S3/2 - Niveau in Erbium effizient
besetzt und drei verschiedene Laserübergänge angeregt werden: Realisiert
werden konnte der Laserbetrieb bei 551 nm auf dem grünen Übergang im grünen
Spektralbereich sowie bei 850 und 1234 nm auf dem roten
beziehungsweise dem infraroten Übergang im nahen infraroten Spektralbereich.
Lasertätigkeit im Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur konnte sowohl
mit einem Titan - Saphir - Laser als auch mit Laserdioden als Pumpquellen
erzielt werden, mit Ausnahme des Übergangs bei 551 nm, der keine
Laseremission unter Laserdiodenanregung zeigte.
Die beiden verschiedenen Anregungsprozesse - Absorption aus angeregten
Zuständen und Upconversion - Pumpen - wurden eingehend untersucht.
Dazu wurden die Lasereigenschaften eines einfachdotierten
Er3+:YLiF4 - Kristalls mit denen
von Ytterbiumkodotierten Proben verglichen. Die Ergebnisse
zeigen für den Fall der Erybylf - Kristalle, daß
durch die Kodotierung eine Yb3+--Er3+--Kreuzrelaxation
das obere Laserniveau ls in Erbium entleert und sich somit %als Verlustprozeß
insbesondere auf den übergang bei 551 nm nachteilig
auf die Lasereigenschaften auswirkt. Für die Laserübergänge bei
850 und 1234 nm ist dieser Verlustprozeß nicht von entscheidender Bedeutung,
da es sich hierbei um echte Vierniveaulaserübergänge handelt,
für deren effizienten Laserbetrieb das untere Laserniveau zusätzlich durch
die Absorption aus angeregten Zuständen leergepumpt wird.
Die besten Laserergebnisse bei 551 nm wurden mit
der Cerybylf - Probe erzielt. Die maximale Ausgangsleistung betrug
37 mW. So konnte durch die Yb3+--Kodotierung die Ausgangsleistung
bei 551 nm bei derselben eingestrahlten Pumpleistung annähernd verdoppelt
werden. Die maximalen infraroten Ausgangsleistungen betrugen 1200 mW
bei 850 nm mit dem Aerylf - Kristall
und 164 mW bei 1234 nm.
Die Titan - Saphir - Laser - gepumpten infraroten Laserübergänge bei 850 und
1234 nm wurden Resonatorintern frequenzverdoppelt.
Die maximal bei Raumtemperatur im Dauerstrichbetrieb erzielten
Ausgangsleistungen betrugen 540 mW bei 425 nm mit LiB3O5 als
nichtlinearem Kristall und 8 mW bei 617 nm mit LiNbO3 als
nichtlinearem Kristall.
The objective of the present work was to demonstrate excited - state absorption and upconversion - pumped denotes excitation processes which populate energy levels higher in energy than the single pump photon energy; hence upconversion lasers are operating with an emission wavelength shorter than the pump wavelength. Laser operation in the visible and near infrared wavelength range in rare - earth - doped solid - state crystalline materials. For this purpose erbium and erbium - ytterbium - doped fluoride crystals were grown by the Czochralski technique with various Er3+--Yb3+ concentration ratios. The crystal samples were spectroscopically characterized regarding ground - state absorption, and excited - state absorption, fluorescence, and lifetime measurements. Laser experiments were performed to determine the laser properties of the different crystals. Utilizing excited - state absorption and upconversion energy transfer between ytterbium and erbium to excite the upper laser level, it was possible to achieve laser operation on three different transitions in erbium: green laser emission at 551 nm on the green transition, near infrared laser emission at 850 nm on the red transition, and at 1234 nm on the ired transition. Room - temperature continuous--wave laser operation was obtained by titanium - sapphire laser pumping and laser diode excitation, respectively, except for the 551 - nm transition which did not show laser emission under laser diode excitation. The two different excitation schemes --- excited - state absorption and upconversion energy transfer --- were thoroughly examined in greater detail. Therefore the laser properties of a singly - doped erylf crystal were compared with those of ytterbium - codoped samples. The results show that in the erybylf crystals a detrimental cross relaxation quenches the upper laser level 4S3/2 (resulting in an energy backtransfer to ytterbium). This process, however, essentially contributes to the lasing behaviour of the 551 - nm transition. The influence on both infrared laser transitions is less because of the four - level nature of these transitions and the excited - state absorption which simultaneously depletes the lower laser level. The best 551 - nm laser performance was obtained with cerybylf . The maximum laser output power achieved was 37 mW. The yb sensitization resulted in an almost twofold enhancement of the 551 - nm laser output power at the same incident pump power level. The maximum %near infrared laser output powers were 1200 mW at 850 nm and 164 mW at 1234 nm. The titanium - sapphire laser - pumped infrared laser transitions at 850 and 1234 nm were intracavity frequency - doubled. The maximum roomtemperature continuous - wave output powers were 540 mW at 425 nm using LiB3O5 as nonlinear crystal and 8 mW at 617 nm with LiNbO3 as nonlinear crystal.