Eric Mix, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1999 :

"Kristallzüchtung, Spektroskopie und Lasereigenschaften Yb-dotierter Sesquioxide"

Kurzfassung

Verschiedene Kristallzüchtungsverfahren wurden auf ihre Eignung zur Herstellung hochschmelzender Oxide hin untersucht. Dabei wurden das Czochralski-Verfahren, das Nacken-Kyropoulos-Verfahren und das Bridgman-Verfahren zur Zucht von Y₂0₃-, Lu₂0₃- und Sc₂0₃-Kristallen erstmalig angewandt. Die Leistungsfähigkeit des Bridgman-Verfahrens bei der Zucht großer Einkristalle konnte demonstriert werden. Die hergestellten Sesquioxide wurden sowohl undotiert als auch mit Yb-Dotierung hinsichtlich einer Reihe von optischen und thermischen Materialeigenschaften charakterisiert. Die drei untersuchten Materialien weisen in dotierter und undotierter Form Wärmeleitfähigkeiten auf, welche die Werte entsprechender YAG-Kristalle zum Teil deutlich übertreffen. Diese Eigenschaft ist insbesondere für aktive Medien in Festkörperlasern mittlerer und hoher Leistung interessant. Zur Abschätzung des Potentials von Yb-dotiertem Y₂0₃, Lu₂0₃ und Sc₂0₃ wurden die für die Lasereigenschaften relevanten spektroskopischen Parameter der drei Systeme vermessen. Ferner wurden die zwei in ihrer Platzsymmetrie nicht äquivalenten Koordinationen des Yb³⁺ in den Wirtskristallen, nämlich die C₂- und die C_3i-Koordination, durch platzselektive spektroskopische Meßverfahren untersucht. Bei Raumtemperatur dominieren die Yb-Ionen in C₂-Koordination. Die Absorptionswirkungsquerschnitte des Yb³⁺ in den drei Materialien sind denen des Yb:YAG vergleichbar oder höher. Bei den Emissionswirkungsquerschnitten ergeben sich im Vergleich mit Yb:YAG oberhalb von 1µm Wellenlänge etwas kleinere, im langwelligsten Maximum auch ähnliche Werte. Es konnte erstmalig Laseremission mit allen drei Yb-dotierten Kristallsystemen erreicht werden. Sowohl im Ti:Saphir- als auch im diodengepumpten Betrieb wurden effiziente Laser mit Ausgangsleistungen von einigen hundert Milliwatt bis zu einem Watt demonstriert. Abhängig vom Auskoppelgrad wurden für Yb:Y₂0₃, Yb:Lu₂0₃ bzw. Yb:Sc₂0₃ jeweils zwei unterschiedliche Emissionswellenlängen beobachtet. Wegen ihrer guten thermischen Eigenschaften, der hohen Emissionswirkungsquerschnitte und der für die Anregung mit Laserdioden günstigen Lagen und Höhen der Absorptionsbanden bieten die Yb-dotierten Sesquioxide interessante Eigenschaften für ihre Anwendung als Lasermedien in Festkörperlasern.

Titel

Kurzfassung

Summary

Several crystal growth techniques were investigated for their applicability to the growth of high-melting oxides. Particularly the Czochralski-, the Nacken-Kyropoulos-, and the Bridgman-technique were applied to the growth of Y₂0₃-, Lu₂0₃-, and Sc₂0₃-crystals for the first time. The efficiency of the Bridgman-method as a growth technique for large single crystals was demonstrated. The pure as well as Yb-doped sesquioxides were characterized with respect to a variety of optical and thermal material properties. The three doped and undoped materials exhibit thermal conductivities which partly exceed these parameters for YAG-crystals with respective dopant concentrations. This property is especially interesting for active media in solid -state lasers operating in the mid and high power region. To assess the potential of Yb-doped Y₂0₃, Lu₂0₃, and Sc₂0₃, the spectroscopic parameters of the three systems, which are relevant to their laser properties, were measured. The two coordinations of the Yb³⁺-ions in the host crystals, which are non-equivalent with respect to their site symmetries, i. e. the C₂- and the C_3i-coordination were examined by site selective spectroscopic measurements. The C₂-coordinated Yb-ions dominate the spectroscopic properties of the doped materials at room temperature. The absorption cross sections of Yb³⁺in the three materials are comparable to those of Yb:YAG, and partly even higher. The emission cross sections at wavelengths above 1µm are slightly smaller than the respective cross sections of Yb:YAG, and even comparable to Yb:YAG at the emission peak of the highest wavelength. Laser operation with all of the three Yb-doped crystals could be achieved for the first time. In both Ti:Sapphire- and diode-pumped operation mode efficient lasers with output powers of several hundreds of Milliwatts up to one Watt were demonstrated. Dependent on the output coupling, for Yb:Y₂0₃, Yb:Lu₂0₃, and Yb:Sc₂0₃ two different laser wavelengths were observed for each crystal. Because of their good thermal properties, the high emission cross sections, and the location and strength of the absorption peaks, which are suitable for diode-pumping, the Yb-doped sesquioxides offer interesting properties for the use as laser media in solid-state lasers.