Thulium- and holmium-doped sesquioxides for 2 μm [my-m] lasers

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Thulium- und Holmium-dotierte kubische Sesquioxide in Bezug auf ihre Eignung als aktive Materialien für Laser mit Emissionswellenlängen im Bereich um 2 µm untersucht. Lu2O3, Sc2O3 und LuScO3 Kristalle mit unterschiedlich hohen Tm 3+ -Konzentrationen sowie Ho 3+ -dotierte Lu2O3, Sc2O3 und Y2O3 Kristalle wurden mittels der Heat-Exchanger Methode in hoher optischer Qualität hergestellt. Mit Ausnahme des Mischkristalls Tm: LuScO3 wiesen alle dotierten und undotierten Kristalle durchweg hohe thermische Leitfähigkeiten von > 9 Wm -1 K -1 auf. Mittels der Analyse der Absorptions- und Fluoreszenzspektren, welche bei Raumtemperatur und bei 10 K aufgenommen wurden, konnte die Lage der Stark-Niveaus der Dotierionen auf Kristallplätzen mit C2-Symmetrie bestimmt werden. Die Absorptions- und Emissionsspektren des Tm: LuScO3 Kristalls bei Raumtemperatur weisen außerordentlich breite und glatte Charakteristika auf. Bei Messungen der Fluoreszenzdynamik zeigten sich im Falle niedriger Dotierungskonzentrationen nicht-einfachexponentielle Zerfälle sowie kürzere Lebensdauern im Vergleich zu Proben mit höheren Dotierungskonzentrationen. Dieser Effekt wird dem Vorliegen von Dotierionen auf Kristallplätzen mit C2- und C3i-Symmetrie zugeschrieben. Mit Tm: Lu2O3 konnte erstmals Laserbetrieb in einem diodengepumpten Aufbau realisiert werden. Der hierbei erreichte differentielle Wirkungsgrad von 59 % in Bezug auf die absorbierte Pumpleistung übertrifft die Werte, welche sich mit Tm: Sc2O3 (43 %) und Tm: YAG (53 %) in einem Vergleichsexperiment ergaben. Die maximalen Ausgangsleistungen der Tm: Sc2O3- und Tm: YAG-Laser waren 25,4 W und 25,7 W. Mit einem modifizierten Aufbau konnten mit Tm: Lu2O3 bis zu 92 W Ausgangsleistung erreicht werden. Bei Verwendung unterschiedlicher Auskoppelgrade lagen die Wellenlängen der Tm: Lu2O3- und Tm: Sc2O3-Laser zwischen 1965 nm und 2148 nm und konnten kontinuierlich von 1922 nm bis 2134 nm beziehungsweise 1975 nm bis 2168 nm durchgestimmt werden. Trotz herausragender Ergebnisse mit Tm: Lu2O3 als aktivem Material mit Stabgeometrie konnten in einem Scheibenlaser-Aufbau lediglich Ausgangsleistungen im Bereich weniger Watt erreicht werden. Erstmalig konnte Laserbetrieb mit Ho: Lu2O3 gezeigt werden. Mit einer Laserdiode oder einem Thulium-Faserlaser als Pumpquelle wurden mit Ho: Lu2O3-, Ho: Sc2O3- und Ho: Y2O3-Lasern maximale Ausgangsleistungen von 25,2 W, 18,4 W und 21,4 W erzielt, wobei die Laserwellenlängen zwischen 2117 nm und 2158 nm lagen. Mit dem Faserlaser als Pumpquelle konnten mit Ho: Lu2O3 und Ho: Sc2O3 differentielle Wirkungsgrade von bis zu 76 % beziehungsweise 63 % erreicht werden. Im gütegeschalteten Betrieb lag die maximale Pulsenergie des Ho: Lu2O3-Lasers bei 8 mJ. In Kooperation mit dem MBI in Berlin sowie der Universität in St. Andrews wurden Laserexperimente im modengekoppelten Betrieb durchgeführt. Mit Tm: Lu2O3, Tm: Sc2O3 und Tm: LuScO3 wurden hierbei Pulslängen von 175 fs, 218 fs beziehungsweise 148 fs erreicht. Diese stellten zum Zeitpunkt der Experimente die kürzesten Pulse in diesem Wellenlängenbereich dar, welche in einem Resonator erzeugt werden konnten.