FAQ
© 2015 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-45185
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4518/


Ytterbium-dotierte einkristalline Sesquioxid-Wellenleiterlaser

Ytterbium-doped single crystalline sesquioxide waveguide lasers

Kühn, Henning

Originalveröffentlichung: (2009) H. Kühn, S. T. Fredrich-Thornton, C. Kränkel, R. Peters und K. Petermann "Model for the calculation of radiation trapping and description of the pinhole method", Optics Letters 32 (13), 1908-1910 (2007), H. Kühn, M. Fechner, A. Kahn, H. Scheife und G. Huber "Energy transfer in crystalline Er3+,Yb3+:Sc2O3", Optical Materials 31, 1636-1639 (2009), H. Kühn, S. Heinrich, A. Kahn, K. Petermann, J. D. B. Bradley, K. Wörhoff, M. Pollnau und G. Huber "Monocrystalline Yb3+:(Gd,Lu)2O3 channel waveguide laser at 976.8 nm", Optics Letters 34 (18), 2718-2720 (2009)
pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (4.851 KB) 


SWD-Schlagwörter: Infrarotlaser , Impulslaserbeschichten , Laser , Dielektrischer Wellenleiter , Lichtwellenleiter , Integrierte Optik , Epitaxieschicht
Freie Schlagwörter (Deutsch): Reabsorption
Freie Schlagwörter (Englisch): pulsed laser deposition , waveguide laser , reabsorption , integrated optics , rare-earth doped sesquioxides
Basisklassifikation: 33.07 , 33.18 , 33.68 , 33.61
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Huber, Günter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.09.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 12.03.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Das Hauptziel dieser Arbeit war die Realisierung eines Yb3+-dotierten einkristallinen Sesquioxid-Wellenleiterlasers, der mittels Pulsed Laser Deposition (PLD) hergestellt wurde. Zur Charakterisierung und Erprobung möglicher Materialsysteme wurden mit Ytterbium (Yb3+) sowie mit Erbium und Ytterbium (Er3+,Yb3+) dotierte, kristalline Sesquioxidschichten mit PLD hergestellt. Als Wirtsmaterial der Schichten dienten Yttriumoxid (Y2O3), Scandiumoxid (Sc2O3) und Gadolinium-Lutetiumoxid ((Gd,Lu)2O3). Das Wachstum fand auf einkristallinen Yttriumoxid- bzw. Saphir-Substraten (alpha-Al2O3) statt.

Die strukturelle Charakterisierung erfolgte durch Röntgendiffraktometrie (XRD) und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Der Vergleich zwischen den Y2O3- und Sc2O3-Schichten zeigte ein deutlich kristallineres Wachstum letzterer. Für die Y2O3-Schichten wurde mit steigender Herstellungstemperatur eine Zunahme der Kristallitgrößen sowie eine Annäherung der Gitterkonstanten an die eines Y2O3-Einkristalls beobachtet. Die Repetitionsrate des Excimerlasers hatte hingegen einen geringen Einfluss auf die Gitterkonstante, wobei die übrigen untersuchten Schichteigenschaften unbeeinflusst blieben. Für eine Yb3+:(Gd,Lu)2O3-Schicht auf Y2O3, mit einer Gitterkonstante, welche auf die des Substrates angepasst wurde, deuten die durchgeführten Messungen auf ein monokristallines Wachstum hin. Zur Bestimmung der energetischen Lage der Starkniveaus der Yb3+-Ionen in dieser Schicht wurden Emissions- und Anregungsspektren bei tiefen Temperaturen aufgenommen. Die Spektren der Yb3+-Ionen zeigen nur geringe Abweichungen von den Spektren der Yb3+-Ionen in Y2O3. Die Lebensdauern und Wirkungsquerschnitte der Energiemultipletts der Dotierionen in den verschiedenen Schichtmaterialien wurden mittels spektral- und zeitaufgelöster Emissionsspektroskopie bestimmt. Zur Untersuchung des Energietransfers zwischen Yb3+ und Er3+ in entsprechend dotierten Sc2O3- und Y2O3-Schichten wurden verschiedene spektroskopische Methoden verwendet. Es wurden Energietransferparameter von kye = 10,4*10^-18 cm^3/s (Er3+,Yb3+:Sc2O3) bzw. kye = 15,1*10^-18 cm^3/s (Er3+,Yb3+:Y2O3) bestimmt. Diese Parameter sind deutlich geringer als die Literaturwerte für verschiedene Er3+,Yb3+-dotierte Gläser. Die geringe Energietransfereffizienz wurde durch Laserexperimente in einem Er3+,Yb3+:Sc2O3-Kristall bekräftigt. Es konnte erstmals Lasertätigkeit in einem Yb3+-dotierten kristallinen Sesquioxidwellenleiter nachgewiesen werden. In einem Kanalwellenleiter einer Yb3+(3%)-dotierten (Gd,Lu)2O3-Schicht betrug die maximale Ausgangleistung 12 mW bei einer Laseremissionswellenlänge von 976,8 nm. Der differentielle Wirkungsgrad betrug 6,7% bei einer Laserschwelle von 17 mW, beides bezogen auf die eingestrahlte Pumpleistung der Wellenlänge 905 nm. Für die Bestimmung reabsorptionsfreier Fluoreszenzlebensdauern wurde die sogenannte Pinholemethode verwendet. Zur theoretischen Beschreibung dieser Methode wurde ein Modell entwickelt, welches den linearen Zusammenhang zwischen Pinholeradius und gemessener Fluoreszenzlebensdauer erklärt. Es wurden experimentelle und theoretische Untersuchungen der Reabsorptionsprozesse in optisch aktiven Volumenkristallen und dünnen Schichten durchgeführt. Die Pinholemethode wurde weiterhin modifiziert, um reabsorptionsfreie Fluoreszensspektren von optischen Materialien zu erhalten.
Kurzfassung auf Englisch: This work focusses on the realization of an Yb3+-doped single crystalline sesquioxide waveguide laser, which has been produced by Pulsed Laser Deposition (PLD). For characterization and testing of potential material systems, ytterbium (Yb3+) as well as erbium and ytterbium (Er3+,Yb3+)-doped crystalline sesquioxide films were produced by PLD. Yttria (Y2O3), scandia (Sc2O3) and gadolinium lutetium oxide ((Gd,Lu)2O3) served as host materials. The films
were grown on single crystalline sapphire (alpha-Al2O3) and yttria substrates. The structure of the films was characterized using X-Ray-Diffraction (XRD) as well as Atomic Force Microscopy (AFM). A comparison of the Y2O3 and the Sc2O3 films showed a significantly higher crystallinity of the latter. In the case of the Y2O3 films for increasing growth temperature an increasing crystallite size and a convergence of the lattice constant towards the lattice constant of an Y2O3 single crystal was observed. However, the repetition rate of the excimer laser had only a small influence on the lattice constant and the other investigated film properties were not affected. For an Yb3+:(Gd,Lu)2O3 film on Y2O3, with a lattice constant that had been matched to that of the substrate, the performed measurements indicated a single crystalline growth. To determine the Stark level energies of the Yb3+ ions in that film, emission and excitation measurements were performed at low temperatures. The spectra of the Yb3+ ions showed only minor deviations from the corresponding spectra of Yb3+ ions in Y2O3. The lifetimes and cross sections of the dopant ions in the different film materials were determined by spectral and time resolved emission spectroscopy. Different spectroscopic methods were used for the investigation of the energy transfer between Yb3+ and Er3+ in correspondingly doped Sc2O3 and Y2O3 films. Energy transfer parameters of kye = 10.4*10^-18 cm^3/s (Er3+,Yb3+:Sc2O3) as well as kye = 15.1*10^-18 cm^3/s (Er3+,Yb3+:Y2O3) were determined. These parameters are significantly lower than the values for different Er3+,Yb3+-doped glass materials. The low energy transfer efficiency was substantiated by laser experiments using a Er3+,Yb3+:Sc2O3 crystal. First laser action in an Yb3+-doped crystalline sesquioxide waveguide could be shown. A channel waveguide of an Yb3+(3%)-doped (Gd,Lu)2O3 film had a maximum output power of 12 mW at a laser emission wavelength of 976.8 mW. The slope efficiency was 6.7% with a laser threshold of 17 mW. Both values are given with respect to the incident pump power of 905 nm wavelength. For the determination of reabsorption-free fluorescence lifetimes the pinhole method was used. A theoretical model of this method was developed, describing the linear dependency between the pinhole radius and the measured fluorescence lifetime. Experimental and theoretical investigations on reabsorption processes in optically active bulk crystals and thin films were performed. Furthermore the pinhole method was modified to obtain reabsorption-free fluorescence spectra of optical materials.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende