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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-68487
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6848/


Upconversion lasers and other applicationsof Er3+-doped fluoride crystals

Upconversion-Laser und weitere Anwendungen Erbium-dotierter Fluoridkristalle

Moglia, Francesca

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SWD-Schlagwörter: Aufwärtskonversion , Erbium-Laser , Spektroskopie , Kristallzüchtung , Scheibenlaser , Wellenleiterlaser , Fluoride , Festkörperlaser
Freie Schlagwörter (Deutsch): Sichtbare Laser , Aufwärtskonversionslaser , Infrarotlaser
Freie Schlagwörter (Englisch): Upconversion laser , erbium-laser , crystal growth , spectroscopy , waveguide laser
Basisklassifikation: 33.38 , 33.61 , 33.05 , 33.18 , 33.07
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Huber, Günter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.09.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 16.07.2014
Kurzfassung auf Englisch: Upconversion lasers are unconventional sources of visible laser emission. The nonlinear upconversion process is based on the level scheme of suitable dopants, such as Er3+-ions. Here, a two-photon absorption process takes place. An intermediate level is populated by the absorption of the first photon, then the second photon populates the upper laser
level. In the most efficient configuration, an Er3+-doped medium can emit a photon in the visible spectral range for every two consecutively absorbed infrared photons of the same wavelength. In this work, six different Er3+-doped crystals have been spectroscopically investigated in order to demonstrate their suitability for upconversion lasers. A fundamental requirement for the host material is a low effective phonon energy, which ensures that the lifetimes of the intermediate and the laser emitting levels are long enough to allow for efficient pumping and laser emission. For this reason, the host materials are all fluorides: LiLuF4, LaF3, BaY2F8, BaLu2F8, KY3F10 and, for the first time investigated with Er3+- doping, BaYLuF8. In this work, the crystal recognized as most efficient for upconversion lasers is Er3+:LiLuF4. Bulk laser experiments have been carried out. Upconversion laser input-output characteristics have been recorded with a Ti:sapphire laser as pump source, obtaining a maximum output power of 80mW and a slope efficiency of 20.7%. The results are comparable to those obtained in the same setup but using a direct pumping scheme, by substituting the pump source with a frequency-doubled optically-pumped semiconductor laser emitting at nearly half of the wavelength of the Ti:sapphire laser. In pure cw regime, a maximum output power of 35mW has been achieved with a slope efficiency of 9.2%. It represents the first demonstration of a cw erbium-based laser directly pumped in the blue spectral range. Moreover, experiments with simultaneous pumping with two different wavelengths have been carried out to realize so-called dual-wavelength upconversion lasers. Furthermore, Er3+-doped fluoride crystals can be interesting host materials for lasers emitting in the 1.6-μm spectral range, where many applications in telecommunication and medicine are possible and greenhouse gases can be detected via LIDAR techniques. The laser experiments under inband-pumping at 1.5 μm, with different Er3+:doped LiLuF4 and BaYLuF8 crystals yielded a maximum emission output power of 1.4W and a slope efficiency of 19% with respect to the incident pump power. Laser operation at different emission wavelengths has been demonstrated. In particular, emission at λ = 1610 nm could be obtained using a 1.25 at.% Er3+-doped LiLuF4 crystal, which is especially interesting for the detection of CO2. The first laser operation in Er3+:BaYLuF8 and the first inband-pumped laser operation at 1.6 μm in Er3+:LiLuF4 have been realized. To obtain cw upconversion lasers, a second requirement is a high pump intensity in the crystal, which can be achieved in the thin-disk-laser configuration as well as in waveguide lasers. Thin-disk-laser and waveguide-laser experiments have been performed with 1.3 at.% Er3+-doped LiLuF4 samples. The experiments resulted in the first crystalline green upconversion waveguide laser. Performance has been improved to achieve up to 10mW of output power with a slope efficiency of 3%. The internal losses are less than 0.5 dB/cm, very promising for future applications.
Kurzfassung auf Deutsch: Upconversion-Laser sind unkonventionelle Quellen sichtbarer Laseremission. Der nichtlineare Upconversion-Prozess basiert auf dem Niveauschema geeigneter Dotierionen wie Erbium, welches im dreiwertigen Zustand typischerweise ein langlebiges mittleres
Energieniveau aufweist. Durch Absorption eines Photons wird zunächst dieses Niveau, und in einem weiteren Absorptionsschritt das obere Laserniveau besetzt. Im günstigsten Fall führt die aufeinanderfolgende Absorption zweier Photonen der gleichen Wellenlänge zur Emission von einem Photon im sichtbaren Spektralbereich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sechs unterschiedliche Er3+-dotierte Kristalle spektroskopisch
untersucht, um ihre Eignung als Upconversion-Lasermaterial zu prüfen. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist eine niedrige effektive Phononenenergie. Sie bewirkt, dass sowohl das mittlere als auch das obere Laserniveau eine ausreichende Lebensdauer haben, um effizientes Pumpen sowie Laseremission zu gewährleisten. Daher handelt es
sich bei den untersuchten Wirtsmaterialien ausschließlich um Fluoridkristalle: LiLuF4, LaF3, BaY2F8, BaLu2F8, KY3F10, sowie erstmalig BaYLuF8 mit Er3+-Dotierung. Von diesen Materialien hat sich Er3+:LiLuF4 als das geeignetste erwiesen. Mit einem Ti:Saphir-Laser als Pumpquelle wurde ein Upconversion-Laser im Volumen- Kristall realisiert. Die Input-Output-Kurven (maximale Ausgangsleistung von 80mW und differentielle Wirkungsgrad von 20,7%) wurden verglichen mit denen von direkt im blauen Spektralbereich gepumpten cw Erbium-basierten Laser (maximale Ausgangsleistung von 35mW und differentieller Wirkungsgrad von 9,2% beim reinen Dauerstrichbetrieb), die im Rahmen dieser Arbeit erstmals realisiert werden. Zusätzlich wurden durch gleichzeitiges Pumpen mit zwei verschiedenenWellenlängen sogenannte Zweiwellenlängen- Upconversion-Laser demonstriert. Neben der Realisierung sichtbarer Laserstrahlung sind Er3+-dotierte Fluoridkristalle auch für Laser mit Wellenlängen um 1,6 μm für Anwendungen in Telekommunikation, Medizin sowie für die Detektion von Treibhausgasen mittels LIDAR von großem Interesse. In LiLuF4 und BaYLuF8 mit verschiedenen Er3+-Dotierungen wurden Ausgangsleistungen von bis zu 1,4W und differenzielle Wirkungsgrade von 19% gegenüber der einfallenden Pumpleistung erzielt. Laserbetrieb konnte bei verschiedenen Wellenlängen gezeigt werden. Insbesondere wurde Laseremission eines 1,25% Er3+:LiLuF4 Kristalls bei λ = 1610 nm demonstriert, einer Wellenlänge die besonders geeignet für die Detektion von CO2 ist. Im
Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig Laserbetrieb eines Er3+:BaYLuF8 sowie inbandgepumpter Laserbetrieb bei 1,6 μm in Er3+:LiLuF4 gezeigt.
Neben Laserexperimenten im Volumkristall wurden Upconversion-Scheibenlaser und Wellenleiternlaser-Experimente durchgeführt, um eine hohe Pumpintensität im Kristall zu ermöglichen. Beide Varianten wurden mit 1,3% Er3+:LiLuF4-Kristallen erprobt. Dabei konnte der erste kristalline grün emittierende Upconversion-Wellenleiterlaser mit bis zu 10mW Ausgangsleistung und einem differenziellen Wirkungsgrad von 3% realisiert werden. Die internen Wellenleiterverluste sind mit weniger als 0,5 dB/cm sehr vielversprechend für zukünftige Auswendungen.

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