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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-72101
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7210/


Erzeugung kohärenter sichtbarer Strahlung in fs-lasergeschriebenen Wellenleitern

Generation of coherent visible radiation in fs-laser written waveguides

Müller, Sebastian Friedrich

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Sichtbare Laser , Wellenleiterlaser , Nichtlineare Wellenleiter , fs-Laserstrukturierung , Wellenleiter
Freie Schlagwörter (Englisch): visible lasers , waveguide lasers , nonlinear waveguides , fs-laser writing , waveguides
Basisklassifikation: 33.05 , 33.38 , 33.18 , 33.61
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Huber, Günter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.02.2015
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 17.03.2015
Kurzfassung auf Deutsch: Ziel dieser Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung von Wellenleitern für die Erzeugung von kohärenter Strahlung im sichtbaren Spektralbereich. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Einerseits wurden wellenleitende Strukturen mittels fs-Laserstrahlung in die Laserkristalle Pr3+:KY3F10 (Pr:KYF) und Pr3+:LiYF4 (Pr:YLF) geschrieben. Dadurch war es möglich, sichtbare Wellenleiterlaser im orangefarbenen und tiefroten Spektralbereich zu realisieren. Wellenleiter in nichtlinearen Materialien wiederum bieten die Möglichkeit, effizient sichtbare Strahlung durch nichtlineare Frequenzkonversion zu erzeugen.
In Pr:YLF konnte polarisationsabhängige, multimodige Wellenleitung sowie Lasertätigkeit erreicht werden. Unter der Verwendung einer Laserdiode als Pumpquelle, betrug die maximale Ausgangsleistung eines Wellenleiterlasers 26 mW bei einer Wellenlänge von 604 nm sowie 12 mW bei 720 nm. Die geführte Lasermode mit Abmessungen von 12,9 μm x 10,9 μm wurde dabei in einem Kern umgeben von acht rhombisch angeordneten Strukturen geführt. Wurden 24 Spuren zirkular mit einem Innendurchmesser von 20 μm in den Kristall strukturiert, lag die Dämpfung bei einem Wert von 0,7 dB/cm. Im 2ω-OPSL gepumpten Fall betrug die höchste Ausgangsleistung solch eines Wellenleiterlasers 28 mW. Diodengepumpte Lasertätigkeit bei einer Wellenlänge von 610 nm und einer Ausgangsleistung von 3,3 mW war in einem Pr:KYF Wellenleiter möglich. Dieser wurde aus zwei parallel angeordneten Spuren mit einem Spurabstand von 26 μm und einer Pulsenergie von 1 μJ hergestellt.
Für die effiziente Frequenzverdopplung in den blauen und grünen Spektralbereich dienten in dieser Arbeit Wellenleiter in den nichtlinearen Kristallen KTiOPO4 (KTP) und dessen periodisch gepolte Variante PPKTP. Weiterhin wurden Strukturierungsexperimente mit stöchiometrischem LiTaO3 (SLT) durchgeführt. In KTP und PPKTP war dämpfungsarme Wellenleitung mit Verlusten von ca. 1 dB/cm zwischen zwei Spuren möglich. Es konnte kein Einfluss der periodischen Polung auf die Strukturierungsergebnisse festgestellt werden. Typ II phasenangepasste Frequenzverdopplung mit einer normierten Konversionseffizienz von 0,38 %W-1cm-2 wurde in einem KTP Wellenleiter erzielt. Die Wellenlänge der frequenzverdoppelten Strahlung war 540 nm und die höchste generierte Leistung betrug 2 mW. Ein Wellenleiter in PPKTP mit einem Spurabstand von 18 μm wurde für die Erzeugung von Licht mit einer Wellenlänge von 471,6 nm verwendet. Eine normierte Konversionseffizienz von 4,6 %W-1cm-2 und eine stabile maximale Ausgangsleistung von 76 mW wurde dabei erreicht. Die Akzeptanzbandbreite in Abhängigkeit der Temperatur lag bei 3,3 °C und die Phasenanpassungswellenlänge konnte linear in einem Bereich von 10 – 80 °C mit 0,04 nm/°C durchgestimmt werden. Eine Degradation in der Ausgangsleistung war nicht zu erkennen und auch die wellenleitenden Eigenschaften blieben zeitliche stabil. Erste Untersuchungsergebnisse von Wellenleitern in SLT zeigten, dass polarisationsabhängige Wellenleitung sowohl zwischen als auch neben den geschriebenen Spuren mit einer Dämpfung von ca. 1 dB/cm und Modendurchmessern von 12,6 μm x 16,5 μm realisiert werden können.
Kurzfassung auf Englisch: The subject of this thesis is the fabrication and characterization of waveguides for the generation of coherent visible radiation. Therefore, two different approaches were adopted. On the one hand waveguides were inscribed with fs-laser radiation in the laser crystals Pr3+:KY3F10 (Pr:KYF) and Pr3+:LiYF4 (Pr:YLF). Thus it was possible to achieve visible laser operation in the orange and dark red spectral region. Waveguides in nonlinear materials on the other hand offer the possibility to generate efficiently visible radiation by a frequency conversion process.
In Pr:YLF polarization dependent multimode waveguiding and laser operation was obtained. Under diode laser pumping a maximum output power of 26 mW at a wavelength of 604 nm and 12 mW at 720 nm could be generated. The laser mode with dimensions of 12.9 μm x 10.9 μm was guided in a core region surrounded by eight tracks in a rhombic arrangement. With 24 structures in a circular arrangement with an inner diameter of 20 μm a waveguide damping of 0.7 dB/cm was realized. In a 2ω-OPSL pumped case the highest output power was 28 mW at an emission wavelength of 604 nm. Diode pumped laser operation at a wavelength of 610 nm with an output power of 3.3 mW was observed in a Pr:KYF waveguide. This waveguide consisted of two tracks with a distance of 26 μm and was inscribed with a pulse energy of 1 μJ.
For the frequency doubling of radiation into the blue and green spectral region waveguides were written in the nonlinear crystals KTiOPO4 (KTP) and its periodic poled version PPKTP. Also the structuring process of stoichiometric LiTaO3 (SLT) was investigated. In KTP and PPKTP low damping waveguiding with 1 dB/cm was observed between two tracks. An influence of the periodic poling on the waveguide writing process was not noted. Type II phase-matched frequency doubling was achieved with a normalized conversion efficiency of 0.38 %W-1cm-2 in a KTP waveguide. The wavelength of the second harmonic radiation was 540 nm and the highest output power was 2 mW. A PPKTP waveguide with a track distance of 18 μm was used to generate light with a wavelength of 471.6 nm. A normalized conversion efficiency of 4.6 %W-1cm-2 and a stable power of 76 mW could be realized. The temperature acceptance bandwidth was measured to be 3.3 °C and the phase-matching wavelength could be linearly tuned with 0.04 nm/°C in a range from 10 – 80 °C. A degradation of the output power was not noticed. Also the waveguide characteristics did not change with time. First experiments regarding SLT showed that polarization dependent waveguiding could be realized between and beside two tracks with a damping of 1 dB/cm and mode field diameters of 12.6 μm x 16.5 μm

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