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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-93411
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9341/


Spektroskopie und Laserexperimente an Nd3+-, Ho3+- und Tm3+-dotierten Sesquioxiden

Spectroscopy and Laser Experiments with Nd3+-, Ho3+-, and Tm3+-doped Sesquioxides

Brunn, Patrick von

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SWD-Schlagwörter: Spektroskopie , Laser , Neodym , Holmium , Thulium
Freie Schlagwörter (Deutsch): Sesquioxide
Freie Schlagwörter (Englisch): Sesquioxides
Basisklassifikation: 33.07 , 33.18 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kränkel, Christian (Dr. habil.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.09.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 15.10.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung seltenerddotierter Sesquioxide auf ihre
Eignung als aktive Medien für Laser im nahen und mittleren infraroten Spektralbereich.
Es wurden Tm2O3- und Nd3+:Lu2O3-Kristalle mit der Cooling Down Methode und der
Wärmeaustausch Methode (HEM) gezüchtet. Untersucht wurden auch Ho3+-dotiertes
Lu2O3, Sc2O3 und Y2O3 sowie Tm3+-dotiertes Lu2O3 und Sc2O3, die aus vorherigen
Züchtungen zur Verfügung standen.
Alle Materialien wurden spektroskopisch charakterisiert. In Nd3+:Lu2O3 konnten die
Emissionswirkungsquerschnitte durchgängig in einem Wellenlängenbereich von 850 nm
bis 2200 nm berechnet werden. Bei Ho3+-dotierten Sesquioxiden wurden die
Emissionswirkungsquerschnitte im Wellenlängenbereich von 2500 nm bis 3200 nm
erstmalig bestimmt. Die Lebensdauer des Multipletts 5I6 konnte zu ~600 μs und die des
Multipletts 5I7 zu ~10 ms ermittelt werden. In Tm3+-dotierten Sesquioxiden konnte die
Lage bestimmt und eine erste Abschätzung der Höhe der Emissionswirkungsquerschnitte im Wellenlängenbereich zwischen 2300 nm und 2900 nm gegeben werden. Auch in den Tm3+-dotierten Sesquioxiden ergaben die Messungen der Lebensdauer des Multipletts 3H4 mit ~300 μs deutlich kürzere Zeiten als die Lebensdauer des Multipletts 3H5 mit ~2 ms. Sowohl in Ho3+- als auch in Tm3+-dotierten Sesquioxiden konnte keine Lasertätigkeit erzielt werden. Dies kann vermutlich den erhöhten Laserschwellen, bedingt durch die lange Lebensdauer der unteren Laserniveaus, zugeschrieben werden. Bei Laserexperimenten mit Nd3+:Lu2O3 konnten auf insgesamt zehn unterschiedlichen Wellenlängen in einem Bereich von 917 nm bis 1463 nm Laser realisiert werden. Dabei lag bei Lasern der Wellenlänge 1076 nm und 1080 nm der maximal erreichte differentielle Wirkungsgrad mit 70 % nahe der Stokes-Effizienz von 76%, was das Potential dieses Verstärkermediums zeigt. Zudem stellen die realisierten Laserwellenlängen mit 917 nm und 1463 nm die kürzeste bzw. längste bisher erzielte Wellenlänge mit einem Laser basierend auf Nd3+:Lu2O3 dar.
Kurzfassung auf Englisch: The topic of this work is the investigation of rare-earth-doped sesquioxides regarding their suitability as active materials for lasers in the near- and mid-infrared spectral range.
Tm2O3- and Nd3+:Lu2O3-crystals were grown using the cooling down method and the heat-exchanger method (HEM). The investigations also included Ho3+-doped Lu2O3, Sc2O3, and Y2O3 as well as Tm3+-doped Lu2O3 and Sc2O3, which were grown prior to the experiments conducted in the framework of this thesis.
All materials were spectroscopically characterized in the near- and mid-infrared spectral range. The emission cross-sections of Nd3+:Lu2O3 were calculated over a continuous wavelength range from 850 nm to 2200 nm. For Ho3+-doped sesquioxides the emission cross-sections in the wavelength range from 2500 nm to 3200 nm were determined for the first time. The lifetime of the multiplet 5I6 was measured to ~600 µs and of the multiplet 5I7 to ~10 ms. Regarding Tm3+-doped sesquioxides, the position was defined and the height of the peaks was estimated for the emission cross-sections in the wavelength range from 2300 nm to 2900 nm. The lifetime measurements of the multiplet 3H4 in Tm3+-doped Lu2O3 and Sc2O3 resulted in lifetimes of ~300 µs. Thus, they also were much shorter than the lifetimes of the multiplet 3H5 with ~2 ms.
No lasing action was obtained in Ho3+-doped and Tm3+-doped sesquioxides. This can be most likely attributed to the higher laser threshold, due to the long lifetime of the lower laser levels 5I7 and 3H5, respectively. In laser experiments with Nd3+:Lu2O3, lasing was realized on ten different wavelengths in the range from 917 nm to 1463 nm. With the lasers operating on 1076 nm and 1080 nm, slope efficiencies of 70 % were achieved. This is very close to the theoretically attainable Stokes-efficiency of 76 %, highlighting the capabilities of this gain material. Furthermore, the realized wavelengths of 917 nm and 1463 nm represent the shortest and longest wavelength, respectively, ever obtained with a Nd3+:Lu2O3 laser.

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