Nonlinear Losses in Single Crystalline and Ceramic Yb:YAG Thin-Disk Lasers

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung Ytterbium-dotierter Y3Al5O12 (Yb:YAG) Lasermaterialien bei hohen Anregungsdichten hinsichtlich ihrer Lasereigenschaften im Scheibenlaser. Hierzu werden sowohl die spektroskopischen Eigenschaften als auch die Leistungsparameter im Scheibenlaserbetrieb von Yb:YAG Einkristallen und Keramiken unterschiedlicher Dotierungskonzentration miteinander verglichen. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Verlustprozessen, die in Scheibenlasern bei hohen Inversionsdichten zu einer erheblichen Verminderung der Effizienz führen. Es wird aufgezeigt, dass diese Verluste mit steigendem Auskoppelgrad in nichtlinearer Weise zunehmen und zu einer starken Wärmeentwicklung im Lasermedium führen, die den Laserbetrieb unterbindet. Die Analyse der Scheibenlaserexperimente lässt die Beteiligung eines Ensembles aus zwei bis vier angeregten Yb3+ -Ionen für den Verlustprozess vermuten. Da angenommen wird, dass Leitungsband- und Valenzbandzustände in den Verlustprozess involviert sind, wird ein umfassendes Energieniveauschema erstellt, welches die lokalen Energieniveaus sowohl von Yb3+ - als auch von Yb2+ -Ionen relativ zu den Wirtsbändern zeigt. Des Weiteren wird in Photoleitungsexperimenten durch die Messung von Photoströmen von bis zu 80 nA in Yb:YAG Kristallen die Erzeugung von freien Ladungsträgern bei Yb3+ -Anregung unter 940 nm Pumpstrahlung nachgewiesen. Bei Silizium-Kodotierung beträgt der maximale Photostrom sogar mehrere Mikroampere. Die Messungen weisen auf einen Prozess höherer Ordnung als Ursache für den Photostroms hin, in den zwei bis drei Yb3+ -Anregungen involviert sind. Aus diesem Grund wird ein kooperativer Energietransferprozess als Mechanismus für die Erzeugung freier Ladungen vorgeschlagen. Außerdem werden die Beteiligung von Yb3+ /Yb2+ Charge-Transfer Zuständen in einem Hopping-Mechanismus als ein mögliches Model für den Ladungstransport und ein Zusammenhang zwischen den nichtlinearen Laserverlusten und der Photoleitfähigkeit von Yb:YAG untersucht. Hieraus ergibt sich, dass der Haupteinfluss der Photoleitungseigenschaft von Yb:YAG in einer mutmaßlich hohen Wärmeerzeugung bei dem Rücktransferprozess der Ladungsträger besteht. Spektroskopische Untersuchungen konzentrieren sich auf die Detektion und Identifikation möglicher Defektzentren und Verunreinigungen, die den Laserbetrieb beeinträchtigen. Ein Nachweis für die Existenz eines Störstellenbandes in der YAG Bandlücke, das durch zwei bis drei Yb3+ -Anregungen besetzt werden könnte, kann durch spektroskopische Untersuchungen jedoch nicht gefunden werden. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass eine direkte optische Anregung eines solchen Bandes durch Licht mit einer Energie entsprechend zwei bis drei Yb3+ -Anregungen aufgrund des Franck-Condon Prinzips nicht stattfindet. Im Rahmen der Untersuchungen wird erstmals Lasertätigkeit im Scheibenlaseraufbau mit keramischen Yb:YAG Materialien realisiert. Dabei weist die effizienteste Probe, eine 15.0%Yb:YAG Keramik, einen differentiellen Wirkungsgrad von bis zu 67% auf, eine Effizienz die vergleichbar mit kommerziellen einkristallinen Yb:YAG Scheibenlasern ist. Diese Ergebnisse weisen daraufhin, dass keramische Yb:YAG Lasermaterialien weniger von den nichtlinearen Verlustprozessen beeinflusst werden als Einkristalle vergleichbarer Spezifikation.