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Dissertation

Autor(en): Peter Klopp
Titel: New Yb 3+ -doped laser materials and their application in continuous-wave and mode-locked lasers
Gutachter: Achim Peters; Günther Huber; Thomas Elsässer
Erscheinungsdatum: 13.10.2006
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-10070534)
Fachgebiet(e): Physik
Schlagwörter (ger): Yb3+-Laser, Ytterbium-aktivierte Wolframate, Ytterbium-dotierte Sesquioxide, modengekoppelte Laser, stöchiometrische Lasermaterialien
Schlagwörter (eng): Yb3+ lasers, ytterbium-activated tungstates, ytterbium-doped sesquioxides, modelocked, lasers, stoichiometric laser materials
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Zitationshinweis: Klopp, Peter: New Yb 3+ -doped laser materials and their application in continuous-wave and mode-locked lasers; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 13.10.2006, urn:nbn:de:kobv:11-10070534
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Abstract (ger):
Yb3+-Lasermedien glänzen mit hoher Effizienz und relativ geringer thermischer Last, besonders in Laseroszillatoren und -verstärkern mittlerer bis hoher Leistung. Modenkopplung von Yb3+-Lasersystemen ermöglicht Subpikosekunden-Pulse bei hoher mittlerer Ausgangsleistung. Diese Arbeit widmet sich zwei Gruppen der vielversprechendsten neuen Yb3+-aktivierten Laserkristalle: den strukturell analogen, monoklinen Doppelwolframaten Yb:KGd(WO4)2 (Yb:KGW), Yb:KY(WO4)2 (Yb:KYW) und KYb(WO4)2 (KYbW) und den Yb3+-dotierten Sesquioxiden, vertreten durch Yb:Sc2O3 (Yb:Skandia). Die spektroskopischen Daten von KYbW, darunter eine extrem kurze 1/e-Absorptionslänge von 13 Mikrometern bei 981 nm, wurden im Rahmen der Dissertation vermessen. Die Lasereigenschaften niedrig Yb3+-dotierter Wolframate im Dauerstrich (cw)- und modengekoppelten Betrieb wurden in Lasern moderater Ausgangsleistung untersucht. Ultrakurzpuls-Erzeugung mit Yb:KYW, Yb:KGW und Yb:Glas wurde in einem passiv modengekoppelten Laser verglichen. Dabei wurde eine relativ hohe Lasereffizienz erreicht, Dank einer Trapezlaserdiode als Pumpquelle mit exzellenter Strahlqualität. Quasi-cw- und cw-Laserbetrieb von Yb3+ in hochdotierten und stöchiometrischen Wolframatkristallen wurden untersucht. Diese Materialien sind interessant für Mikrochip- und Scheibenlaser. Wichtige Fragestellungen waren die Kristallqualität und die Hitzeentwicklung bei hohen Yb3+-Konzentrationen. Erstmals wurde Lasertätigkeit von Wolframaten mit Yb3+-Konzentrationen >>20% und schließlich, mit KYbW, cw-Laserbetrieb eines stöchiometrischen Yb-Lasermaterials demonstriert. Weiterhin wurde mit KYbW der kleinste bisher für einen Laserkristall gemessene Laserquantendefekt erzielt, 1,6%. Unter Benutzung eines Yb:Sc2O3-Lasermediums wurde erstmals modengekoppelter Betrieb eines Oszillators mit Sequioxid-Laserkristall gezeigt. Betrieb mit nichtsolitonen- und solitonenartiger Pulsformung sowie mit Ti:Saphir-Laser oder Trapezlaserdiode als Pumplaser wurden untersucht. Mit einem Ti:Saphir-gepumpten Yb:Skandia-Laser wurde eine Konversionseffizienz von 47 % bezogen auf die absorbierte Pumpleistung erreicht, der bisher höchste Wert für einen modengekoppelten Yb3+-basierten Laser.
Abstract (eng):
Yb3+ laser media excel with high efficiency and relatively low heat load, especially in medium to high power laser oscillators and amplifiers. Mode-locking of Yb3+ laser systems can provide subpicosecond pulse durations at high average power. This work deals with two groups of the most promising novel Yb3+-activated laser crystals: Yb3+-activated monoclinic double tungstates, namely the isostructural crystals Yb:KGd(WO4)2 (Yb:KGW), Yb:KY(WO4)2 (Yb:KYW), and KYb(WO4)2 (KYbW), and Yb3+-doped sesquioxides, represented by Yb:Sc2O3 (Yb:scandia). Spectroscopic data of KYbW were investigated as part of this thesis, finding an extremely short 1/e-absorption length of 13 micrometers at 981 nm. Continuous-wave (cw) and mode-locked laser performance of moderate-average-power lasers based on lowly Yb3+-doped tungstates were examined. Ultrashort pulse generation with Yb:KYW, Yb:KGW, and Yb:glass was compared in a passively mode-locked laser. A relatively high mode-locked laser efficiency was achieved due to a tapered diode pump laser with excellent beam quality. Quasi-cw and cw lasing of Yb3+ in highly doped and stoichiometric tungstate crystals were investigated. These materials are interesting for microchip and thin-disk lasers. Important issues were crystal quality and heat generation at high Yb3+ concentrations. For the first time, laser operation of tungstates with a Yb3+ concentration >>20% and finally, with KYbW, cw lasing of a stoichiometric Yb laser material was achieved. Furthermore, with KYbW, the smallest laser quantum defect ever for a laser crystal was demonstrated, 1.6%. Using a Yb:Sc2O3 laser medium, for the first time mode locking of an oscillator using a sesquioxide laser crystal was realized. Laser regimes with non-solitonlike and solitonlike pulse shaping were investigated, using a Ti:Sapphire laser and a tapered laser diode as pump sources. With a Ti:Sapphire-laser-pumped Yb:scandia laser the highest conversion efficiency with respect to absorbed pump power for any mode-locked Yb3+-based laser was achieved, 47%.
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