Praseodym-dotierte Fluoride für kompakte Festkörperlaser im sichtbaren Spektralbereich

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit richtet sich auf die Realisierung und Charakterisierung hocheffizienter, kompakter Praseodymlaser mit Emission im grünen Spektralbereich auf Basis fluoridischer Wirtskristalle. Für Pr 3+ -dotierte Materialien ergibt sich mit der direkten Erzeugung sichtbarer Laserstrahlung unter Anregung durch InGaN-Laserdioden bei einer Wellenlänge von 444 nm ein großes Potential zur Realisierung eines kompakten Lasers. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf Pr 3+:LiYF4 (Pr:YLF) als aussichtsreiches Lasermaterial für diese Anwendung. Weitere Schwerpunkte liegen in der vergleichenden spektroskopischen und Lasercharakterisierung der Materialien Pr 3+:BaY2F8 (Pr:BYF) und Pr 3+:LiY0,5Lu0,5F4 (Pr:YLLF), sowie der Analyse grundlegender Charakteristika des Pr:YLF-Lasersystems. Mit einem Pr(0,5at.%):YLF-Kristall konnte in einem einfachen, linearen, diodengepumpten Aufbau effiziente Lasertätigkeit mit Emission bei einer Wellenlänge von ?=522,5nm realisiert werden. Die maximale Ausgangsleistung von 358 mW, der differentielle Wirkungsgrad von 59% und die elektro-optische Systemeffizienz von 7,4% waren die höchsten bis dato dokumentierten Werte für einen einfach diodengepumpten grün emittierenden Pr-Laser. In einem ähnlichen Aufbau wurden durch Anregung eines Pr(2at.%):YLF-Kristalls mit einer gepulst betriebenen InGaN-Laserdiode im gewinngeschalteten Regime Laserpulse mit minimalen Längen von 128 ns im grünen Spektralbereich erzeugt. Mit einer vereinfachten Pumpoptik wurden in einer besonders kompakten, linearen Anordnung Experimente zur resonatorinternen Frequenzverdopplung eines rot emittierenden Pr:YLF- Lasers durchgeführt. Dabei wurde bei einer Wellenlänge von 319,8 nm im Dauerstrichbetrieb eine maximale Ausgangsleistung der kohärenten UV-Emission von 50 mW erreicht. In Durchstimmexperimenten mit Pr:YLF wurde Lasertätigkeit auch bei verstärkungsschwachen Emissionslinien gezeigt. Kontinuierlich durchstimmbar war der Laser allerdings nur über schmale Spektralbereiche von ein bis zwei Nanometern Breite. Die Czochralski-Kristallzüchtung von Pr:YLLF stellt die erste Realisierung eines Pr-dotierten LiY1-xLuxF4 Mischsytems dar. Die spektroskopischen und Lasereigenschaften dieses Materials sind zu denjenigen von Pr:YLF vergleichbar, womit die Eignung als Lasermaterial auch hinsichtlich der schon realisierten Kristallqualität als vielversprechend eingeschätzt wird. Mit Pr:BYF konnte erstmalig Lasertätigkeit mit Emission bei den Wellenlängen 524,1 und 552,7 nm im grünen Spektralbereich und eine Optimierung der Lasereigenschaften für den rot emittierenden Laser gegenüber früher dokumentierten Resultaten erreicht werden. Die spektroskopischen Untersuchungen konzentrierten sich neben der Charakterisierung der Materialien im Hinblick auf ihre Eignung als aktives Lasermedium auf die Übergangslinie bei 604 nm von Pr:YLF. Bei Tieftemperaturuntersuchungen wurden für diese Linie eine effektive Entkopplung von phononischen Einflüssen und ein sehr großer Emissionswirkungsquerschnitt ermittelt. Dies führte auch zu deutlich veränderten Lasercharakteristika bei Experimenten im selben Temperaturbereich. Insgesamt zeigen die Resultate, dass hocheffiziente, kompakte, grün emittierende Laser auf der Basis von Pr:YLF realisiert werden können. Weiterhin wurde deutlich, dass Pr-Laser auch für Anwendungen interessant sind, in denen die Verfügbarkeit bestimmter Laserwellenlängen im sichtbaren und UV-Bereich oder besonders kompakte Systeme im Vordergrund stehen.