New active three-level laser materials and their use with innovative geometries for efficient continuous-wave and mode-locked coherent sources

Abstract

There is an increasing demand for efficient, reliable and compact diode-pumped solid-state laser sources in both the continuous-wave and pulsed operation regimes. In the 1 µm spectral range, Yb3+ -doped gain media are ideally suited as the absorption band is covered by high-power InGaAs laser diodes. Moreover, the very simple electronic configuration of Yb3+, based on two multiplets, reduces the number of parasitic spectroscopic processes and provides a low quantum defect, reducing the thermal effects. Finally, depending on the host, Yb-doped materials exhibit broad emission bands that enable the production of femtosecond pulses in the mode-locked regime. This thesis investigates two extremely promising groups of doubles tungstate crystals as laser media; the monoclinic double tungstates and the tetragonal double tungstates. The strong anisotropy of the monoclinic double tungstates results in the cumulation of the favorable features, a large and broad emission cross section particularly, for one crystal orientation. Moreover, some of these crystals can advantageously tolerate extremely high doping concentration up to the stoichiometric level (100% doping), indicating potential development of exceptionally thin active structures. In this thesis, laser experiments based on several composite structures were performed for the first time and slope efficiencies close to the theoretical limit were achieved. Such structures were also investigated for passive mode-locking and the shortest pulse ever achieved with monoclinic double tungstate lasers and any Yb laser based on a composite crystal was obtained. The other group of crystals investigated, the tetragonal double tungstates, are characterized by a local disorder. Thus, when doped with rare-earth ions, the transition cross sections exhibit significant inhomogeneous broadening denoting relaxed requirements for diode pumping and a high potential for ultrashort pulse generation. In the passive mode-locked regime the pulse duration was as short as 53 fs, which corresponds to one of the shortest pulse generated from any Yb laser.

Effiziente, zuverlässige und kompakte diodengepumpte Festkörperlaser, sowohl jene im Dauer-strich-, als auch im gepulsten Betrieb, stehen unter steigender Nachfrage. Im Spektralbereich um 1 µm sind Yb3+ dotierte Verstärkermedien besonders geeignet, da deren Absorptionsbande durch InGaAs Laserdioden hoher Leistung abgedeckt wird. Ferner reduziert die sehr einfache Elektronenkonfiguration des Yb3+ Ions, bestehend aus zwei Multipletts, die Anzahl möglicher parasitärer spektroskopischer Übergänge. Dies resultiert in einem geringen Quantendefekt, was wiederum thermische Auswirkungen minimiert. Außerdem weisen Yb-dotierte Materialien in Abhängigkeit des Hostkristalls spektral breite Emissionsbanden auf, welche die Erzeugung von Femtosekundenpulsen im modengekoppelten Betrieb erlauben. Die vorliegende Dissertation untersucht zwei vielversprechende Gruppen von Wolframaten: Die monoklinischen Wolframate und die Gruppe der tetragonalen Wolframate. Die starke Anisotropie der monoklinischen Wolframate resultiert in einer Kumulation günstiger Charakteristika wie zum Beispiel einem großen und breiten Emissionsquerschnitt, vor allem für eine Kristallorientierung. Darüber hinaus ist es möglich, einige dieser Kristalle sehr hoch zu dotieren, bis hin zu Dotierungsgraden von 100\% (stöchiometrische Kristalle). Diese vorteilhafte Eigenschaft birgt großes Potential hinsichtlich der Entwicklung außergewöhnlich dünner aktiver Strukturen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden erstmals Laserexperimente auf Basis verschiedener Komposita-Strukturen durchgeführt und die erreichten Wirkungsgrade lagen jeweils nahe an der erreichbaren theoretischen Obergrenze. Diese Strukturen wurden auch im Hinblick auf die Erzeugung kurzer Pulse mittels passiver Modenkopplung untersucht. Hierbei wurden die kürzesten Pulsen, welche jemals mit monoklinischen Wolframaten und mit auf Komposita Kristallen basierten Yb- Lasern erreicht. Die andere Gruppe der untersuchten Kristalle, die der tetragonalen Wolframate, ist durch einen lokal ungeordneten Kristall charakterisiert. Aus diesem Grund weisen die Übergangsquerschnitte eine signifikante inhomogene Verbreiterung auf, wenn die Kristalle mit Seltenerd- Ionen dotiert werden, welche einerseits geringere Anforderungen an das Diodenpumpen und andererseits ein hohes Potential für die Erzeugung ultrakurzer Pulse implizieren. Im modengekoppelten Betrieb wurden Pulse von nur 53 fs Dauer erreicht. Diese Pulsdauer rangiert unter den kürzesten Pulsen die je mit einem Yb-Laser erzeugt wurden.