New Yb_1hn3_1hn+-doped laser materials and their application in continuous wave and mode locked lasers [Elektronische Ressource] / von Peter Klopp

Peter Klopp

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 14
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

3+
New Yb -doped laser m ater ials
and their application in con tinuous-wave
and m od e-loc ked lasers
D I S S E R T A T I O N
zur Erlangung des akadem ischen Grades
d o c t o r r e r u m n a t u r a l i u m
(Dr. r er. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
M athem atisch-Naturwissenscha ftlichen Fakultät I
der Hum boldt-Universität z u Berlin
von
Dipl . P hys. Peter Klopp
geb. 14.12.1968, W iesbaden
Präsident der Hum boldt-Universität z u Berlin
Prof. D r. Chri stoph Markschies
Deka n der Mathem atisch-Naturwissenscha ftlichen Fakultät I
Prof. T hom as Buckhout, P hD
Gutachter:
1. P rof. D r. T hom as Elsässer
2. P rof. D r. G ünt her Hube r
3. P rof. D r. Achim Peters
Tag der mündl ichen Prüfung: 16.05.2006Abstract
3+Yb laser m edia excel w ith high efficiency and relatively low heat loa d, especially in m edium
3+
to high po w er laser oscillators and am pl ifiers. M ode-locking of Yb laser system s can provide
subpicosecond pul se durations at high average po w er. This work deals w ith two groups of the
3+ 3+m ost promising novel Yb-activated laser crystals: Yb-activated m onoclinic double
tungstates, nam ely the isostructural crystals Yb: KGd(WO ) (Yb: KGW), Yb: KY(WO )4 2 4 2
3+
(Yb: KYW), and KYb(WO ) (KYbW), and Yb-dop ed sesquioxides, repr esented by Yb: ScO4 2 2 3
(Yb: scandia). Spectroscopi c da ta of KYbW w ere investigated as part of this thesis, finding an
extrem ely short 1/e-absorpt ion length of 13 m icrometers at 981 nm . Continuous-wave (cw) and
3+
m ode-locked laser performance of m odera te-average-po w er lasers based on low ly Yb-dop ed
tungstates were exa m ined. Ultrashort pul se generation w ith Yb: KYW, Yb: KGW, and Yb: glass
was com pared in a passively m ode-locked laser. A relatively high m ode-locked laser efficiency
was achieved due to a tapered diode pum p laser w ith excellent beam qua lity. Q ua si-cw and cw
3+lasing of Yb in highly dop ed and stoichiom etric tungstate crystals were investigated. These
m aterials are interesting for m icrochip and thin-disk lasers. Im portant issues w ere crystal
3+
quality and heat generation at high Yb concentrations. For the first tim e, laser op eration of
3+
tungstates w ith a Yb concentration >>20% and fina lly, with KYbW, cw lasing of a
stoichiom etric Yb laser m aterial was achieved. Furthermore, with KYbW, the sm allest laser
quantum defect ever for a laser crystal was dem onstrated, 1.6 %. Using a Yb: ScO laser 2 3
m edium , for the first tim e m ode locking of an oscillator using a sesquioxide laser crystal was
realized. Laser regim es with non-solitonlike and solitonlike pul se shaping were investigated,
using a Ti:Sapphi re laser and a tapered laser diode as pum p sources. With a Ti:Sapphi re-laser-
pum ped Yb: scandia laser the highest conversion efficiency w ith respect to abs orb ed pum p
3+pow er f or any mode-locked Yb-based laser was achieved, 47 %.
3+Keywords: Yb lasers, ytterbium -activa ted tungstates, ytterbium -dop ed sesquioxides, m ode-
locked lasersAbstract
3+Yb-Laserm edien glänzen m it hoher Effizienz und relativ geringer thermischer Last, besonders
3+
in Laseroszillatoren und -verstärkern m ittlerer bi s hoher Leistung. M odenkoppl ung von Yb-
Lasersystem en ermöglicht Subpikosekunden-Pulse bei hoher m ittlerer A usgangsleistung. Diese
3+A rb eit w idm et sich zwei Gruppe n der vielversprechendsten neuen Yb-aktivierten
Laserkristalle: den strukturell analogen, m onoklinen Doppe lwolfra m aten Yb: KGd(WO )4 2
3+
(Yb: KGW), Yb: KY(WO ) (Yb: KYW) und KYb(WO ) (KYbW) und den Yb-dotierten 4 2 4 2
Sesquioxiden, vertreten durch Yb: ScO (Yb: Ska ndia). Die spektroskopischen Daten von 2 3
KYbW, darunter eine extrem kurze 1/e-Absorpt ionslänge von 13 M ikrometern bei 981 nm ,
3+
w urden im R ahm en der Dissertation vermessen. Die Lasereigenscha ften niedrig Yb-dotierter
Wolfram ate im Dauerstrich (cw)- und m odengekopp elten Betrieb w urden in Lasern m odera ter
A usgangsleistung untersucht. Ultra kurzpul s-Erzeugung m it Yb: KYW, Yb: KGW und Yb: Glas
w urde in einem passiv m odengekopp elten Laser verglichen. Dabei w urde eine relativ hohe
Lasereffizienz erreicht, Dank einer Trapezlaserdiode als Pum pquelle m it exzellenter
3+Strahlqua lität. Quasi-cw - und c w -Laserbetrieb von Y b in hoc hdotierten und stöchiom etrischen
Wolfram atkristallen w urden untersucht. Diese M aterialien sind interessant fü r M ikrochip- und
Scheibenlaser. Wichtige Fragestellungen waren die Kristallqua lität und die Hitzeentwicklung
3+ 3+bei hohen Yb-Konzentrationen. Erstm als w urde Lasertätigkeit von Wolfra m aten m it Yb-
Konzentrationen >>20% und schließl ich, m it KYbW, cw-Laserbetrieb eines stöchiom etrischen
Yb-Laserm aterials dem onstriert. Weiterhin wurde m it KYbW der kleinste bi sher für einen
Laserkristall gem essene Laserquantendefekt erzielt, 1,6 %. Unter Benutzung eines Yb: ScO -2 3
Laserm edium s w urde erstm als m odengekopp elter Betrieb eines Oszillators m it Sequioxid-
Laserkristall gezeigt. Betrieb m it nichtsolitonen- und solitonena rtiger Pulsformung sow ie m it
Ti:Saphir-Laser oder Trapezlaserdiode als Pum pl aser w urden untersucht. M it einem Ti:Saphir-
gepum pt en Yb: Ska ndia-Laser w urde eine Konversionseffizienz von 47 % be zogen auf die
3+
abs orbi erte Pum pl eistung erreicht, der bi sher hö chste Wert für einen m odengekopp elten Yb-
basierten Laser.
3+Schlagw örte r: Yb-Laser, Ytterbi um -aktivierte Wolfram ate, Ytterbi um -dotierte Sesquioxide,
m odengekoppe lte Laser1
3+
New Yb -doped laser m aterials an d their ap plication in continuous-wave
an d mod e-loc ked lase rs
1. Introd uction 3
3+
2. Yb -activat ed laser m aterials 6
3+
2.1. Yb as a laser active ion 6
3+ 2.1.1. Yb level schem e 6
3+ 3+
2.1.2. Yb versus Nd 7
2.2. Crystals and glasses as hosts 9
9 2.2.1. Influence of the host on s pectroscopi c prop erties
12 2.2.2. Overview of hos ts: spectroscopi c prop erties
16 2.2.3. Thermo-mecha nical and thermo-opt ical properties of the host
19 2.2.4. Overview of hos ts: Thermo-m echa nical and thermo-opt ical prop erties
23 2.2.5. Crystal quality and dop abi lity
24 2.3. Stoichiom etric materials
3+ 28 2.4. Yb-activated tungstates
3+ 36 2.5. Yb-activa ted cubi c sesquioxides
413. Quasi-three- and q uasi-four-level lasers
41 3.1. Definitions
42 3.2. R ate e quations
45 3.3. Continuous-wave c ase
45 3.3.1. Inversion and satura tion e ffects
51 3.3.2. Laser threshold e stim ations
62 3.3.3. Laser e fficiency
674. Passive m ode loc king
67 4.1. Pulse shaping in passively mode-locked solid-state lasers
75 4.2. Pulse-shapi ng e ffects in detail
93 4.3. Stabi lity of passive mode locking
3+ 965. Yb -activat ed tu ngstate laser experiments
3+ 97 5.1. Lowly Yb-dop ed KYW and KGW e xperim ents
97 5.1.1. Continuous-wave operation of low ly dop ed KYW and KGW
100 5.1.2. M ode-locked op eration of low ly dop ed KYW and KGW
102 5.1.2.1. Diode-pum ped Yb(5 %):KYW fem tosecond laser
104 5.1.2.2. Diode-pum ped Yb(5 %):KGW fem tosecond laser
105 5.1.2.3. Diode-pum ped Yb: glass fem tosecond laser and com parison
3+ 109 5.2. Highly Yb-dop ed KYW and stoichiom etric KYbW e xperim ents2
109 5.2.1. Q uasi-cw operation of hi ghly dop ed KYW and stoichiom etric KYbW
110 5.2.1.1. Yb(60 %):KYW quasi-cw laser
113 5.2.1.2. Yb(80%):KYW quasi-cw laser
115 5.2.1.3. KYbW quasi-cw laser
125 5.2.1.4. Sm allest laser quantum defect
128 5.2.2. Continuous-wave face-cooled Yb: KYW and KYbW lasers
129 5.2.2.1. Yb(20%):KYW c ontinuous-wave laser
131 5.2.2.2. KYbW c ontinuous-wave laser
3+ 1356. Yb -doped scan dia laser experiments
137 6.1. Continuous-wave operation of a Yb(0.7 %):ScO laser2 3
138 6.2. M ode-locked op eration of Yb: ScO lasers2 3
138 6.2.1. Ti:Sapphi re-laser-pum ped Yb(0.7 %):ScO picosecond laser2 3
140 6.2.2. Ti:Sapphi re-laser-pum ped Yb %):ScO fem tosecond laser2 3
143 6.2.3. Diode-pum ped Yb(0.7 %):ScO fem tosecond laser2 3
1477. Summary
149A. Appendix
173Li st of refe rences
187Li st of symbols
192Li st of abbreviati ons
193Dank
194Zusam m enfassung
197Publika tionen, di e im Zusam m enhang mit dieser Dissertation e rfolgten
199Lebenslauf
200V ersicherung3
1. Introd uction
3+
Com bi ning Yb as the active ion and a suited glass or crystal host provides laser m edia with
excellent opt ical and m echanical prop erties. For laser oscillators and am pl ifiers op era ting in the
3+ 3+1-μm -range, Yb-based laser m aterials have the pot ential to substitute m any Nd -based
3+ m aterials, especially in m edium to high po w er system s used for m aterial processing. Here, Yb
3+
laser m edia excel with high efficiency and relatively low heat loa d. M ode-locking of Yb laser
system s can provide subpicosecond pul se durations at high average po w er. Such short pul ses
can e.g. enhance the precision of drilling com pared to Q -switched