Terbium-based fluoride and oxide crystals for visible lasers
| dc.contributor.advisor | Kränkel, Christian | |
| dc.contributor.author | Castellano Hernández, Elena | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Bickermann, Matthias | |
| dc.contributor.referee | Aka, Gérard | |
| dc.contributor.referee | Kränkel, Christian | |
| dc.date.accepted | 2022-03-18 | |
| dc.date.accessioned | 2022-05-02T09:22:05Z | |
| dc.date.available | 2022-05-02T09:22:05Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.description.abstract | In the course of this thesis, Tb3+-doped fluoride and oxide materials have been investigated with regard to their properties as potential laser active materials with emission in the visible range. Main spectroscopic and laser investigations have been carried out in LiLuF4 and LiTbF4, KY3F10 and KTb3F10, BaY2F8, LaF3, and TbF3 as fluorides materials and YAlO3 and TbAlO3, Y3Al5O12, and KY(WO4)2 as oxide materials. The host material plays a fundamental role in the capacity of Tb3+ laser emission as can help to decrease or even avoid detrimental excited state absorption (ESA) processes, unraveling the key to developing efficient Tb3+ lasers. Thus, different Tb3+ materials were investigated for laser experiments, with a wide range of doping concentrations up to stoichiometric 100 at.%. Tb3+ absorption and emission cross-sections were determined by absorption and fluorescence spectroscopy respectively, exposing the feasible wavelength for pumping and laser emission. Measurements of the fluorescence dynamics indicate the lack of interionic processes between Tb3+ ions that could limit the suitable concentration for laser performance. Consequently, high concentrations can contribute to compensate for the low Tb3+ absorption and emission cross-sections. Furthermore, pump-probe ESA measurements show gain in the green and yellow spectral regions for Tb3+ materials, included the oxide YAlO3. This finding is especially relevant as Tb3+ laser emission from an oxide material has not yet been demonstrated. Laser emission with a Tb3+(28 at.%):LiTbF4 crystal was achieved in cw operation, delivering 0.5 W at 587.5 nm with a slope efficiency of 25%, unprecedented values for any direct emitting yellow laser. Diode-pumped laser emission on this crystal was accomplished with a 52% of slope efficiency at 544 nm in the green and a 22% at 587.4 nm in the yellow, entailing the first demonstration of a diode pumped Tb3+-based solid-state laser, to the best of the author’s knowledge. The present work also demonstrates UV-pumping as a viable solution on a Tb3+(14 at.%):LiTbF4 crystal, increasing by two the optical-to-optical efficiency of the overall laser system in comparison with cyan-blue pumping. Laser operation was achieved with Tb3+:BaY2F8 at 581 nm with a slope efficiency of 16%. To the best of the author’s knowledge, this is the first demonstration of laser emission of this crystal. | en |
| dc.description.abstract | Im Rahmen dieser Arbeit wurden Tb3+-dotierte Fluorid- und Oxidmaterialien auf ihre Eigenschaften als potentielle laseraktive Materialien mit Emission im sichtbaren Spektralbereich untersucht. Die wichtigsten spektroskopischen und lasertechnischen Untersuchungen wurden an den Fluoridmaterialien LiLuF4 und LiTbF4, KY3F10 und KTb3F10, BaY2F8, LaF3, und TbF3 und den Oxidmaterialien YAlO3 und TbAlO3, Y3Al5O12, und KY(WO4)2 durchgeführt. Die Wahl des Wirtsmaterial spielt eine grundlegende Rolle für die Laseremission von Tb3+, da es dazu beitragen kann, nachteilige Absorptionsprozesse aus dem angeregten Zustand (ESA) zu verringern oder sogar zu vermeiden, was den Schlüssel zur Entwicklung effizienter Tb3+-Laser darstellt. Daher wurden verschiedene Tb3+-Materialien mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen bis hin zu stöchiometrischen 100 at.% in Laserexperimenten untersucht. Die Absorptions- und Emissionsquerschnitte von Tb3+ wurden durch Absorptions- bzw. Fluoreszenzspektroskopie bestimmt, wobei die geeignete Wellenlänge für das Pumpen und die Laseremission ermittelt wurde. Die Messungen zur Fluoreszenzdynamik bestätigen das Fehlen von interionischen Prozessen zwischen den Tb3+-Ionen, welche die nutzbare Dotierkonzentration begrenzen könnten. Folglich können hohe Konzentrationen dazu beitragen, die niedrigen Tb3+-Absorptions- und Emissionsquerschnitte zu kompensieren. Außerdem zeigen Pump-Probe-ESA-Messungen optische Verstärkung im grünen und gelben Spektralbereich für Tb3+-Materialien, darunter auch das Oxid YAlO3. Dieses Ergebnis ist besonders wichtig, da Laseremission von Tb3+ mit einem Oxidmaterial noch nicht gezeigt werden konnte. Die Laseremission mit einem Tb3+(28 at.%):LiTbF4-Kristall wurde im cw-Betrieb erreicht und lieferte 0,5 W bei 587,5 nm mit einer differenziellen Effizienz von 25%, beispiellose Werte für jeden direkt emittierenden gelben Laser. Diodengepumpte Laseremission mit dem selben Kristall wurde ebenfalls erreicht. Die differentielle Effizienz lag hierbei bei 52% bei 544 nm im grünen Bereich und 22% bei 587,4 nm im gelben Bereich. Soweit dem Autor bekannt ist, stellt dies die erste Demonstration eines diodengepumpten Tb3+-basierten Festkörperlasers dar. Die vorliegende Arbeit zeigt auch, dass UV-Pumpen eine praktikable Lösung für einen Tb3+(14 at.%):LiTbF4-Kristall ist, wodurch sich optisch-optische Effizienz des gesamten Lasersystems im Vergleich zum Cyan-Blau-Pumpen verdoppelt. Der Laserbetrieb wurde mit Tb3+:BaY2F8 bei 581 nm mit einer differenziellen Effizienz von 16% erreicht. Soweit dem Autor bekannt ist, ist dies die erste Demonstration der Laseremission dieses Kristalls. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16703 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-15481 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene | de |
| dc.subject.other | laser materials | en |
| dc.subject.other | visible laser | en |
| dc.subject.other | terbium | en |
| dc.subject.other | SSL | en |
| dc.subject.other | DPSSL | en |
| dc.subject.other | Lasermaterialien | de |
| dc.subject.other | sichtbarer Laser | de |
| dc.subject.other | Terbium | de |
| dc.title | Terbium-based fluoride and oxide crystals for visible lasers | en |
| dc.title.translated | Fluorid- und Oxidkristalle auf Terbiumbasis für sichtbare Laser | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften::Inst. Chemie::FG Grundlagen und Methoden der Kristallzüchtung | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften | de |
| tub.affiliation.group | FG Grundlagen und Methoden der Kristallzüchtung | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Chemie | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |