Materials for Solid State Lasers

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1 Materials for Solid State Lasers KATHARINA RETTSCHLAG KATHARINA RETTSCHLAG 1

2 Composition History of the Laser Configuration of a optical Resonator Geometry of the materials Requirements of a Lasermaterial The Level Systems Doped garnet Lasers Yttrium Vanadate Ti: Sapphire Praseodymium Other Lasermaterials Sources KATHARINA RETTSCHLAG 2

3 History 1917: Development of the theory for stimulated emission by Albert Einstein 1954: Development of the MASERs by Charles Townes and Arthur Schawlow 1960: First Ruby Laser, developed by Theodor Harold Maiman 1961: First Gas Laser (Javan) 1962: First Diode Laser (Nathan) 1982: First specification of a Ti:Sapphire Laser 1986: Technological launch of the Ti:Sapphire Laser 1989: First pulsed Solid State Laser 1993: First optical fiber guided Solid State Laser 1995: First applicable disk Laser KATHARINA RETTSCHLAG 3

4 Configuration of a optical Resonator Depends on the crystal geometry Many mirror combinations are possible Define feedback of certain frequencies Determine spectrale and spacial beam characteristics Stimulation with narrowband diode lasers Amplification over multiple relefction Outcoupling over a TR mirror KATHARINA RETTSCHLAG 4

5 Geometry of the materials Stick Tube Plate The selection of the geometry affects specially: Disk Fiber Configuration of a optical Resonator Opportunity of the stimulation Beam characteristics Heat stress KATHARINA RETTSCHLAG 5

6 Laser materials Aktive medium: Ions are doped into a host material Suitable are the transition metals and the rare earth metals Oxide Host medium: ensures a distance between the active ions good thermal conductivity high optical quality > non birefringent mechanical stability Fluoride suitable are oxide and fluoride crystals and silicate and phosphate glasses KATHARINA RETTSCHLAG 6

7 Three Level System Conditions: High probability for the pump transition W 13 S 31 needs a low probability High lifetime τ 31 low probability for S 21 Population inversion is possible KATHARINA RETTSCHLAG 7

8 Ruby laser based on the three level system aktive medium: Cr 3+ Ions host medium: Al 2 O 3 Monocrystal KATHARINA RETTSCHLAG 8

9 Erbium Aktive medium: Er 3+ Ions Used in fiber lasers > technologically important Doped in YAG: λ = 2940 nm Doped in phosphat glass: λ = 1550 nm Mostly operated with 1550 nm Interesting for medical applications KATHARINA RETTSCHLAG 9

10 Four Level System The lower laser level is separated fom the ground state Laser transition happens in an unused state Even with low pumping is an immediate inversion possible Rapid emtying of the lower level is necessary Otherwise it acts against the population inversion KATHARINA RETTSCHLAG 10

11 Nd:YAG Aktive medium: Nd 3+ Ions Host medium: Y 3 Al 5 O 12 Monocrystal Colorless, cubic, isotropic good heat stress Dobing in the melt with Nd 2 O 3 λ = 1064nm η 10% Crystal lenght: bis 200 mm Diameter: 5 10 mm KATHARINA RETTSCHLAG 11

12 Yb:YAG Aktive medium: Yb 3+ Ionen Used as a disk geometry Absorbs only a specific wavelenght Higher heat stress Increase of the efficiency λ = 1030nm η 35% is possible Crystal dimensions: Ø 7 mm; h < 0,3 mm KATHARINA RETTSCHLAG 12

13 Ti:Saphir Aktive medium: Ti 3+ Ions Host medium: Al 2 O 3 monocrystal hexagonal crystak structure Large range from 670 nm to 1070 nm Many sublevels available Caused by a single 3d electron Very short pulses are possible (up to 5 fs) Mode coupling operation A high pumping density is necessary because of the low lifetime in the upper laser level Pumping with 5 10 W allows a light output of 500 mw KATHARINA RETTSCHLAG 13

14 Yttrium vanadate Positiv uniaxial crystal Tetragonal crystal structure Ideal for optical polarisation Naturally birefringent eliminates thermally induced depolarization loss in high power lasers Nd:YVO 4 compare to Nd:YAG Higher pump absorption Better than Nd:YAG for lasers with very low threshold pump power Broader wavelength range for pumping Higher refractive index Lower upper laser level lifetime KATHARINA RETTSCHLAG 14

15 Praseodymium More transitions at the visible spectral range For example: 444nm, 523nm, 605nm, 640nm Green laser light without frequency doubling is possible Doped in combination with ytterbium in fluorozirconate glass fibres Applications for example in the medicine Energy level schema of a Pr 3+ Ion KATHARINA RETTSCHLAG 15

16 More materials Finished laser crystal Laser crystal blanks KATHARINA RETTSCHLAG 16

17 Sources photonics.com/vanadate_lasers.html Aufbau und Charakterisierung eines hochstabilen Nd:YAG Lasers für ein Indium Frequenznormal, Mario Eichenseer Skriptum zur Vorlesung Technische Optik: Laser, Jörn Stenger, Institut für Hochfrequenztechnik Technische Universität Braunschweig 6/6 14.gif muenster.de/fb1/downloads/personal/juestel/juestel/rubin LASER Nicola_H ser Katja_Wollny_.pdf muenster.de/fb1/downloads/personal/juestel/juestel/festk rper LASER_Tertilt Rex Grill_.pdf Stab, Faser und Scheibe Die Geschichte des Festkörperlasers, Dr. Paul Seiler, Dr. Klaus Wallmeroth, TRUMPF Laser, Schramberg Laser Verstärkung durch induzierte Emission, W. Kleen, R. Müller Solid State Lasers A Greduate Text, Walter Koechner, Michael Bass Laserphysik M.Sc. Kap.2 Spezielle Lasersysteme, Prof. K. Dickmann Laseranwendungen B.Sc. Kap.3 Lasersysteme, Prof. K. Dickmann KATHARINA RETTSCHLAG 17

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