Charakterisierung Erbium-dotierter Laserkristalle in Hinblick auf LIDAR-Anwendungen bei 1,6 µm

Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung von Lasermaterialien für die Konzentrationsbestimmung der Treibhausgase CO2 und CH4 mittels LIDAR-Verfahren bei 1,6 µm. Dazu wurden umfangreiche spektroskopische Untersuchungen an Er 3+ -dotierten Granaten ((Y1-XLuX)3Al5O12, Y(Al1-XGaX)5O12 und YSAG), Sesquioxiden ((Lu1-XYX)2O3, (Lu1-XScX)2O3 und (Y1-XScX)2O3)) und Vanadaten (YVO4 und GdVO4) durchgeführt. Neben der Bestimmung der Wirkungsquerschnitte der Grundzustandsabsorption und der Emission wurden die Wirkungsquerschnitte der Absorption aus dem ersten angeregten Zustand (ESA) für den Spektralbereich um 1,6 µm und Fluoreszenzlebensdauern ermittelt. Von den stöchiometrischen Er 3+ -dotierten Sesquioxid-Kristallen wurde weitergehend die energetische Lage der Stark-Niveaus bestimmt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig eine umfassende spektroskopische Analyse in Abhängigkeit der Kristallabmischungen von Er 3+ -dotierten Granat- und Sesquioxid-Kristallen durchgeführt. Dadurch konnten optimierte Kristallabmischungen bestimmt werden, mit denen die Lage der Verstärkungsmaxima an die geforderten Zielwellenlängen von CO2 bei 1579,27 nm und 1602,90 nm und von CH4 bei 1642,6150 nm, 1645,2440 nm und 1647,5875 nm angepasst wurden.

Mit den für die Zielwellenlängen optimierten Kristallen wurden charakterisierende Laserexperimente im Dauerstrichbetrieb unter resonanter Pumpanregung durchgeführt. Mit jeweils zwei Er:(Y1-XLuX)3Al5O12 Kristallen konnte erstmals freilaufender Laserbetrieb im Bereich der geforderten Zielwellenlängen von CH4 um 1645,2440 nm und 1647,5875 nm realisiert werden. Die maximale Ausgangsleistung betrug 14,5 W bei einem differentiellen Wirkungsgrad von 40 % bezüglich der eingestrahlten Pumpleistung. Im Vergleich zu einer Er:YAG Referenzprobe konnten keine nachteiligen Charakteristika festgestellt werden, so dass eine Leistungsskalierung analog zu Er:YAG erwartet werden kann. Mit einem Er:(Lu1-XYX)2O3 Kristall konnte erstmals freilaufender Laserbetrieb im Bereich der geforderten Zielwellenlänge von CO2 um 1579,27 nm gezeigt werden. Weiterhin wurde erstmals resonant gepumpter Laserbetrieb von Er:YVO4 Kristallen demonstriert und dessen Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration untersucht. Dabei konnte selbst bei einer relativ hohen Er 3+ -Konzentration von 2 at.% noch effizienter Laserbetrieb nachgewiesen werden. Im freilaufenden Laserbetrieb dieser Er:YVO4 Kristalle lag die Emissionswellenlänge im Bereich der geforderten Zielwellenlänge von CO2 um 1602,90 nm und es konnte eine maximale Ausgangsleistung von 2,8 W und ein maximaler differentieller Wirkungsgrad von 60 % gegen die absorbierte Leistung demonstriert werden. Unter Verwendung eines doppelbrechenden Filters konnte der Laser auch im Bereich der geforderten Zielwellenlänge von CO2 um 1579,27 nm betrieben werden. Weiterhin wurde die Lasercharakteristik der stöchiometrischen Er 3+ -dotierten Kristalle Y2O3,Lu2O3,Sc2O3 und GdVO4 untersucht. Dabei ergab sich für den letztgenannten Kristall eine maximale Ausgangsleistung von 2,6 W bei einem maximalen differentiellen Wirkungsgrad gegen die absorbierte Leistung von 74 %.

Nach einer Abschätzung des gütegeschalteten Laserbetriebs können die geforderten Spezifikationen für LIDAR-Anwendungen mit den Kristallen Er:(Y1-XLuX)3Al5O12, Er:(Lu1-XYX)2O3 und Er:YVO4 in Hinblick auf die Pulsenergie und die Pulsdauer erfüllt werden.