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• W1610689183 abstract "Upconversion lasers are unconventional sources of visible laser emission. The nonlinear upconversion process is based on the level scheme of suitable dopants, such as Er3+-ions. Here, a two-photon absorption process takes place. An intermediate level is populated by the absorption of the first photon, then the second photon populates the upper laserlevel. In the most efficient configuration, an Er3+-doped medium can emit a photon in the visible spectral range for every two consecutively absorbed infrared photons of the same wavelength. In this work, six different Er3+-doped crystals have been spectroscopically investigated in order to demonstrate their suitability for upconversion lasers. A fundamental requirement for the host material is a low effective phonon energy, which ensures that the lifetimes of the intermediate and the laser emitting levels are long enough to allow for efficient pumping and laser emission. For this reason, the host materials are all fluorides: LiLuF4, LaF3, BaY2F8, BaLu2F8, KY3F10 and, for the first time investigated with Er3+- doping, BaYLuF8. In this work, the crystal recognized as most efficient for upconversion lasers is Er3+:LiLuF4. Bulk laser experiments have been carried out. Upconversion laser input-output characteristics have been recorded with a Ti:sapphire laser as pump source, obtaining a maximum output power of 80mW and a slope efficiency of 20.7%. The results are comparable to those obtained in the same setup but using a direct pumping scheme, by substituting the pump source with a frequency-doubled optically-pumped semiconductor laser emitting at nearly half of the wavelength of the Ti:sapphire laser. In pure cw regime, a maximum output power of 35mW has been achieved with a slope efficiency of 9.2%. It represents the first demonstration of a cw erbium-based laser directly pumped in the blue spectral range. Moreover, experiments with simultaneous pumping with two different wavelengths have been carried out to realize so-called dual-wavelength upconversion lasers. Furthermore, Er3+-doped fluoride crystals can be interesting host materials for lasers emitting in the 1.6-μm spectral range, where many applications in telecommunication and medicine are possible and greenhouse gases can be detected via LIDAR techniques. The laser experiments under inband-pumping at 1.5 μm, with different Er3+:doped LiLuF4 and BaYLuF8 crystals yielded a maximum emission output power of 1.4W and a slope efficiency of 19% with respect to the incident pump power. Laser operation at different emission wavelengths has been demonstrated. In particular, emission at λ = 1610 nm could be obtained using a 1.25 at.% Er3+-doped LiLuF4 crystal, which is especially interesting for the detection of CO2. The first laser operation in Er3+:BaYLuF8 and the first inband-pumped laser operation at 1.6 μm in Er3+:LiLuF4 have been realized. To obtain cw upconversion lasers, a second requirement is a high pump intensity in the crystal, which can be achieved in the thin-disk-laser configuration as well as in waveguide lasers. Thin-disk-laser and waveguide-laser experiments have been performed with 1.3 at.% Er3+-doped LiLuF4 samples. The experiments resulted in the first crystalline green upconversion waveguide laser. Performance has been improved to achieve up to 10mW of output power with a slope efficiency of 3%. The internal losses are less than 0.5 dB/cm, very promising for future applications. Upconversion-Laser sind unkonventionelle Quellen sichtbarer Laseremission. Der nichtlineare Upconversion-Prozess basiert auf dem Niveauschema geeigneter Dotierionen wie Erbium, welches im dreiwertigen Zustand typischerweise ein langlebiges mittleresEnergieniveau aufweist. Durch Absorption eines Photons wird zunachst dieses Niveau, und in einem weiteren Absorptionsschritt das obere Laserniveau besetzt. Im gunstigsten Fall fuhrt die aufeinanderfolgende Absorption zweier Photonen der gleichen Wellenlange zur Emission von einem Photon im sichtbaren Spektralbereich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sechs unterschiedliche Er3+-dotierte Kristalle spektroskopischuntersucht, um ihre Eignung als Upconversion-Lasermaterial zu prufen. Eine wesentliche Voraussetzung hierfur ist eine niedrige effektive Phononenenergie. Sie bewirkt, dass sowohl das mittlere als auch das obere Laserniveau eine ausreichende Lebensdauer haben, um effizientes Pumpen sowie Laseremission zu gewahrleisten. Daher handelt essich bei den untersuchten Wirtsmaterialien ausschlieslich um Fluoridkristalle: LiLuF4, LaF3, BaY2F8, BaLu2F8, KY3F10, sowie erstmalig BaYLuF8 mit Er3+-Dotierung. Von diesen Materialien hat sich Er3+:LiLuF4 als das geeignetste erwiesen. Mit einem Ti:Saphir-Laser als Pumpquelle wurde ein Upconversion-Laser im Volumen- Kristall realisiert. Die Input-Output-Kurven (maximale Ausgangsleistung von 80mW und differentielle Wirkungsgrad von 20,7%) wurden verglichen mit denen von direkt im blauen Spektralbereich gepumpten cw Erbium-basierten Laser (maximale Ausgangsleistung von 35mW und differentieller Wirkungsgrad von 9,2% beim reinen Dauerstrichbetrieb), die im Rahmen dieser Arbeit erstmals realisiert werden. Zusatzlich wurden durch gleichzeitiges Pumpen mit zwei verschiedenenWellenlangen sogenannte Zweiwellenlangen- Upconversion-Laser demonstriert. Neben der Realisierung sichtbarer Laserstrahlung sind Er3+-dotierte Fluoridkristalle auch fur Laser mit Wellenlangen um 1,6 μm fur Anwendungen in Telekommunikation, Medizin sowie fur die Detektion von Treibhausgasen mittels LIDAR von grosem Interesse. In LiLuF4 und BaYLuF8 mit verschiedenen Er3+-Dotierungen wurden Ausgangsleistungen von bis zu 1,4W und differenzielle Wirkungsgrade von 19% gegenuber der einfallenden Pumpleistung erzielt. Laserbetrieb konnte bei verschiedenen Wellenlangen gezeigt werden. Insbesondere wurde Laseremission eines 1,25% Er3+:LiLuF4 Kristalls bei λ = 1610 nm demonstriert, einer Wellenlange die besonders geeignet fur die Detektion von CO2 ist. ImRahmen dieser Arbeit wurde erstmalig Laserbetrieb eines Er3+:BaYLuF8 sowie inbandgepumpter Laserbetrieb bei 1,6 μm in Er3+:LiLuF4 gezeigt.Neben Laserexperimenten im Volumkristall wurden Upconversion-Scheibenlaser und Wellenleiternlaser-Experimente durchgefuhrt, um eine hohe Pumpintensitat im Kristall zu ermoglichen. Beide Varianten wurden mit 1,3% Er3+:LiLuF4-Kristallen erprobt. Dabei konnte der erste kristalline grun emittierende Upconversion-Wellenleiterlaser mit bis zu 10mW Ausgangsleistung und einem differenziellen Wirkungsgrad von 3% realisiert werden. Die internen Wellenleiterverluste sind mit weniger als 0,5 dB/cm sehr vielversprechend fur zukunftige Auswendungen." @default.
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