Novel infrared solid-state lasers based on lanthanide-doped crystalline materials

Abstract

L'objectiu principal d'aquest treball de tesi ha sigut el desenvolupament de làsers d’estat sòlid novedosos i eficients bombats per díodes que operin en els règims tant d'ona contínua com de commutació del factor Q de forma passiva en el rang d'infraroig proper, al voltant de ~1 µm i ~2 µm. Amb aquest propòsit, es van triar cristalls làser dopats amb iterbi (Yb3+) i neodimi (Nd3+) que operen al voltant d’ 1 µm, i altres cristalls dopats amb tul·li (Tm3+) i holmi (Ho3+) per a làsers amb emissió al voltant de 2 µm. S’han estudiat diversos materials cristal·lins de diferents famílies de cristalls, com ara cristalls de granat (granats d'aluminat mixte i matrius de granat de gal·li), molibdats dobles, oxoborats i fluorurs, degut a la seva capacitat per generar una emissió làser estable, la seva gran distància interatòmica que afavoreix alts nivells de dopatge amb mínim bloqueig de luminiscència, i les seves altes seccions transversals d'absorció i emissió. Es detallen els diferents mètodes de creixement de cristalls utilitzats per obtenir els cristalls estudiats, així com una profunda investigació de les seves propietats fisicoquímiques, microestructurals i espectroscòpiques. Els experiments làser es van realitzar a temperatura ambient per a la majoria dels medis actius estudiats i a temperatura criogènica per a un cas especial de cristalls.

El objetivo principal de este trabajo de tesis fue el desarrollo de láseres de estado sólido bombeados por diodos, innovadores y eficientes, que operan en los regímenes de operación de onda continua y conmutación Q pasiva en el rango espectral del infrarrojo cercano a aproximadamente 1 µm y 2 µm. Con este propósito, se eligieron cristales láser dopados con iterbio (Yb3+) y neodimio (Nd3+) que operan ~1 µm, y otros cristales dopados con tulio (Tm3+) y holmio (Ho3+) para láseres con emisión a ~2 µm. Se han estudiado varios materiales cristalinos de diferentes familias de cristales, tales como cristales de granate (granates de aluminato mixto y matrices de granate de galio), molibdatos dobles, oxoboratos y fluoruros, debido a su capacidad para generar una emisión láser estable, su gran distancia interatómica que favorece altos niveles de dopaje con mínimo bloqueo de luminiscencia, y sus altas secciones transversales de absorción y emisión. Se detallan los diferentes métodos de crecimiento de cristales utilizados para desarrollar los cristales estudiados, así como una profunda investigación de sus propiedades fisicoquímicas, microestructurales y espectroscópicas. Los experimentos láser se realizaron a temperatura ambiente para la mayoría de los medios activos estudiados y a temperatura criogénica para un caso especial de cristales.

The main objective of this thesis work was the development of innovative and efficient diode-pumped solid-state lasers operating in the continuous-wave and passively Q-switched operation regimes in the near-infrared spectral range at ~1 µm and ~2 µm. For this purpose, laser crystals doped with ytterbium (Yb3+) and neodymium (Nd3+) were selected operating at ~1 µm, while other crystals doped with thulium (Tm3+) and holmium (Ho3+) were chosen for lasers at ~2 µm. Several crystalline materials from different crystals families were studied, such us garnet crystals (mixed aluminate garnets and gallium garnet matrices), double molybdates, oxoborates and fluorides, due to their ability to generate stable laser emission, their large interatomic distance favouring high doping levels with minimum luminescence quenching, and their high absorption and emission cross-sections. Different crystal growth methods used to develop the studied crystals are reported. In addition, deep investigation on their physicochemical, microstructural, and spectroscopic properties is presented. The laser experiments are reported at room temperature for most of the studied gain media and at cryogenic temperature for a special case of crystals.