Crystal Growth and Characterization of ytterbium or neodymium doped type III-KGd(PO3)4. A new bifunctional nonlinear and laser crystal

Abstract

S'anomenen cristalls bifuncionals aquells que posseeixen simultàniament propietats d'òptica no lineal i propietats làser. Aquest tipus de materials són molt interessants ja que, combinant aquestes dues propietats, poden auto-generar radiació làser en la regió electromagnètica del blau (&#61548;&#8776; 450 nm) o del verd (&#61548;&#8776; 550 nm). Els materials làser d'estat sòlid que generen radiació làser en el rang electromagnètic visible (&#8776; 400-800 nm) tenen actualment un paper molt important en el desenvolupament tecnològic de dispositius làser i òptics en general ja que són interessants per un gran nombre d'aplicacions com són: l'emmagatzematge òptic d'informació d'alta densitat (HDVD, per exemple), reprografia, pantalles de color, medicina, biotecnologia, comunicacions submarines, comunicacions atmosfèriques transparents, etc.<br/>Aquest tipus de fonts làser compactes emetent en el visible poden ésser desenvolupades utilitzant un cristall bifuncional. Aquests làsers auto-dobladors de freqüència tenen associades menys pèrdues (absorció, reflexió i dispersió) que làsers dobladors de freqüència intracavitat, que significa que el disseny del ressonador és més simple i compacte. Actualment, la recerca en aquest camp està centrada en el desenvolupament de nous materials no-centrosimètrics que presentin propietats d'òptica no-lineal i que puguin allotjar ions làser actius, majoritàriament ions lantànid. Els materials d'òptica no-lineal tenen la capacitat de generar el segon harmònic de la radiació, és a dir, de doblar la seva freqüència. Si un material d'òptica no-lineal conté un ió lantànid que generi radiació làser en la regió infraroja d'aproximadament &#61548;=1000 nm, podrà auto-doblar-ne la freqüència, és a dir, reduir-ne a la meitat la longitud d'ona, &#61548;=500 nm, que correspon a la regió electromagnètica del blau o el verd.<br/>El fosfat doble de potassi i gadolini de tipus III, KGd(PO3)4 (KGP), que és objecte d'aquesta tesi doctoral, és un cristall d'estructura no-centrosimètrica i per tant amb el requisit estructural necessari per a posseir propietats d'òptica no-lineal. Es va plantejar l'objectiu de sintetitzar i caracteritzar aquest cristall i a més de substituir parcial o totalment l'ió gadolini per un ió lantànid actiu en la zona de 1000 nm, com són l'iterbi i el neodimi, per tal d'aconseguir desenvolupar un nou cristall auto-doblador de freqüència.<br/>Així doncs, l'objectiu de la present tesi doctoral va ésser l'estudi del creixement cristal.lí del KGP i del KGP dopat amb iterbi o neodimi i la seva posterior caracterització. Com que el fosfats doble de potassi i lantànid fonen incongruentment, és a dir, que es descomponen abans de fondre, és necessari utilitzar un mètode de creixement cristal.lí a partir de solució a alta temperatura per créixer cristalls. Aquest mètodes permeten créixer a una temperatura per sota la temperatura de fusió del material, i per tant evitar-ne la seva descomposició. El mètode que nosaltres em utilitzat per créixer monocristalls de KGP pur i dopat és l'anomenat top seeded solution growth-slow cooling (TSSG-SC), que permet créixer els cristalls lliures en la solució disminuint lentament la seva temperatura a partir de la temperatura se cristal.lització. Això permet obtenir cristalls volúmics amb formes cristal.logràfiques desenvolupades lliurament i determinades a partir de l'estructura cristal.lina. Després d'optimitzar el procés de creixement, hem aconseguitr sintetitzar cristalls lliures de macrodefectes i d'una mida suficient pel seu estudi i possible posterior aplicació. Posteriorment, els cristalls han estat caracteritzats estructuralment, físicament, òpticament i espectroscòpicament.<br/>Finalment, s'han realitzat experiències de laserat amb Yb:KGP, obtenint uns resultats força encoratjadors, ja que s'ha aconseguit generar radiació làser per primer cop en aquest cristall dopat amb iterbi amb un nivell de dopatge força baix.<br/>Com a conclusió i després dels resultats de l'estudi, podem dir que els cristalls de Yb:KGP i Nd:KGP poden ésser considerats com a candidats prometedors per a ser aplicats com a cristalls auto-dobladors de freqüència ja que s'ha provat la seva capacitat tant de generar segon harmònic com de generar radiació làser.

Bifunctional crystals are those in which the nonlinear optical process and the laser effect occur simultaneously. This kind of materials is very promising for compact solid-state laser designs operating in the visible because solid-state lasers operate mainly in the infrared. So, the nonlinear and laser properties can combine to generate blue (&#61548;&#8776; 450 nm) or green (&#61548;&#8776;550 nm) laser radiation by self-frequency doubling. Solid-state laser sources operating in the visible spectral region (&#61548;&#8776;400-800 nm) play an important role in laser technology they are potentially interesting for numerous applications such as high-density optical data storage, reprographics, colour displays, medicine, biotechnology, submarine communications, transparent atmosphere communications, etc.<br/>Such compact laser sources can be managed from frequency conversion by nonlinear optical processes such as frequency doubling and sum-frequency mixing by using a bifunctional crystal. Such self-frequency doubling (SFD) lasers involve fewer losses (absorption, reflection and scattering) than the intracavity frequency doubling lasers, which means that resonator designs are simpler and more compact.<br/>Currently, efforts are focussed on the development of new noncentrosymmetric crystals with nonlinear optical properties to be used as a host for active laser ions, and mostly lanthanide ions. Nonlinear optical materials are able to double the frequency of the laser emission generated by the active ion hosted in it. Nonlinear crystals with suitable sites for lanthanide ions which emit in the infrared region around 1 &#61549;m may be able to self-double the frequency, i.e. to reduce the wavelength to the half, &#61548;=500 nm, which is in the blue or green spectral region.<br/>The aim of this doctoral thesis is to synthesize and characterize the type III double phosphate of potassium and gadolinium, KGd(PO3)4 (KGP), either undoped or doped ordoped with ytterbium or neodymium, both of them emitting in the 1 &#61549;m region.<br/><br/>The KGP crystal is noncentrosymmetric, so with the indispensable requirement to have nonlinear optical properties. We propose to use this crystal as a nonlinear host for alternatively ytterbium (Yb3+) or neodymium (Nd3+) to develop a new promising selffrequency doubling laser crystal to generate blue-green laser radiation.<br/>As double phosphates of potassium and lanthanide melt incongruently, i.e. they decompose before melting, a high-temperature solution growth method has to be used to growth the crystals. This kind of growth methods allows growing the crystal under its melting point and so avoiding its decomposition. We use the top seeded solution growth-slow cooling (TSSG-SC) to grow the undoped and Yb- or Nd-doped KGP single crystals. This kind of growth method allows to freely growing the crystals in the solution by slowly cooling its temperature from the crystallization temperature. It allows obtaining bulk crystals with freely developed crystallographic forms determined by the crystals structure. By optimizing the growth process, we have successfully grown macrodefect-free crystals large enough for later characterizations and possible final application. The crystals have been structurally, physically, optically and spectroscopically characterized. Finally, laser operation with Yb:KGP has been proved for the first time. Although the low ion doping level in the crystal, the rather high slope efficiency obtained with this first sample is rather promising for the future.<br/>In conclusion, single crystals of Yb:KGP and Nd:KGP can be regarded as a promising candidates to be applied as a self-frequency doubling crystals since it has been proved both the second harmonic generation ability and the laser operation.