Ytterbium and erbium dopep rbti1-xmxopo4 (m=nb or ta) crystals. new laser and nonlinear bifunctional materials

Abstract

Ytterbium and erbium doped RbTi1-xMxOPO4 (M = Nb or Ta) crystals.<br/>New laser and nonlinear bifunctional materials.<br/>L'objectiu d'aquesta tesi va ser millorar la qualitat dels cristalls de RbTi1-xNbxOPO4 dopats<br/>amb Yb3+, obtinguts mitjançant la tècnica Top Seeded Solution Growth-Slow Cooling (TSSG-SC), i<br/>també trobar un altre codopand el qual incrementés la concentració de Yb3+ en els cristalls de<br/>RTP, però sense reduir la resposta no lineal dels cristalls de RTP pur. Aquest ió codopand<br/>hauria de presentar les mateixes característiques que el Nb5+. Un altre objectiu d'aquesta tesi va<br/>ser l'obtenció d'una manera efectiva de fluorescència del Er3+, al voltant de 1.5 &#956;m, la qual<br/>donarà lloc a l'obtenció de radiació làser a aquesta longitud d'ona. Per aconseguir aquest últim<br/>objectiu, es van dopar cristalls de Nb:RTP amb la parella de ions actius Er3+/Yb3+, actuant el<br/>Yb3+ per sensibilitzar el Er3+.<br/>Per aconseguir el primer objectiu proposat, millorar la qualitat i la mida dels cristalls de<br/>Nb:RTP dopats amb Yb3+, es van optimitzar algunes condicions de creixement, tal com la rampa<br/>de refredament aplicada durant el procés de creixement, el perfil tèrmic axial de la solució i la<br/>qualitat dels gèrmens emprats en les experiències de creixement. Amb aquestes modificacions<br/>es van obtenir cristalls de mida i qualitat suficients per tal de preparar mostres, en una de les<br/>quals s'ha obtingut radiació làser al voltant de 1 &#956;m. Amb les mostres obtingudes també s'ha<br/>pogut determinar la longitud d'ona fonamental per l'acord de fase no crític en la qual es donaria<br/>la generació de segon harmònic de tipus II en el pla xy, determinant que seria possible obtenir<br/>radiació làser autodoblada en la regió espectral del verd en aquest pla a q = 90º i j &#8776; 45º.<br/>El segon objectiu, trobar un ió codopand, amb el qual es pogués obtenir aproximadament<br/>la mateixa concentració de Yb3+ que l'obtinguda en cristalls de Nb:RTP, es va assolir utilitzant el<br/>Ta5+ com a ió codopand. En cristalls volúmics de Ta:RTP es va aconseguir una concentració de<br/>Yb3+ de 1.6×1020 ions/cm3 i l'eficiència de generació de segon harmònic obtinguda va ser un 80<br/>% de la del KTiOPO4 pur. Amb aquests resultats, podem pensar que en els cristalls de Ta:RTP<br/>dopats amb Yb3+ també es podria aconseguir radiació làser autodoblada en la regió espectral del<br/>verd.<br/>Pel que fa a l'augment de l'eficiència de la fluorescència del Er3+, mitjançant el codopatge<br/>de cristalls de Nb:RTP amb la parella d'ions actius Er3+/Yb3+, al voltant de 1.5 &#956;m, s'ha<br/>aconseguit, fins i tot en mostres amb poca concentració de Er3+ (<1020ions/cm3).<br/>A més, cal afegir que també s'ha realitzat un estudi comparatiu entre la conductivitat<br/>iònica del RTP pur, del RTP crescut en solució de tungstè, Nb:RTP i Nb:RTP dopat amb Yb3+.<br/>Totes les mesures s'han realitzat en plaques polides perpendiculars a la direcció cristal logàfica<br/>c, i dels resultats obtinguts s'han pogut extreure algunes conclusions. Que no hi ha diferències<br/>entre les conductivitats iòniques de cristall de RTP purs i els crescuts en flux de tungstè, però<br/>en mostres de Nb:RTP la conductivitat augmenta considerablement, tenint una conductivitat de<br/>l'ordre de l'obtinguda pel KTP (10-7-10-5 S/cm), i que les mostres de Nb:RTP dopades amb Yb3+<br/>presenten una conductivitat iònica lleugerament superior (10-8 S/cm) a la que presenten les<br/>mostres de RTP (10-9 S/cm).<br/><br/><br/><br/><br/>Ytterbium and erbium doped RbTi1-xMxOPO4 (M = Nb or Ta) crystals.<br/>New laser and nonlinear bifunctional materials.<br/>The aim of this thesis was not only to enhance the quality and size of Yb doped<br/>RbTi1-xNbxOPO4 (Nb:RTP) crystals obtained by the Top Seeded Solution Growth-Slow Cooling<br/>(TSSG-SC) technique, but also to find another codopand which increases the Yb3+ concentration<br/>in RTP without reducing drastically the nonlinear optical response of pure RTP; so a codopand<br/>which shows the same characteristics of niobium. Another objective of this thesis was to obtain<br/>efficient fluorescence of Er3+ at around 1.5 &#956;m which would lead to laser action at this<br/>wavelength, by codoping Nb:RTP with the pair Er3+/Yb3+, acting Yb3+ as a sensitizing ion of Er3+.<br/>To achieve the first objective proposed, enhance the quality and size of Yb:Nb:RTP, we<br/>optimize some growth conditions, such as the cooling ramp applied during the crystal growth<br/>process, the thermal axial gradient of the solution and the quality of the crystals seeds used in<br/>the crystal growths. With those modifications we obtain crystals with size and quality enough to<br/>prepare samples from which laser action at around 1 &#956;m has been obtained, for the first time in<br/>a crystal of the KTP family, and to determine the fundamental wavelength for non-critical type -<br/>II SHG in the xy plane, determining that in this plane, at q = 90º and j &#8776; 45º it will be possible<br/>to obtain self-frequency doubling laser action in the green spectral range. The second objective,<br/>find a codopand with which Yb3+ concentration in RTP was in the range of the one obtained in<br/>Nb:RTP, it was achieved by using tantalum. Firstly, it was determined how the RTP<br/>crystallization region changes with the Ta5+ and Yb3+ introduction, and which was the optimal<br/>solution composition to achieve a higher Yb3+ concentration. With this optimal solution<br/>composition bulk crystal of Yb doped RbTi1-xTaxOPO4, grown by TSSG-SC technique, with a Yb3+<br/>concentration of 1.6×1020 ions/cm3 were obtained and the SHG efficiency of powdered samples<br/>was an 80 % of that of pure KTP. So, as the Yb3+ concentration obtained in Ta:RTP is of the<br/>same order of the one obtained in Nb:RTP, the SHG efficiency is not drastically decreased, and<br/>the refractive indexes measured at 632.8 nm do not differ significantly from the ones of<br/>Yb:RbTi1-xNbxOPO4, we can assume that in Yb:RbTi1-xNbxOPO4 crystals could also be possible to<br/>obtain self-frequency laser action in the green spectral range. About the enhancement of the IR<br/>fluorescence of Er3+ by codoping Nb:RTP with Yb3+, bulk crystals of codoped Er3+/Yb3+ Nb:RTP<br/>were grown from solutions containing always the same Yb2O3 mol % and by modifying the Er2O3<br/>mol % added in the initial solution. The spectroscopic characterization of these crystals shows<br/>the Er3+ fluorescence at around 1.5 &#956;m by pumping between 900 nm and 980 nm, even in the<br/>crystals containing low Er3+ concentration (<1020ions/cm3).<br/>Moreover to these results, a comparative study between the ionic conductivity of pure<br/>RTP grown in its self flux, RTP grown in tungsten flux, Nb:RTP and Yb:Nb:RTP had been<br/>performed, in polished plates perpendiculars to c crystallographic direction, to see how it<br/>evolves in the mentioned crystals. The results obtained showed that there are no differences<br/>between the ionic conductivity in RTP samples, grown in its self flux or in tungsten flux, but in<br/>Nb:RTP the ionic conductivity increases considerably. Nb:RTP shows an ionic conductivity of the<br/>order of the KTP one (10-7-10-5 S/cm), but in Yb:Nb:RTP the conductivity is only a little bit<br/>higher (10-8 S/cm) of the RTP one (10-9 S/cm).