Herstellung von laseraktiven Sesquioxiden (Yb:Lu2O3 und Yb:LuScO3) und deren Anwendung in Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Scheibenlasern (LuThER)

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Graf
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410806665

Der Scheibenlaser ist ein sehr vielversprechendes Laserkonzept für die Erzeugung ultrakurzer Pulse bei hohen mittleren Leistungen und hoher Pulsenergie. Die kurze Wechselwirkungslänge im Kristall sowie die großen Strahldurchmesser ermöglichen eine Leistungsskalierung bei gleichzeitiger Vermeidung von thermisch induzierten sowie nichtlinearen Effekten. Insbesondere für die Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen mit hohen Spitzenleistungen erweist sich dies als ent-scheidender Vorteil.Das Potenzial des Scheibenlaserkonzepts ist besonders bei modengekoppelten Oszillatoren noch nicht vollständig erschlossen, weil der Großteil der Forschungsarbeiten zur Demonstration höchster mittlerer Leistungen mit dem Kristall Yb:YAG durchgeführt wurden, der aufgrund seiner vergleichsweise schmalen spektralen Verstärkungsbandbreite nicht optimal für die Erzeugung kürzester Femtosekundenpulse geeignet ist. Die Yb-dotierten Sesquioxide Yb:Lu2O3 und Yb:LuScO3 können sowohl als Kristall als auch als Keramik hergestellt werden und sind sehr vielverspre-chende Lasermaterialien für die Erzeugung ultrakurzer Pulse bei hohen mittleren Leistungen, da sie eine große spektrale Verstärkungsbandbreite, einen geringen Quantendefekt, geringe Phononen-Energien und exzellente thermo-mechanische Eigenschaften aufweisen. Im Projekt wird daher die Weiterentwicklung der notwendigen technologischen Schritte zur Herstellung von Kristallen und Keramiken aus Yb:Lu2O3 und Yb:LuScO3 angestrebt, die eine hohe optische Qualität und die Herstellung mit großen Durchmessern (>12 mm), wie sie für den Einsatz im Scheibenlaser wünschenswert sind, ermöglichen.Dazu sollen folgende Aspekte erforscht werden:Die Grenzen der „Heat Exchange Methode“ sowie der „Edge-Defined Film-Fed Growth Methode“ bzgl. der Größe und der Qualität der erzeugbaren Kristalle werden systematisch untersucht und erweitert. Der Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung, der lokalen Kristallstruktur und der spektroskopischen Eigenschaften wird untersucht, um leistungsfähigere Laserkristalle zu er-zielen.Die „Wet Chemistry Powder Synthesis Methode“ soll weiterentwickelt werden, um Yb:Lu2O3- und Yb:LuScO3 Nanokristallpulver mit hoher chemischer Reinheit, frei von Agglomeration und mit ho-her Sinter-Aktivität herzustellen. Aus diesen Pulvern sollen die Lasermaterialien mittels Vakuum-Sintern hergestellt und die Produktion von Yb:Lu2O3 und Yb:LuScO3-Keramiken mit hoher opti-scher Qualität bei Durchmessern von mehr als 12 mm ermöglicht werden.Die im Projekt entwickelten Sesquioxid-Kristalle und -Keramiken sollen im Scheibenlaser sowohl im Dauerstrich- als auch im modengekoppelten Betrieb bei hoher mittlerer Leistung von mehr als 150 W bei Pulsdauern unter 500 fs untersucht und verglichen werden. Unterstützt durch zusätzli-che Simulationen sollen aus den Ergebnissen allgemeine Richtlinien für die systematische Opti-mierung von laseraktiven Sesquioxiden erarbeitet werden, die für Ultrakurzpuls-Scheibenlaser geeignet sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortlich: Dr. Marwan Abdou Ahmed
• Kooperationspartner: Dr. Xiaodong Xu