Selbst-stimulierte Ramanstreuung und Selbst-Frequenzverdopplung an Nd3+-dotierten Kristallen aus den Systemen La2O3-MO3- B2O3(M=Mo, W)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Petra Becker-Bohatý; Professor Dr. Ladislav Bohatý
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 29446762

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In der ersten, zurückliegenden Phase des Projektes gelang es, große Individuen der Kristallart LaBO2MoO4 zu züchten. Die Kristalle erwiesen sich anhand ihrer linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften als vielversprechendes Material: LaBO2MoO4 zeigt effektive stimulierte Ramanstreuung (SRS) insbesondere aufgrund der SRS-aktiven totalsymmetrischen Schwingungsmode ν(MoO4), die eine effiziente nichtlinear optische Frequenzkonversion gestattet. Untersuchungen der stimulierten Emission der dotierten Kristalle LaBO2MoO4(:Nd3+) bei 1.0585 µm und 1.0675 µm erlauben, dieses Systems als neues Lasermaterial einzustufen. Die Arbeiten dieser Projektphase zeigten jedoch auch die auftretende Komplikation einer strukturellen Phasenumwandlung, die die Qualität der gezüchteten Kristalle stark beeinträchtigt. In der zweiten Phase des Projekts stand daher das Studium der Phasenumwandlung im Vordergrund. Die Untersuchungen ergaben, daß LaBO2MoO4 bei Raumtemperatur als Kompositkristall vorliegt, bestehend aus seiner metastabil erhaltenen Hochtemperaturmodifikation, deren Struktur mit der zentrosymmetrischen Raumgruppe P21/c bestimmt wurde, und darin orientiert eingewachsenen, zahlreichen kleinen Bereichen seiner polaren Tieftemperaturmodifikation mit Symmetrie P21. Die Phasenumwandlung ist rekonstruktiver Art und ihre kinetische Hemmung durch Keimbildungs- und Wachstumsschwierigkeiten (wahrscheinlich bedingt durch den Aufbau mechanischer Spannungsfelder um die entstehende neue Phase) geprägt. Die Phasenumwandlungstemperatur liegt bei 796°C und damit deutlich unterhalb der Temperaturen, die über Schmelzlösungszüchtung im ternären System La2O3 – B2O3 – MoO3 (welches im züchtungsrelevanten Zusammensetzungsbereich detailliert untersucht wurde) den Zugang zu hochqualitativen Kristallen der kristallphysikalisch attraktiven Tieftemperaturmodifikation erlauben würden, die Einkristallzüchtung der Tieftemperaturmodifikation von LaBO2MoO4 erscheint hier somit aussichtslos. Die Suche nach systemfremden Schmelzlösungsmitteln (u.a. Li2MoO4, Na2MoO4, LiVO3, NaVO3, V2O5, MoV2O8, Bi2Mo3O12, Bi2O3, PbO und PbB4O7) für die Züchtung von LaBO2MoO4 blieb bisher ohne Erfolg. Analoge Phasenumwandlungen erfahren auch die strukturverwandten Verbindungen CeBO2MoO4, NdBO2MoO4 und LaBO2WO4, für letztere Verbindung ergaben Untersuchungen im Phasensystem La2O3 – B2O3 – WO3 ähnliche Züchtungskomplikationen wie für die entsprechende Molybdänverbindung. Durch die kristallzüchterische Unzugänglichkeit der erforderlichen qualitativ hochwertigen Kristalle der Tieftemperaturmodifikation wie auch durch die, in Experimenten zu weiterführenden nichtlinear optischen Charakterisierung der Kompositkristalle beobachtete fortschreitende Zerstörung der Kristalle durch Rißbildung bedingt, mußte das Studium der optischen Eigenschaften der Kristalle LaBO2MoO4(:Nd3+) auf die stimulierte Ramanstreuung (SRS) und die stimulierte Emission beschränkt bleiben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Dineodymium(III) ditungstate(VI), Nd2W2O9. Acta Cryst. E 64 (2008) i29
  P. Held, P. Becker
  
• Dipraseodymium(III) pyroborate molybdate(VI), Pr2(B2O5)(MoO4). Acta Cryst. E 64 (2008) i28
  P. Held, P. Becker
  
• Monoclinic LaBO2MoO4:Nd3+ – a new SE- and (χ(2)+χ(3))-active crystal for multi-functional lasers. Laser Phys. Lett. 5 (2008) 737-745
  P. Becker, B. van der Wolf, L. Bohatý, J. Dong, A.A. Kaminskii
  
• Observation of many-phonon stimulated Raman scattering and related cascaded nonlinear-laser effects in monoclinic LaBO2MoO4 single crystals. Laser Phys. Lett. 5 (2008) 114-121
  P. Becker, L. Bohatý, H. Rhee, H.J. Eichler, J. Hanuza, A.A. Kaminskii
  
• The lanthanum(III) molybdate(VI) La4Mo7O27. Acta Cryst. E 65 (2009) i59
  B. van der Wolf, P. Held, P. Becker
  
• More than two-octaves span of the Stokes and anti-Stokes picosecond lasing comb in orthorhombic natural single crystals of celestine, SrSO4. Laser Phys. Lett. 7 (2010) 743-751
  A.A. Kaminskii, L. Bohatý, P. Becker, R. Kleinschrodt, H.J. Eichler, H. Rhee, K. Ueda, A. Shirakawa, V.V. Koltashev
  
• Stimulated emission (4F3/2 → 4I11/2 channel) with LD and Xe-flashlamp pumping of tetragonal, incommensurately modulated Ca2MgSi2O7:Nd3+(Na+) – a new diordered laser crystal. Laser Phys. Lett. 7 (2010) 876-883
  A.A. Kaminskii, H. Nakao, L. Bohatý, P. Becker, J. Liebertz, R. Kleinschrodt, K. Ueda, A. Shirakawa
  
• CW one-micron (4F3/2-4I11/2) laser oscillation of Nd3+ ions in the melilite-type crystal Ca2MgSi2O7:Nd3+(Na+) and its incommensurate-commensurate phase transition. Appl. Phys. B (2011)
  A.A. Kaminskii, H. Nakao, A. Shirakawa, K. Ueda, J. Liebertz, P. Becker, L. Bohatý
  
• Stimulated Raman scattering in natural crystals of SrSO4, BaSO4 and PbSO4: Highorder Stokes and anti-Stokes generation with single-wavelength UV, visible, and near- IR excitation, as well as cascaded up-conversion nonlinear χ(3)↔χ(3) lasing effects under dual-wavelength picosecond collinear coherent pumping. Appl. Phys. B (2011)
  A.A. Kaminskii, L. Bohatý, P. Becker, H. Rhee, H.J. Eichler, O. Lux, V.V. Koltashev