Trivalentes Terbium: Ein neues aktives Ion für grün und gelb emittierende Festkörperlaser (TiTAN)

• Antragsteller: Dr. Christian Kränkel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458056764

In diesem Projekt soll trivalentes Terbium als aktives Ion für Laser im gelben und grünen Spektralbereich untersucht werden. Auch nach 60 Jahren Laserforschung ist die Erzeugung von gelbem Laserlicht noch immer eine Herausforderung. Anwendungen gelber Laserstrahlung in Haut- und Augenheilkunde basieren noch heute auf ineffizienten, teuren, giftigen oder komplexen Ansätzen wie Farbstofflasern, Kupferdampflasern oder nichtlinearer Frequenzkonversion. Unsere Vorarbeiten haben bewiesen, dass trivalentes Terbium sich grundsätzlich als aktives Ion für einfache und effiziente direkt im Gelben emittierende diodengepumpte Festkörperlaser (DPSSL) eignet. Jedoch sind noch nicht alle für den Laserprozess relevanten Energietransferprozesse verstanden. Die hier vorgeschlagenen Forschungsarbeiten werden somit dazu beitragen, das volle Potential von trivalentem Terbium als Laserion auszuschöpfen.Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wollen wir die wesentlichen offenen Fragen klären. Dafür werden wir neuartige hoch Terbium-dotierte Fluorid- und Oxidkristalle züchten, diese einer ausführlichen spektroskopischen Charakterisierung unterziehen und ihre Eignung als Lasermaterial ermitteln. Im Fokus der Experimente stehen inter- und intraionische Energietransferprozesse in trivalentem Terbium, welche an hochdotierten Fluoridkristallen ausführlich studiert werden sollen. Ziel ist es, die Art der Energietransferprozesse und deren Abhängigkeit von der Ionenkonzentration zu ermitteln um optimale Dotierkonzentrationen für Tb-Ionen in verschiedenen Wirtsmaterialien zu bestimmen. Aus der Kenntnis der Energietransferprozesse lassen sich Anforderungen an den Wirtskristall ableiten, die effiziente Laseraktivität von trivalentem Terbium ermöglichen. Insbesondere der Einfluss des Kristallfeldes des Wirtskristalls auf die Absorption aus angeregten Zuständen in trivalentem Terbium ist hierbei von zentraler Bedeutung. Daher werden wir Terbium-dotierte Oxidkristalle mit unterschiedlicher Wirtskristallfeldstärke züchten und oben genannten Zusammenhang systematisch erforschen.Als experimentelle Methoden sind insbesondere temperatur- und zeitabhängige Fluoreszenzmessungen, UV/VIS-Absorptionsspektroskopie sowie Pump-Probe-Spektroskopie vorgesehen. Die Charakterisierung geeigneter Proben im Laserbetrieb soll die ermittelten Erkenntnisse bestätigen. Das im Rahmen des Projektes gewonnene Wissen wird es ermöglichen Richtlinien und geeignete Wirtsmaterialien zur optimalen Auslegung Terbium-basierter diodengepumpter Festkörperlaser mit Emission im grünen und insbesondere im gelben Spektralbereich vorzugeben um damit deren Effizienz und Ausgangsleistung weiter zu steigern. Diese wichtigen Schritte in Richtung kommerzieller Anwendung von trivalentem Terbium in sichtbaren Lasern werden sich auf andere Laserionen zur Erzeugung sichtbarer Laserstrahlung übertragen lassen und damit auch für Laser basierend auf trivalentem Praseodym, Samarium oder Dysprosium von großer Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen