Mischsesquioxide für Festkörperlaser (MiSS-S)

• Antragsteller: Dr. Christian Kränkel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523111523

Die kubischen Sesquioxide Lu2O3, Sc2O3 und Y2O3 sind ausgezeichnete Wirtsmaterialien für effiziente Hochleistungs-Festkörperlaser. Ihre hohen Schmelzpunkte um 2450 °C stellen jedoch sehr hohe Ansprüche an geeignete Kristallzüchtungsverfahren. Rhenium ist das einzige für diese hohen Schmelzpunkte geeignete Tiegelmaterial. Rhenium-Tiegel sind jedoch in der Herstellung teuer und sehr empfindlich gegen Sauerstoff in der Züchtungsatmosphäre. Die Czochralski-Züchtung von Sesquioxiden wird zudem durch eine starke Selbstabsorption für die Wärmestrahlung erschwert. Da auch tiegelfreie Züchtungsverfahren bisher nicht zum Erfolg führten, sind einkristalline Sesquioxide bisher weltweit nicht verfügbar. Im Projekt MiSS-S verfolgen wir daher das Ziel, die Czochralski-Züchtung des Mischsesquioxid-Kristalls (Y_(x)Sc_(1-x))2O3 mit x ≈ 0.5 oder kurz YScO3 zu erforschen und dessen Eignung als Wirtsmaterial für Laseranwendungen am Beispiel von Tm3+ zu untersuchen. In der Mischreihe zwischen Y2O3 und Sc2O3 sinkt der Schmelzpunkt nahe bei YScO3 auf unter 2200 °C. Wie wir in Vorversuchen erstmalig belegen konnten, ermöglicht dies die Züchtung nach der Czochralski-Methode aus konventionellen Iridium-Tiegeln. Die bisher gezüchteten Kristalle leiden aber unter starken Spannungen und damit einhergehenden Depolarisationsverlusten. Eine im Rahmen des Projekts durchgeführte grundlegende thermodynamische Analyse mit besonderem Fokus auf der Rolle des Dotierions soll den Ursachen dieser Spannungen auf den Grund gehen. Im Zusammenspiel mit einer systematischen Variation der Züchtungsparameter, insbesondere der Impfkristall-Orientierung, der Wachstumsgeschwindigkeit und Abkühlrate, der Isolationsaufbauten sowie der Züchtungsatmosphäre, glauben wir die Spannungen verringern und große, hochqualitative YScO3-Kristalle züchten zu können. Der Fokus wird dabei auf Tm3+-dotiertem YScO3 liegen, da dieses Dotierion von den besonderen Eigenschaften der Mischsesquioxide profitieren sollte. Aufgrund des starken Kristallfeldes erwarten wir in den von uns durchgeführten Laserexperimenten ungewöhnlich lange Laserwellenlängen von über 2,1 µm, die für den untersuchten Laserübergang nur von Sesquioxiden bekannt sind. Die inhomogene Verbreiterung der Absorptions- und Emissionsbanden ist hingegen von Vorteil für das Pumpen mit Hochleistungslaserdioden bzw. die Erzeugung von ultrakurzen Pulsen. Entsprechende Experimente zur Modenkopplung von Tm:YScO3 werden von unseren Partnern durchgeführt werden. Die Projektarbeiten werden neben thermodynamischen Analysen, Kristallzüchtungsversuchen und Laserexperimenten auch umfangreiche Arbeiten zur strukturellen, chemischen und optischen Charakterisierung der Kristalle umfassen um daraus ein Feedback in die Kristallzüchtung geben zu können und die benötigten Dotierkonzentrationen und Kristalldimensionen für die Laserexperimente zu ermitteln. Die Ergebnisse des Projekts werden auch für die Dotierung von YScO3 mit anderen Seltenerdionen von großer Relevanz sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Clara Saraceno; Dr. Masaki Tokurakawa