BRIGHT: Blau und violett emittierende, seltenerd-dotierte innovative Verstärkermedien für hohe Lasereffizienzen unter thermoelektrischer Kühlung

• Antragsteller: Dr. Christian Kränkel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575273641

Blaue und violette Laserquellen im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 500 nm werden in vielen Bereichen, wie Spektroskopie, Fluoreszenzmikroskopie, Quantentechnologie oder für hochauflösende Lithographie, benötigt. Violett-blaue Laserdioden auf Basis des Halbleitermaterials InGaN sind seit einigen Jahren kommerziell verfügbar, jedoch weisen direkt emittierende Festkörperlaser viele Vorteile auf. Dazu zählen eine höhere Strahlqualität, bessere Energiespeicherung für den Pulsbetrieb und die Möglichkeit zur einfachen Integration zusätzlicher Funktionen wie Einzelfrequenzbetrieb und resonatorinterner Frequenzkonversion in den UV-Bereich. Aktuell basieren Festkörperlasersysteme in diesem Spektralbereich meist auf nichtlinearer Frequenzkonversion, was die Systeme kompliziert und teuer macht. Die wenigen bisher demonstrierten Festkörperlaser mit direkter Emission im blauen oder violetten Bereich erforderten in der Regel kryogene Betriebstemperaturen, die nur durch umständliche Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder Helium erreichbar sind. Selbst unter diesen Bedingungen blieben Effizienz und Ausgangsleistung bislang vergleichsweise gering. Der Betrieb von Lasern bei kryogenen Temperaturen bietet prinzipiell Vorteile, wie z. B. erhöhte Absorptions- und Emissionsquerschnitte in Verbindung mit einer schmaleren Linienbreite, und verbesserter Wärmeleitfähigkeit. Die geringere Linienbreite kann den spektralen Überlapp mit parasitären Übergängen verringern und so schädliche Energieaustauschprozesse unterdrücken. Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist jedoch für viele praktischen Anwendungen ungeeignet. Ziel des Projekts BRIGHT ist es daher, neuartige Festkörperlasermaterialien zu erforschen, die eine direkte Laseremission im violett-blauen Bereich ermöglichen und zugleich bei Raumtemperatur oder unter moderater, thermoelektrischer Kühlung erreichbar sind, effizient arbeiten. Moderne Lasersysteme werden bereits häufig in versiegelten, mit trockenem Stickstoff gefüllten Gehäusen betrieben. Diese Bedingungen sind auch für thermoelektrische Kühlung geeignet. Im Fokus des Projekts steht die Untersuchung innovativer Fluorid- und Oxidkristalle, dotiert mit den trivalenten Seltenerdionen Thulium (Tm), Terbium (Tb) oder Praseodym (Pr). Diese kristallinen Verstärkermaterialien sollen mit maßgeschneiderter Zusammensetzung gezüchtet und hinsichtlich ihrer temperaturabhängigen spektroskopischen Eigenschaften und ihrer Lasereffizienz im Bereich von 77 K bis Raumtemperatur charakterisiert werden. Die detaillierte Analyse temperaturabhängiger spektroskopischer Kennzahlen und Lasereigenschaften liefert wertvolle Einblicke in die limitierenden Mechanismen bei höheren Temperaturen. Auf dieser Basis sollen Lasermaterialien und Betriebsbedingungen identifiziert werden, die eine effiziente direkte violett-blaue Laseremission unter thermoelektrischen Kühlbedingungen oder sogar bei Raumtemperatur ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen