ER-Doped Laser Transmitter for a 1.6µm-CO2 Differential Absorption LIDAR: - Er-doped laser crystals (Subproject A) - Fiber lased pumped, high-power, pulsed, single-frequency Er-doped laser transmitter for 1.6 µm-CO2DIAL (Subproject B)
Final Report Abstract
In dem Projekt „Er-dotierte Lasertransmitter für ein 1,6 µm-CO2 differentielles Absorptions- LIDAR“ wurden Laserkristalle erforscht, die sich prinzipiell für die Messung des Treibhausgases CO2 in der Erdatmosphäre eignen. Zur Messung von CO2 werden insbesondere effiziente Laser mit den Wellenlängen von ca. 1579 nm oder 1603 nm benötigt. Im Vordergrund der Untersuchungen standen Er3+-dotierte Laserkristalle der drei Wirtsmaterialklassen für Seltenerd-Ionen (SE=Lu,Y,Gd): Sesquioxide SE2O3, Vanadate SEVO4 und Granate des Typs SE3(Al,Ga,Sc)5O12. Diese Materialien besitzen sehr gute optische wie auch thermo-mechanische Eigenschaften und es wurden bereits Hochleistungslaser mit Kristallen dieser Materialklassen (z.B. dotiert mit Nd oder Yb) für andere Anwendungen realisiert. Die genaue Anpassung der Emissionsbande der Er-dotierten Kristalle an die geforderten CO2-Wellenlängen erfolgte mit Hilfe des sogenannten „Crystal-Field-Tunings“: Innerhalb einer Materialklasse wurde durch systematische Variation der Kristallzusammensetzung, d.h. durch gezielte Abmischung eines Wirtskristalls mit Ionen anderer Größe, die Gitterkonstanten in gewissen Grenzen variiert und dadurch das Kristallfeld am Ort des Laserions geändert. Dies verändert die Aufspaltung der Energieniveaus des Laserions Er3+ im Kristall und verschiebt die Wellenlängen der Laserübergänge. In einem 1. Schritt wurden Kristalle gezüchtet und systematisch spektroskopisch untersucht. Als Ergebnis hat sich gezeigt, dass Er:YVO4, Er:Lu2O3 und Er:(Lu0,968Y0,032)2O3 aussichtsreiche Kandidaten für ein CO2-DIAL sind. Diese Kristalle weisen Verstärkungsmaxima bei den geforderten Laserwellenlängen auf. Überraschend war, dass auch 2 nicht-abgemischte „reine“ Systeme Er:YVO4 und Er:Lu2O3 die Bedingungen gut erfüllen. Im 2. Schritt wurden neben einer ersten Qualitätsoptimierung der ausgewählten Kristalle die grundlegenden Laserparameter und Lasereigenschaften dieser Kristalle bestimmt, um deren Eignung für den LIDAR-Transmitter zu analysieren. Im Projekt wurde gezeigt, dass sich mit Laserkristallen basierend auf Er-dotierten Vanadaten und Sesquioxiden die interessantesten Zielwellenlängen für CO2-LIDAR effizient realisieren lassen. Dies sind insbesondere die Kombinationen - 1579 nm mit Er:YVO4, Er:(Lu0,968Y0,032)2O3 und Er:Lu2O3 - 1603 nm mit Er:YVO4. Die letztendliche Priorisierung erfolgte durch die Betrachtung der Realisierbarkeit von kurzen, energiereichen Laserpulsen im gütegeschalteten Laserbetrieb. Aufgrund der geringeren parasitären Upconversion-Prozesse, der günstigeren Lage der geeigneten Übergänge und den größeren Verstärkungsquerschnitten wird Er:YVO4 mit höchster Priorität für gepulsten Laserbetrieb zur CO2- Messung mittels LIDAR bei beiden Wellenlängen 1579 nm sowie 1603 nm beurteilt.
Publications
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