Erbiumdotierte Fluoridglaswellenleiter

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Fluoridglas eignet sich aufgrund seiner hohen Transparenz vom ultravioletten bis zum nahinfraroten
Spektralbereich sowie der geringen Phononenenergien außerordentlich gut für Anwendungen
im sichtbaren Spektralbereich. Als Wirtsmaterial kann es große Mengen an Seltenerdionen als
Dotierung aufnehmen. Erbiumdotiertes ZBLAN zeigt bei Anregung mit Wellenlängen von 970 –
980 nm starke grüne Fluoreszenz, welche durch die schrittweise Absorption von zwei Photonen in
einem Aufwärtskonversionsprozess in den langlebigen angeregten Zustand 4S3/2 erfolgt.
Die genaue Analyse der thermischen Eigenschaften vom Fluoridglas ZBLAN und weiteren
Gläsern, welche entweder einen gewissen Bleianteil oder einen Hafniumanteil aufweisen, gibt
Aufschluss über Glasstabilität, Wärmeausdehnung und charakteristische Temperaturen. Die Refraktometrie
und Ellipsometrie zeigen, in welchem Maße der Brechungsindex durch Blei- und
Hafniumanteile variiert werden kann. Diese Informationen sind nicht zuletzt hilfreich für die Wahl
eines passenden Substratmaterials, welche auf CaF2 fiel.
Das modifizierte Spin-Coating-Verfahren hat sich als eine erfolgreiche Methode erwiesen, um
dämpfungsarme Glasfilme mit sehr glatter Oberfläche aus Fluoridglas herzustellen. Die Glasfilme
können mit beliebigen Seltenerdionen in unterschiedlichen Konzentrationen dotiert werden. Dabei
sind die Fluoreszenzspektren von erbiumdotierten Glasstücken und Filmen im grünen Spektralbereich
vergleichbar. Mit Fotolithografie und anschließendem nasschemischen Ätzprozess gelingt die
Strukturierung der Filme zu Streifenwellenleitern. Anhand von Mikroskopaufnahmen IR-gepumpter
und fluoreszierender Streifenwellenleiter sind keine Streuverluste an den strukturierten Kanten
sichtbar, so dass die durch das Ätzen zusätzlich eingebrachten Verluste gering sind.
Die hergestellten erbiumdotierten Streifenwellenleiter aus Fluoridglas besitzen Querschnitte
zwischen 40 × 40 µm2 und 40 × 230 µm2 und zeigen Wellenführung. In einer Simulation wurde
gezeigt, dass ein IR-gepumpter, effizienter grüner Wellenleiterlaser realisierbar ist, jedoch hohe
Pumpleistungen benötigt, um die Laserschwelle zu erreichen. Die Kombination mehrerer Ansätze
sollte jedoch zum Erfolg führen: Zum einen kann eine Kodotierung mit Ytterbium die Pumpabsorption
verbessern. Desweiteren führt ein kleinerer Wellenleiterquerschnitt bei guter Fokussierung und
Einkopplung des Pumplasers in den Wellenleiter zu höheren Intensitäten im Resonator. Kleinere
Wellenleiterquerschnitte werden durch dünnere Schichten erreicht, welche ihrerseits durch das
Aufbringen einer Deckschicht aus Fluoridglas erzielt werden.
Optische und thermische Eigenschaften von erbiumdotiertem ZBLAN in Kombination mit weiter
optimierten Methoden zur Herstellung von verlustarmenWellenleitern werden in absehbarer Zukunft
zur Realisierung einer kompakten grünen Laserquelle führen.