Untersuchung zur Herstellung nanopartikulärer laseraktiver Werkstoffe für hochintegrierte diodenngepumpte Laser
Final Report Abstract
Das Ziel des Gesamtvorhabens war die Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen zur Erzeugung laseraktiver Schichten für diodengepumpte, planare Wellenleiterlaser einer Wellenlänge von 1064 nm auf Basis nanopartikulärer Materialien. Werkstoffseitig wurde dazu Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG, Y3-xNdxAl5O12) in monolithischer Form und als auskristallisierte Phase in einer silikathaltigen Glaskeramik eingesetzt. Die Herstellung dieser nanopartikulären Werkstoffe erfolgte über die Sol-Gel-Synthese. Das Material wurde in Form von Solen und Suspensionen mittels Tauchbeschichtung (Dip-Coating) auf geeignete Substrate appliziert oder zu Pulver weiterverarbeitet und über eine thermische Nachbehandlung im Ofen oder durch Laserstrahlung calciniert, um die gewünschte Laseraktivität zu erzielen. Die eingesetzten Charakterisierungsmethoden zeigten, dass über das Sol-Gel-Verfahren Primärpartikel mit Korngrößen von ca. 50 nm erzeugt und durch deren Abscheidung in Form von Solen auf Quarzglassubstrate sehr feinkörnige Beschichten mit Schichtdicken im sub-µm- Bereich erzielt werden konnten. Zudem ließen sich die mittels Sol-Gel hergestellten Pulver und Schichten nach adäquater Wärmebehandlung im Ofen zu phasenreinem Nd:YAG calcinieren. Messungen der Fluoreszenzspektren ergaben Emissionen im relevanten Spektralbereich von 1064 nm. Die einzelnen Prozessschritte der Generierung, Trocknung und Nachbehandlung der Schichten erfordern jedoch einen größeren Zeitaufwand als vorgesehen, was die Umsetzung eines zeit- und kostengünstigeren in-line-Fertigungsverfahrens zur Herstellung integrierter Wellenleiterlaser erschweren würde. Ferner konnte mit zunehmender Schichtdicke ein Anstieg an Inhomogenitäten in den Schichten beobachtet werden, wodurch aufgrund der daraus folgenden, streuungsbedingten Dämpfung keine optische Anwendung möglich war. Die Schichtqualität erwies sich überdies als entscheidender Faktor für die laserbasierte Nachbearbeitung, da sowohl Calcination und Sinterung des Materials als auch die anschließende Mikrostrukturierung durch die unzureichende Güte der Schichten beeinträchtigt bzw. verhindert wurden. An den defektfreieren Proben konnte aufgrund der dünnen Materialschichten keine Strahlung zur Überprüfung der lichtführenden Eigenschaften eingekoppelt werden. Neben Nd:YAG wurde mithilfe des Sol-Gel-Verfahrens Neodym-dotiertes Yttria-Alumina-Silica (Nd:YAS) synthetisiert. Das Material konnte zu fehlerfreien Gläsern aufgeschmolzen und anschließend zu Glaskeramiken auskristallisiert werden. Über eine gezielte Wärmebehandlung ist es gelungen, einphasige YAG-Kristalle in der Glasmatrix zu züchten. Die Bestimmung der La- 3+ seraktivität zeigte hier, dass die ausgeschiedenen Kristalle undotiert vorliegen und die Nd-Ionen ausschließlich in der Glasmatrix eingelagert wurden. Unter diesen Bedingungen ist es bislang nicht möglich, die Glaskeramik als aktives Medium für den Laser einzusetzen. Als Alternative wurde das Verfahren des direkten Laserschreibens von Volumenwellenleitern in dotierten YAS-Gläsern als Bulk-Material angewendet. In Bezug auf die Lichtführung in den Proben zeigten sich zufriedenstellende Eigenschaften, die qualitativ vergleichbar mit Wellenleitern in Nd:YAG-Einkristallen sind. Aufgrund der fehlenden Positionierung des Neodyms in kristalliner Anordnung konnte jedoch keine Lasertätigkeit gemessen werden. Entgegen der im Antrag formulierten Zielsetzungen konnte die Machbarkeit eines effizienten Wellenleiterlasers mit den gewählten Mitteln nicht nachgewiesen werden. Da in Phase I bezüglich der Erzeugung optisch hoch qualitativer und effizienter Schichtstrukturen nicht die erwarteten Erfolge verzeichnet werden konnten, wird von einem Folgeantrag für ein drittes Projektjahr (Phase II) zur Herstellung der Schichten mittels direktem Tintenstrahldrucks abgesehen.
