Espectroscòpia òptica dels ions Tm3+ i Yb3+ en tungstats dobles monoclínics. Un nou làser d'estat sòlid

Abstract

[cat] L'espectroscòpia òptica dels ions Tm3+ i Yb3+ en tungstats dobles monoclínics és molt important per desenvolupar dispositius làser d'estat sòlid. Els tungstats dobles monoclínics són molt interessants pels avantatges que presenten com a matrius làser. Aquests materials poden créixer i dopar-se amb ions òpticament actius de forma relativament fàcil, i la seva estructura cristal·lina monoclínica provoca una marcada anisotropia òptica, la qual possibilita obtenir radiació làser de forma polaritzada. Els ions Tm3+ i Yb3+ presenten bandes amples i elevades seccions eficaces d'absorció i emissió en els tungstats que faciliten assolir emissions estimulades en un rang ampli de longituds d'ona. A més, els ions Yb3+ sensibilitzen els Tm3+, als quals transfereixen eficientment la seva energia. Els ions Tm3+ i Yb3+ es poden excitar amb certa facilitat amb díodes làser de GaAlAs i InGaAs al voltant de 800 i 980 nm, respectivament. La radiació làser més estudiada dels ions Tm3+ és la que generen al voltant de 2 m, i té aplicacions en els camps de la medicina i dels sensors remots o sistemes radar de l'atmosfera. Aquest treball de recerca s'exposa en cinc capítols. En el primer s'introdueixen els làsers d'estat sòlid i les propietats dels tungstats dobles monoclínics de KGd(WO4)2 i KYb(WO4)2 i dels ions Tm3+ i Yb3+; a continuació es detallen les possibles transferències d'energia entre ions, algunes de les quals donen lloc a mecanismes d'upconversion i es presenten els objectius que es pretenen assolir. En el capítol 2 s'introdueixen les tècniques espectroscòpiques i es descriu l'equipament experimental utilitzat en la caracterització òptica d'aquests materials. Els resultats experimentals s'exposen als capítols 3, 4 i 5. En el capítol 3 s'estudia l'absorció òptica per obtenir l'estructura de nivells energètics i dissenyar les possibles estratègies d'excitació dels ions. Les mesures d'absorció es realitzen sota condicions de llum polaritzada i en funció de la temperatura, a baixa temperatura (6 K) es determina el desdoblament Stark dels nivells excitats dels ions Tm3+. En el capítol 4 s'analitza la luminescència dels ions Tm3+, primer en cristalls de KGd(WO4)2 dopats amb ions Tm3+ i codopats amb ions Tm3+ i Yb3+, i a continuació en cristalls de KYb(WO4)2 dopats amb ions Tm3+. La luminescència s'estudia en funció de la concentració d'ions i de la temperatura, a baixa temperatura (6 K) es determina el desdoblament Stark de l'estat fonamental dels ions Tm3+. En el capítol 5 es fa un breu recull bibliogràfic de l'acció làser al voltant de 2 m dels ions Tm3+ i es presenten els resultats aconseguits en els cristalls de KGd(WO4)2, en els quals es comparen les orientacions amb E//Nm i E//Np, i es posa especial èmfasi en el rang de sintonització assolible. A continuació dels resultats es presenten les conclusions i les referències bibliogràfiques, i finalment s'adjunten les publicacions dels resultats de la tesi doctoral.

[eng] Tm3+ -doped laser materials are emerging as very interesting active media for the 2 µm spectral region due to the possibility for diode pumping near 800 nm and their broad tunability. Potential applications lie in the fields of medicine, laser radar and atmosphere monitoring. The monoclinic double tungstates are strongly anisotropic biaxial crystals that allow to obtain polarized laser radiation. Their advantages for highly efficient, low threshold laser operation with diode pumping are well known in the case of Nd3+ and Yb3+ doping but so far only few laser works were devoted to Tm3+ -doped double tungstates. Yb3+ ions are good sensitizers of Tm3+ ions. The advantages of Yb3+ ions are that they absorb in the near-infrared region around 980 nm, where laser diodes work efficiently. In this work we investigate the CW laser characteristics of Tm-doped KGd(WO4)2 on the 3F43H6 transition as a tunable source in the 2 µm spectral range operating at room temperature. An overall tunability extending from 1790 to 2042 nm is achieved with maximum output powers of 400 mW for an absorbed pump power of 1 W. Various doping levels, pump wavelengths and polarization configurations are compared and the advantages of the monoclinic double tungstates over other Tm-hosts are outlined.