Development of new lanthanide-doped crystalline materials for solid-state lasers

Abstract

Aquesta tesi doctoral investiga el desenvolupament de nous materials cristal·lins dopats amb lantànids per a làsers d’estat sòlid, centrant-se en monotungstats, monomolibdats i dobles molibdats dopats amb terres rares. S’han emprat mètodes avançats de creixement cristal·lí com el Czochralski, Top-Seeded Solution Growth (TSSG) i Epitàxia en Fase Líquida (LPE), per sintetitzar i processar cristalls massius i capes epitaxials d’alta qualitat. En la família dels monotungstats, es va aconseguir un creixement ràpid del MgWO4 mitjançant un nou solvent amb millor solubilitat i menor viscositat dels trobats a la literatura, reduint significativament el temps de creixement. També es van identificar amb precisió els eixos òptics del MgWO4, corregint errors reportats anteriorment i permetent una espectroscòpia polaritzada fiable. A més, es van créixer i caracteritzar per primera vegada capes epitaxials dopades amb Tm3+ i Yb3+ d’aquesta mateixa matriu, obrint el camí per a làsers integrats de disc prim i guia d’ona. S’ha demostrat operació làser en els cristalls Tm,Li:ZnWO4 i Yb,Li:ZnWO4, amb emissions eficients en les regions de 2 µm i 1 µm, respectivament. En el cas del MgMoO4, aquesta tesi presenta el primer creixement i caracterització espectroscòpica de cristalls dopats amb Tm3+ i Yb3+, establint la base per a futurs desenvolupaments làser. En els dobles molibdats, s’ha aconseguit emissió làser eficient i ajustable amb Tm,Ho:NaGd(MoO4)2, i s’ha demostrat per primera vegada l’operació làser en Yb:CsGd(MoO4)2. Aquest treball aporta correccions importants a la literatura, introdueix nous materials òptics dopats i demostra per primera vegada el funcionament làser en diversos d’ells. També destaca la rellevància de la incorporació de dopants i de la compensació de càrrega mitjançant ions monovalents (Li+, Na+) per optimitzar la qualitat espectroscòpica. Els resultats obtinguts amplien l’escenari de materials per a làsers compactes, polaritzats i ajustables en l’infraroig.

Esta tesis doctoral investiga el desarrollo de nuevos materiales cristalinos dopados con lantánidos para aplicaciones en láseres de estado sólido, centrándose en monotungstatos, monomolibdatos y dobles molibdatos dopados con tierras raras. Se han empleado métodos avanzados de crecimiento cristalino como el Czochralski, Top-Seeded Solution Growth (TSSG) y Epitaxia en Fase Líquida (LPE), para sintetizar y procesar cristales masivos y capas epitaxiales de alta calidad. En la familia de los monotungstatos, se logró un crecimiento rápido de cristales de MgWO4 mediante un nuevo solvente con mayor solubilidad y menor viscosidad que los encontrados en la literatura, lo que permitió reducir notablemente el tiempo de crecimiento. Además, se identificaron con precisión los ejes ópticos del MgWO4, corrigiendo asignaciones erróneas previamente publicadas y permitiendo una caracterización espectroscópica polarizada fiable. También se crecieron y caracterizaron por primera vez capas epitaxiales dopadas con Tm3+ y Yb3+, lo que abre la vía hacia láseres integrados tipo disco delgado o guía de onda. Se demostró operación láser en los cristales Tm,Li:ZnWO4 y Yb,Li:ZnWO4 con emisiones eficientes en las regiones de 2 µm y 1 µm, respectivamente. En el caso del MgMoO4, esta tesis presenta el primer crecimiento y caracterización espectroscópica de cristales dopados con Tm3+ y Yb3+, estableciendo la base para futuras aplicaciones láser. En la familia de los dobles molibdatos, se logró emisión láser eficiente y sintonizable con Tm,Ho:NaGd(MoO4)2, y se demostró por primera vez operación láser en Yb:CsGd(MoO4)2. Este trabajo aporta correcciones relevantes a la literatura, desarrolla nuevos materiales dopados y demuestra por primera vez el funcionamiento láser en varios de ellos. Asimismo, destaca el papel de la incorporación de dopantes y la compensación de carga mediante iones monovalentes (Li+, Na+) en la mejora de la calidad espectroscópica. Los resultados amplían el panorama de materiales para láseres compactos, polarizados y sintonizables en el infrarrojo.

This doctoral thesis investigates the development of new lanthanide-doped crystalline materials for solid-state laser applications, focusing on rare-earth-doped monotungstates, monomolybdates, and double molybdates. Advanced crystal growth methods, such as Czochralski, Top-Seeded Solution Growth (TSSG), and Liquid Phase Epitaxy (LPE), were employed to synthesize and process high-quality bulk crystals and epitaxial layers. In the monotungstate family, fast growth of bulk MgWO4 crystals was achieved using a newly selected solvent with higher solubility and lower viscosity than those found in the literature, significantly reducing growth times. The optical axes of MgWO4 were also precisely identified, correcting misassignments in the literature and enabling accurate polarization-resolved spectroscopy. Furthermore, the first laser-grade epitaxial layers of Tm3+ - and Yb3+ -doped MgWO4 were grown and characterized, paving the way for integrated waveguide and thin-disk laser architectures. Laser operation was demonstrated in Tm,Li:ZnWO4 and Yb,Li:ZnWO4 crystals with efficient performance in the 2 µm and 1 µm regions, respectively. In the monomolybdate MgMoO4, this thesis reports the first successful growth and spectroscopic characterization of crystals doped with Tm3+ and Yb3+, establishing a foundation for future laser development. In the double molybdate family, efficient and tunable laser emission was achieved in Tm,Ho:NaGd(MoO4)2, and laser operation was demonstrated for the first time in Yb:CsGd(MoO4)2.This work contributes significantly to the field by correcting key literature errors, developing new host crystals, and reporting first-time laser demonstrations in several materials. It also highlights the critical role of dopant incorporation and charge compensation using monovalent ions (e.g., Li+, Na+) in optimizing spectroscopic quality. These advances expand the range of viable host materials for solid-state lasers and support the development of compact, polarized, and wavelength-tunable infrared laser sources.