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Kapitel 1. Seltenerd-dotierte Festkörper
Tabelle 1.3: Zerfallsdauern bzw. spektroskopische Verbreiterungen des optischen Übergangs
1 D 2 → 3 H 4 und der Hyperfeinübergänge innerhalb des Grundzustandes.
Prozess Zeiten Linienbreiten Quelle
Opt.
Überg.
HFS-
Überg.
nat. Lebensdauer T ∗ 1
Kohärenzzeit T ∗ 2
= 164 µs ↔ Γopt nat = 970 Hz [54]
= 111 µs ↔ Γopt = 2, 9 kHz [54]
hom
Relaxationsdauer T 1 ∼ 100 s ↔ Γ pop ∼ 1, 6 mHz
relax
[64]
Kohärenzzeit T 2 ∼ 500 µs ↔ Γ H FS ∼ 300 Hz
hom
[68]
Dephasierungszeit T deph ∼ 10 µs ↔ Γ H FS ∼ 30 kHz
inhom
[61, 69]
Ladungsträgerdefekte führen zu elektrischen Feldgradienten, und somit zu einer
örtlichen Variation der Kristallfeldaufspaltung. Der optische Übergang zwischen
den Kristallfeldniveaus besitzt daher für verschiedene Klassen von Dotierungsionen
unterschiedliche Übergangsfrequenzen. Diese Klassen werden im Folgenden
als Ensemble bezeichnet. Abbildung 1.5 stellt diesen Sachverhalt schematisch dar.
realer Kristall idealer Kristall
Absorption Absorption
Frequenz
Abbildung 1.5: Die inhomogene
Linienbreite entsteht
im realen Kristall aus einer
inhomogenen Überlagerung
verschiedener homogener
Linienprofile. Die
Darstellung ist einer Abbildung
in [71] nachempfunden.
Frequenz
Typische inhomogene Verbreiterungen der optischen Übergänge in seltenerddotierten
Medien liegen im Bereich von Γ opt ≃ 1 − 10 GHz [43]. Die Werte sind
inhom
allerdings stark abhängig von der Dotierungskonzentration. Aufgrund der unterschiedlichen
Ionenradien von Substituent und dotiertem Ion führt eine erhöhte
Konzentration zu stärkeren mechanischen Verspannungen des Kristallgitters
bzw. einer höheren Breite Γ opt [42]. Dies ist auch der Grund dafür, dass die
inhom
optische Dichte α 0 L zunehmend schwächer mit der Dotierungskonzentration anwächst.
3 Der in dieser Arbeit genutzte Kristall weist eine inhomogene Breite von
Γ opt ≈ 7 GHz bei einer Dotierung von 0, 02 at.% auf [72, 73]. Das große Verhältnis
von inhomogener zu homogener Linienbreite ermöglicht die parallele Adres-
inhom
sierung mehrerer Ensembles und machte die hier vorgestellten Medien bereits vor
Jahrzehnten interessant für die optische Datenspeicherung [74–78].
3 Ebenso wirken sich höhere Dotierungskonzentrationen infolge der stärkeren Wechselwirkungen
zwischen den Ionen negativ auf Lebensdauern und Kohärenzeigenschaften aus.
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