The subject of this thesis are channel waveguide lasers in epitaxial garnet films grown by liquid phase epitaxy. Results of this thesis include: The feasibility of a waveguide laser with erbium-doped YIG as the active material is discussed. Nonlinear rate equations that describe the behavior of this laser are formulated and solved numerically. The material parameters that are needed as the input are taken from literature. The simulations reveal that the performance of the laser depends critically on the magnitude of the upconversion parameter W22. A thorough analysis shows, however, that the values of W22 that are found in literature are most likely too small. The other parameter of importance is the background loss of the waveguide. Our results indicate that, unless the absorption losses of the LPE grown iron garnet films can be significantly reduced, the chances to realize such a device are only minimal. The mechanisms behind the absorption losses in LPE grown YIG films are investigated. During the LPE growth process, lead, platinum and other non-trivalent impurities are incorporated into the films in high concentrations. While platinum is tetravalent only, lead can be both di- and tetravalent. Depending on the ratio of the lead and the platinum concentrations, the near infrared absorption can be caused by three entirely different mechanisms. In case the tetravalent impurities are the majority, charge compensation is achieved by the formation of Fe2+ and the absorption is caused by crystal field transitions between the 5E and the 5T2 states of the Fe2+-ion. If the divalent impurities are in the majority, the absorption is due to crystal field transitions between the 5T2 and the 5E states of the Fe4-ion. In LPE-grown iron garnets, however, the impurity with the highest concentration is usually lead. We prove that lead performs self-compensation as it is incorporated in Pb2+/4+ pairs on neighboring lattice sites, and that the optical absorption is caused entirely by a charge transfer transition between the two neighboring lead ions. The electrical conductivity is measured in a temperature range from 300 to 800 K. It is demonstrated that in this temperature range the so-called impurity conduction is the predominant conduction mechanism in all types of films. Around room temperature, the conductivity shows an abnormal temperature behavior as the measured Bohr radius of the impurity ions almost doubles between 295 and 370 K. This can be explained by the fact that film and substrate have different temperature expansion coefficients. As the temperature increases, the stress in the film changes from tensile to compressive. When that happens, the {Pb2+} and the [Pb4+] ions counteract the strain in that they interchange their lattice sites. Also, Fe4+, if present, switches from the tetrahedral to the octahedral site which reduces the lattice constant of the film. This interpretation finds support in the results on the optical absorption, in the lattice mismatch, and in MCD spectra that were previously measured by Milani and Paroli. Based on the above findings, an easy way to eliminate the growth induced absorption in LPE iron garnet films is presented. By co-doping the films with other di- and tetravalent ions like Mg and Ge in high concentrations, the concentration of absorbing Pb2+/Pb4+ centers is greatly reduced due to the formation of non-absorbing Pb2+/Ge4+ and Ca2+/Pb4+ centers. As a result, absorption losses as low as 0.05 cm-1 at 1.3 µm wavelength have been achieved. In the second part of this thesis the fabrication of a channel waveguide laser in epitaxial Nd:GGG films is described. The films are grown by LPE on [111] oriented GGG substrates from a PbO/B2O3 flux. To increase the index contrast between film and substrate, Bi is added to the melt. Initially, the films showed strong brown discoloration and a high defect density. Luminescence lifetime measurements revealed severe quenching problems. The chemical analysis of the films by EPMA shows that platinum from the crucible enters the films but no lead from the flux. It is found that the platinum in GGG, similar to the lead in YIG, forms Pt2+/Pt4+ centers in order to achieve charge compensation. The quenching is caused by the charge transfer transition between the two platinum ions. To eliminate the quenching, MgO is added to the melt. As a result, the brown discoloration, the quenching and the growth defects disappear. From the planar film rib waveguides are fabricated using ion beam etching. The unclad waveguides are cut and the endfaces are polished to couple light in and out. Both endfaces are perpendicular to the waveguide within 0.1°. The losses are derived from the Fabry-Perot interferences. Losses as low as 0.2 dB/cm are achieved for both TE and TM modes. Laser oscillation starts at a launched pump power of 5 mW. The resonator is formed by the polished endfaces of the waveguide, no dielectric mirrors have been applied. Thus, the facet reflectivity is only about 10%. The launched pump power is measured precisely using a novel technique at which the luminescence intensity emitted through the surface is spatially resolved with a beam profile analyzer. Coupling efficiencies of over 90% are measured. The slope efficiency is found to be 48%.

Die Suche nach alternativen Strahlungsquellen für quecksilberhaltige Lampen ist derzeit ein großes Forschungsgebiet. Während für allgemeine Beleuchtungsanwendungen LEDs einen effizienten Ersatz bieten, sind für Anwendungen die UV-Strahlung benötigen gegenwärtig keine effizienten Alternativen auf dem Markt erhältlich. Einen möglichen Ersatz für die aktuellen Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampen könnten Xenon-Excimerentladungslampen bilden. Die Entladungswellenlänge dieser Lampen liegt bei 172 nm, was deutlich energiereicher im Vergleich zu den Quecksilber-Niederdruck-Entladungslampen (254 nm) ist. Um die Xenon-Excimerentladungslampen einem möglichst großen Anwendungsbereich zur Verfügung zu stellen, wird die 172 nm Entladung mit Hilfe von Leuchtstoffen in andere Spektralbereiche konvertiert. An diese Leuchtstoffe werden hohe Anforderungen gestellt, wie zum Beispiel eine hohe Absorptionsstärke, hohe Effizienzen und eine hohe Langzeitstabilität, so dass sie für jede Anwendung entwickelt werden müssen. In der vorliegenden Dissertation wurde trivalentes Praseodym (Pr3+) als Aktivatorion in binären und ternären fluoridischen Wirtsstrukturen untersucht. Mit trivalentem Praseodym ist es möglich, eine breite Palette unterschiedlicher Lumineszenzspektren mit Emissionen im ultravioletten und sichtbaren bis hin zum infraroten Spektralbereich zu realisieren. Sowohl Emissionsspektren mit breiten Emissionsbanden, als auch mit schmalen Emissionslinien sind darstellbar. Die Wirtsstruktur und die damit verbundene kristallographische Position des Pr3+ beeinflussen die Entstehung von Banden- oder Linienemission sowie die genaue energetische Lage der Emission. Die fluoridischen Wirtsmaterialien eignen sich wiederum hervorragend zur Bestimmung der hochenergetischen Zustände des Aktivatorions, da sie unter allen Materialklassen die höchsten Bandlücken besitzen. Die Ergebnisse zeigen, dass in fluoridischen Wirtsstrukturen, bei denen sich das Pr3+ in großen Koordinationspolyedern (KZ > 8) befindet, die Emissionsspektren hauptsächlich durch schmale Emissionslinien dominiert werden. Im Gegenzug besitzen die Emissionsspektren, bei denen sich das Pr3+ in kleinen Koordinationspolyedern (KZ < 8) befindet, breite Emissionsbanden. Die Begründung für diese Ergebnisse ist in dem Zusammenspiel zwischen dem nephelauxetischen Effekt und der Kristallfeldaufspaltung der 5d-Orbitale, auch optische Elektronegativität genannt, zu finden. Erfahrungsgemäß weisen die fluoridischen Wirtsstrukturen nur einen geringen nephelauxetischen Effekt auf. Bei oxidischen Wirtsstrukturen ist dieser Effekt deutlich größer, was ebenfalls in der vorliegenden Untersuchung gezeigt werden konnte.

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In der vorliegenden Arbeit werden die nichtlinearen optischen Eigenschaften der Materialien Lithiumniobat und Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat aufgrund der Suszeptibilität 3. Ordnung und kleiner Polaronen untersucht. Zudem wird gezeigt, dass die Interferenz verschiedenfarbiger Laserpulse die Aufzeichnung von statischen und dynamischen holographischen Gittern ermöglicht. Ein Teil dieser Arbeit ist in den im Anhang angegebenen 6 Publikationen bereits veröffentlicht. Lithiumniobat wird mit einer Erweiterung des Z-Scan Experiments untersucht, welches die Pulslängenabhängige Messung der nichtlinearen Absorption und der nichtlinearen Brechungsindexänderung ermöglicht. Dabei konnte festgestellt werden, dass bei sehr kurzen Pulslängen von 70 fs ein Effekt der Polaronen auf die nichtlineare Absorption vernachlässigbar ist und die Zwei-Photonen-Absorption die nichtlineare Absorption dominiert. Mit größerer Pulslänge gibt es allerdings Abweichungen zwischen der Theorie der Zwei-Photonen-Absorption und den Messergebnissen. Mit der Entwicklung eines Polaronen-Anregungs-Modells, welches eine polaronische Absorption aufgrund wiederholtem optisch induziertem Hopping annimmt, konnte dieser Effekt konsistent erklärt werden. Die Messungen der nichtlinearen Brechungsindexänderung lassen darauf schließen, dass sowohl freie Ladungsträger als auch kleine Polaronen neben der Suszeptibilität 3. Ordnung einen Einfluss auf die Brechungsindexänderung haben, da eine nichtlineare Abhängigkeit von der Intensität auch bei Pulslängen von 70 fs festgestellt werden konnte. Analog dazu konnte in Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat ein großer Zwei-Photonen-Absorptionskoeffizient festgestellt werden, welcher für Photonenenergien nahe der Bandkante Werte zeigt, die größer sind als theoretischen Überlegungen zeigen. Eine transiente Absorption nach optischer Anregung, gemessen durch ein Anreg-Abtast-Experiment, sowie Literatur legen nahe, dass in Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat gebundene Lochpolaronen durch optische Anregung entstehen können. Durch den hohen Zwei-Photonen-Absorptionskoeffizienten konnte das Aufzeichnen eines kontrastreichen, dynamischen Amplitudengitters mittels Femtosekundenpulsen gezeigt und nachgewiesen werden. Die Kürze der Femtosekundenpulse ermöglicht aber nicht nur das Aufzeichnen eines Zwei-Photonen-Absorptionsgitters aufgrund der hohen Intensitäten, sondern erlaubt zudem die Beobachtung von Interferenz zwischen verschiedenfarbigen Pulsen. In der Zeitspanne der Pulslänge beträgt die Bewegung der Interferenzstreifen, welche in der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit liegt, nur ein Bruchteil der Streifendistanz, sodass das Interferenzmuster eingefroren und beobachtbar erscheint. Somit lassen sich statische Hologramme in holographischen Filmen, wie auch dynamische Hologramme aufzeichnen. Über ein dynamisches holographisches Gitter mittels Zwei-Photonen-Absorption konnte so eine Frequenzkonversion durch Dopplerverschiebung in Lithiumniobat gezeigt werden.

Wavelength division multiplexing (WDM) is essential for further enhancement of the transmission capacities of optical telecommunication systems. Key devices in WDM networks are multiplexing/demultiplexing components, which enable the combination/separation of several carrier waves with different wavelengths for the purpose of simultaneous transmission through one optical fibre. These components can be realized using Bragg diffraction from volume holographic gratings. Especially reflection holograms provide a pronounced wavelength selectivity which makes them attractive for free-space WDM applications. Holograms can be stored permanently in photorefractive lithium niobate crystals by the method of Thermal Fixing. Heating of the crystal during or after the recording process and subsequent development by homogeneous illumination at room temperature create nonvolatile holograms. The recording and development processes of Thermal Fixing in iron- and copper-doped lithium niobate crystals were investigated. Macroscopic Gaussian-shaped intensity patterns were used to analyse the origin of the fixing mechanism. Spatially resolved absorption measurements were performed to determine the concentration profiles of electron traps (Fe II/III) and protons. Results of computer simulations were compared with experimental results, which showed that protons can be found to work as compensators during hologram recording at temperatures around 180 degree C. Nevertheless thermal fixing without protons was possible, another compensation mechanism stood in. The obtained refractive-index changes were due to the electro-optic effect, other contributions could be neglected. With this detailed knowledge about thermal fixing, a two-channel demultiplexing unit was built by superposition of two thermally fixed reflection holograms in an iron-doped lithium niobate crystal. For this purpose a special two-beam interference setup with precisely adjustable writing angles was arranged in a vacuum chamber to eliminate thermally induced phase disturbances of the holographic recording procedure. Continuous development of the holograms by incoherent light was necessary. In the dark, the enhanced dark conductivity of the crystal used gave rise to a hologram degradation within about one day. Large diffraction efficiencies were attained (intensity losses between 2.3 and 5.2 dB only) uilizing crystals with high-quality polished surfaces. The crosstalk supression of the realized demultiplexer was > 25 dB, which is comparable with the performance of other multiplexing techniques like fibre Bragg gratings or arrayed-waveguide gratings. The low polarization dependence of the demultiplexer can be improved by superposition of two holograms for each channel.

We develop a theory of vectorial wave coupling in cubic photorefractive crystals placed in an alternating ac-field to enhance the nonlinear response. First we analytically and numerically investigate the dependences of the first Fourier harmonics of the space-charge field, induced in an AC-biased sillenite crystal by a light-interference pattern, on the light contrast m. The data obtained was used to extend the vectorial beam-coupling theory on the whole contrast region. In particular, we proved in the general case that despite of essential differences between thediffusion and AC nonlocal responses the later keeps the light interference fringes straight during the interaction. This fundamental feature allows, under certain restrictions, to reduce the nonlinear problem of vectorial coupling to the known linear problem of vectorial Bragg diffraction from a spatially uniform grating, which admits an exact solution. As a result, the nonlinear vectorial problem can be effectively solved for a number of practically important cases.The developed theory was applied to describe the transformation of a momentary phase changes of one of the input beams into the output intensity modulation (so-called grating translation technique). In contrast to the previous studies, we take into account the change of the space-charge field amplitude across the crystal (the coupling effects). The theory developed is employed to optimize the conditions for the linear signal detection under polarization filtering for the transverse and longitudinal optical configurations. We also analyze the possibility of the linear detection without polarization filtering.Illumination of AC-biased photorefractive BTO crystals with a coherent light beam results in development of strong nonlinear scattering. We investigate the angular and polarization characteristics of the scattered light for the diagonal optical configuration and different polarization states of the pump.