Fabrication and characterization of waveguide lasers operating in the infrared spectral range

Abstract

Aquest treball de tesi ha tractat la fabricació i la caracterització de làsers de guia d’ona compactes i eficients que funcionen en règims d’ona contínua i Q-commutat de forma passiva al voltant dels 2 micròmetres en l’espectre electromagnètic. Per aconseguir-los, es van utilitzar materials cristal•lins basats en tungstats dobles d’estructura monoclínica dopats amb erbi (Er3+), tuli (Tm3+) o holmi (Ho3+). Aquests materials làser es van escollir per les seves propietats òptiques d’emissió i absorció que els fan aptes per aconseguir dispositius compactes. Per a la fabricació i l'estructuració de les guies d'ona, es va utilitzar la combinació dels següents mètodes: creixement cristal•lí en solució a alta temperatura, creixement d’epitàxies en fase líquida, tall amb serra micromètrica de diamant i escriptura directa per làser de femtosegons. A més, es van implementar diferents tècniques de caracterització com la microscòpia confocal, μ-Raman i μ-luminescència per avaluar la qualitat i la idoneïtat de les guies d'ones. En el règim d’ona Q-commutat de forma passiva, es va estudiar la idoneïtat de diferents absorbidors saturables, com ara cristalls de ZnSe o ZnS dopats amb Cr2+, MoS2 i nanoestructures de carboni (grafè i els nanotubs de carboni) dipositats sobre un substrat transparent o directament a la superfície de la mostra que contenia les guies d'ones. La fabricació d’una guia d’ona acanalada superficial mitjançant creixement epitaxial va donar com a resultat una eficiència làser rècord gairebé aproximada al límit teòric. Es van fabricar i estudiar guies d'ones soterrades (canals) fabricades mitjançant un làser de femtosegon. Igualment, es van fabricar i estudiar guies d'ona acanalades en superfície (forma d'anell) i separadors en forma de Y. Finalment, es van demostrar làsers de guia d’ona capaços d’oferir una potència de sortida de nivell de watts, així com làsers de guia d’ona en règim Q-commutat de forma passiva molt estable.

Este trabajo de tesis ha tratado la fabricación y caracterización de láseres de guía de onda compactos y eficientes que funcionan en los regímenes de onda continua y Q-conmutado de forma pasiva alrededor de los 2 micrómetros en el espectro electromagnético. Para lograrlos, se emplearon materiales cristalinos basados en tungstatos dobles de estructura monoclínica dopados con erbio (Er3+), tulio (Tm3+) u holmio (Ho3+). Los medios de ganancia fueron elegidos debido a sus propiedades ópticas de emisión y absorción que los hacen adecuados para lograr dispositivos compactos. Para la fabricación y estructuración de las guías de onda se utilizó una combinación de los métodos: crecimiento cristalino en solución a alta temperatura, crecimiento epitaxial en fase líquida, corte con sierra micrométrica de diamante y escritura directa por láser de femtosegundo. Además, se implementaron diferentes técnicas de caracterización, como la microscopía confocal, μ-Raman y μ-luminiscencia para evaluar la calidad y la idoneidad de las guías de onda. En el régimen de operación Q-conmutado pasivo, se estudió la idoneidad de diferentes absorbentes saturables, como los cristales de ZnSe o ZnS dopados con Cr:2+, el MoS2 y las nanoestructuras de carbono (grafeno y los nanotubos de carbono) depositados sobre un sustrato transparente o directamente sobre la superficie de la muestra que contiene las guías de onda. La fabricación de una guía de onda acanalada superficial mediante crecimiento epitaxial resultó en una eficiencia láser récord muy próximo al límite teórico. Se fabricaron y estudiaron guías de onda enterradas fabricadas mediante escritura con láser de femtosegundo. Se fabricaron y estudiaron guías de onda acanaladas en superficie (revestimiento en forma de anillo) y divisores en forma de Y. Finalmente, se demostraron láseres de guía de onda capaces de generar una potencia de salida de vatios, así como láseres de guía de onda en régimen Q-conmutado pasivamente muy estable.

This thesis work has dealt with the fabrication and the characterization of compact and efficient waveguide lasers operating in the continuous wave and passively Q-switched operation regimes around 2 μm in the spectral range. To achieve those, erbium (Er3+), thulium (Tm3+) or holmium (Ho3+) doped monoclinic double tungstate crystalline materials were employed. The gain media were chosen due to their ability to generate polarized laser emission and their large gain cross-sections which make them suitable for achieving compact devices. The combination of the top-seeded solution growth, liquid phase epitaxy, diamond saw dicing and femtosecond direct laser writing methods were employed for fabricating and structuring the waveguides. Furthermore, different characterization techniques such as confocal microscopy, μ-Raman, and μ-luminescence mapping were implemented to assess the quality and suitability of the fabricated waveguides for lasing application. In the passively Q-switched operation regime, the suitability of different saturable absorbers such as transition-metal-doped chalcogenide crystals (Cr2+:ZnSe or ZnS), few-layer transition metal dichalcogenide (MoS2) and carbon nanostructures such as graphene and single-walled carbon nanotubes deposited on a transparent substrate or directly onto the surface of the sample containing the waveguides were tested. The fabrication of an epitaxially grown surface channel waveguide resulted in a record slope efficiency almost approaching the theoretical limit. Femtosecond laser written buried channel waveguides (with circular and hexagonal optical-lattice-like cladding), surface channel waveguides (with half-ring-shaped cladding) and Y-branch splitters were fabricated and studied. Waveguide lasers capable of delivering a watt-level output power as well as those with a stable passive Q-switching operation were demonstrated.