Development of a cryogenic 2 μm multi-pass amplifier in nanosecond regime

Abstract

Motivada per la creixent demanda d'aplicació dels làsers de potència mitjana / pic alta a 2 micres, aquesta tesi doctoral està dedicada a desenvolupar un amplificador criogènic multipàs a 2 micres en règim de nanosegons basat en la ceràmica transparent Tm: Y2O3. Per assolir aquest objectiu, es va estudiar a fons la ceràmica transparent Tm: Y2O3 com a mitjà actiu i es va emprar el concepte d'amplificador de potència d'oscil·lador mestre (master oscillator power amplifier) per desenvolupar el sistema làser criogènic.

Aquest treball es divideix en 7 capítols. El capítol 1 presenta l'estat actual dels làsers polsats a 2 micres, així com la motivació i els objectius d'aquesta tesi. Els capítols 2, 3 i 4 descriuen les caracteritzacions de l'medi actiu (ceràmica transparent Tm: Y2O3) en termes d'estructura de l'material, espectroscòpia criogènica i potencial làser en ona contínua. A partir d'aquests estudis, es van obtenir paràmetres crucials en el disseny de l'làser, com la longitud d'ona exacta de bombament / làser, la vida mitjana de l'nivell emissor, el factor de guany, etc. El capítol 5 presenta la demostració d'un oscil·lador mestre (master oscillator), que va servir com a font llavor per a l'etapa de l'amplificador. El capítol 6 mostra l'escalat en energia a través de l'amplificador de pas múltiple en dues geometries diferents. A la fin, el capítol 7 resumeix els resultats obtinguts i projecta la investigació futura.

Motivada por la creciente demanda de aplicación de los láseres de potencia media / pico alta a 2 μm, esta tesis doctoral está dedicada a desarrollar un amplificador criogénico multipaso a 2 μm en régimen de nanosegundos basado en la cerámica transparente Tm:Y2O3. Para alcanzar este objetivo, se estudió a fondo la cerámica transparente Tm:Y2O3 como medio activo y se empleó el concepto de amplificador de potencia de oscilador maestro (master oscillator power amplifier) para desarrollar el sistema láser criogénico.

Este trabajo se divide en 7 capítulos. El capítulo 1 presenta el estado actual de los láseres pulsados a 2 μm, así como la motivación y los objetivos de esta tesis. Los capítulos 2, 3 y 4 describen las caracterizaciones del medio activo (cerámica transparente Tm:Y2O3) en términos de estructura del material, espectroscopía criogénica y potencial láser en onda continua. A partir de esos estudios, se obtuvieron parámetros cruciales en el diseño del láser, como la longitud de onda exacta de bombeo / láser, la vida media del nivel emisor, el factor de ganancia, etc. El capítulo 5 presenta la demostración de un oscilador maestro (master oscillator), que sirvió como fuente semilla para la etapa del amplificador. El capítulo 6 muestra el escalado en energía a través del amplificador de paso múltiple en dos geometrías diferentes. Al final, el capítulo 7 resume los resultados obtenidos y proyecta la investigación futura.

Motivated by the increasing application demands on the 2 μm high average/peak power lasers, this thesis is devoted to develop a cryogenic 2 μm multi-pass amplifier in the nanosecond regime based on the Tm:Y2O3 transparent ceramics. To reach this goal, the active medium Tm:Y2O3 transparent ceramic was well studied and the master oscillator power amplifier concept was employed for developing the cryogenic laser system.

This work is divided into 7 chapters. Chapter 1 introduces the current state-of-the-art of the 2 μm pulsed lasers as well as the motivation and objectives of this dissertation. Chapters 2, 3 and 4 describe the characterization of the active medium Tm:Y2O3 transparent ceramic in terms of material structure, cryogenic spectroscopy, and continuous-wave lasing potential, respectively. From those studies, crucial laser design parameters, such as the exact pump/lasing wavelength, lifetime, gain factor, etc., were obtained. Chapter 5 presents the demonstration of a master oscillator, which served as the seed source for the amplifier stage. Chapter 6 shows the energy scaling via the multi-pass amplifier in two different geometries. Finally, chapter 7 summarizes the achieved results and outlooks the future research.