High-power, fiber-laser-pumped optical parametric oscillators from the visible to mid-infrared

Abstract

High-power, continuous-wave (cw), mid-infrared (mid-IR) laser sources are of interest for variety of applications such as trace gas detection and remote sensing, which require broad spectral coverage to address the most prominent absorption features of a wide range of molecular species particularly in the mid-IR fingerprint region. On the other hand, surgical applications require high energy sources with unique pulse structure at specific wavelength in the mid-IR ranging from 6-6.5 m. Optical parametric oscillators (OPOs) offer potential sources for all the above applications. The output wavelengths of a singly-resonant oscillator (SRO) can be coarsely tuned over wide ranges through the adjustment of the nonlinear crystal temperature, phase-matching angle or, in the case of quasi-phase-matched (QPM) the first time. The high-energy CSP OPO marked the first demonstration of a compact, high-repetition-rate OPO synchronously pumped by a master oscillator power amplifier system at 1064 nm, generating an milli-joule pulses in the 6-6.5 m spectral range, which is technologically important for surgical applications. Additionally, we also demonstrated a fiber-based-green source at 532 nm, based on single-pass second harmonic generation (SHG) in MgO:sPPLT, as an alternative pump source for Ti:sapphire laser, pointing towards the future, compact fiber-laser pumped Ti:sapphire lasers. Further efforts to improve the SHG efficiency led to the development of a novel multi-crystal scheme, enabling single-pass SHG efficiency as high as 56%. This generic technique is simple and can be implemented at any wavelength. materials, the QPM grating period. The combination of SRO with a tunable pump laser allows the development of uniquely flexible and rapidly tunable class of mid-IR sources. In this thesis we have demonstrated several mid-IR OPOs in the cw as well as ultrafast picosecond regime pumped by fiber-lasers making them compact and robust. In the cw regime, we developed a high-power, Yb-fiber-laser pumped mid-IR OPO based on MgO:PPLN spanning 1506-1945 nm in the near-IR and 2304-3615 nm wavelength range in the mid-IR, efficiently addressing the thermal effects by implementing the optimum signal output coupling. Novel materials such a MgO:sPPLT, with better optical and thermal properties for cw mid-IR generation are explored. High-power broadband, cw mid-IR generation is also demonstrated by using the extended phase-matching properties of MgO:PPLN. Further, we also demonstrated a simple, inexpensive and novel interferometric technique for absolute optimization of output power from a ring optical oscillator. We deployed a picosecond Yb-fiber-laser pumped mid-IR OPO based on MgO:PPLN in ring cavity configuration to demonstrate this proof-of-principle experiment for

Fuentes coherentes de luz continua y de alta potencia en el infrarrojo-medio (mid-IR) son de gran interés por su aplicación en la detección de gases, detección remota y la observación de imágenes. Estas aplicaciones requieren un ancho de banda amplio para evidenciar las características que ofrece la absorción de una gran variedad de especies moleculares, particularmente en la región “finger print” del mid-IR. Por otra parte, fuentes altamente energéticas con pulsos que posean estructuras peculiares en rangos específicos de longitud de onda en el mid-IR, entre 6-6.5 m. , prometen características únicas para nuevas aplicaciones en cirugía. Osciladores ópticos paramétricos (OPOs) constituyen fuentes de luz versátiles y apropiadas para todas las aplicaciones mencionadas anteriormente. La longitud de En el régimen ultrarápido, hemos demostrado una nueva técnica de interferometría para la optimización absoluta de la potencia de salida de un oscilador óptico con una cavidad de anillo. Como demostración de principio, implementamos, por primera vez, un OPO de picosegundos en el mid-IR basado en MgO:PPLN con una cavidad de anillo bombeado por un láser de fibra de Yb. Además, hemos desarrollado un nuevo OPO de alta energía en el mid-IR basado en el material nolineal CSP. Esto representa la primera demostración de un OPO compacto de alta repetición sincrónicamente bombeado por un láser de estado sólido a 1064 nm generando pulsos de milijulios en el rango espectral 6-6.5 m. Esta radiación es importante para aplicaciones en cirugía. Adicionalmente, hemos demostrado una fuente verde, 532 nm, basada en láseres de fibra. Esta radiación se obtiene por medio de la generación de segundo harmónico (SHG) en un paso individual en MgO:sPPLT. Esto representa una nueva alternativa de bombeo para los láseres de Ti:sapphire que los harán compactos en el futuro. Los esfuerzos para mejorar la eficiencia de segundo harmónico resultaron en el desarrollo de un novedoso esquema que utiliza múltiples cristales y permite eficiencias de SHG de paso individual del 56%. Este esquema es general y simple y puede ser implementado para cualquier longitud de onda. onda de un OPO puede ser sintonizada en regiones amplias del espectro cambiando la temperatura del cristal no-lineal, el ángulo de ajuste de fase o, al considerar materiales cuasi ajuste de fase (QPM), cambiando el periodo de red. En esta tesis, hemos demostrado una gran variedad de OPOs en el mid-IR en régimen continuo y de pulsos de picosegundo. Estos OPOs han sido bombeados por láseres de fibra permitiendo un diseño compacto y resistente. En el régimen de emisión continua, hemos implementado un OPO de alta potencia basado en MgO:PPLN bombeado por un láser de fibra. Este OPO es sintonízable en el rango 1506-1945 nm correspondiente al infrarrojo-cercano y en el rango 2304-3615 nm correspondiente al mid-IR. Esta capacidad de sintonización se logra al sobrepasar eficientemente los efectos térmicos optimizando el acoplamiento de salida. Materiales nuevos como el MgO:sPPLT, con propiedades ópticas y térmicas mejoradas para la generación de radiación continua en el mid-IR han sido estudiados. Utilizando las propiedades ajuste de la fase extendió del MgO:sPPLT, fuentes continuas de alta potencia con un gran ancho de banda en el infrarrojo-medio también han sido implementadas.