Compact and efficient femtosecond supercontinuum sources based on diode-pumped solid-state lasers

Abstract

This thesis deals with the realization of compact and multi-Watt femtosecond supercontinuum sources based on diode-pumped laser oscillators and highly nonlinear glass fibers. The main aspect of this work focuses on the development of directly diode-pumped sub-200 fs laser oscillators which are suitable as pump lasers for those fibers. In addition, a comprehensive study of the properties of supercontinua generated with pump wavelengths around 1 µm is presented.

Micro-structured fibers, either tapered fibers or photonic crystal fibers~(PCF), can convert narrow band laser light into multiple octave broad spectra. Average powers of several Watts and conversion efficiencies of more than 50% can be achieved. The properties of those spectra depend strongly on the input pulse duration. A particular feature of the femtosecond regime, which can be defined by an input pulse duration shorter than 200 fs, is a high spectral phase coherence.

The main part part of this thesis describes the development of two diode-pumped sub-200 fs laser oscillators. On one hand, a very compact 20 MHz Yb:glass laser, on the other hand, a multi-Watt 44 MHz Yb:KGW oscillator. With the latter oscillator, we demonstrated to our knowledge the highest optical-to-optical efficiency of a diode-pumped multi-Watt laser with a pulse duration of 150-170 fs. These advances are based on our study of Yb:KGW slab-oscillators pumped by broad-area laser diodes. The thermal effects in the Yb:KGW crystal slabs pumped by high-power broad-area diodes were investigated in detail experimentally as well as numerically. These results constitute a considerable contribution to the development of diode-pumped Ytterbium tungstate lasers. In the second part of this work, we studied the properties of supercontinua generated in tapered fibers with Ytterbium lasers with typical wavelengths around 1 µm. While the intensity noise and the influence of the fiber geometry on the spectra were found to be similar to former results achieved with Ti:sapphire lasers, a different influence of a pulse pre-chirp on the spectra was observed for Ytterbium lasers.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Realisierung von kompakten und multi-Watt Femtosekunden-Superkontinuumquellen, welche auf Kombinationen von diodengepumpten Laseroszillatoren und nichtlinearen Glasfasern basieren. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Entwicklung von direkt diodengepumpten sub-200 fs Laseroszillatoren, die sich als Pumplaser für solche Fasern eignen. Der weitere Teil beschreibt eine umfassende Studie der Eigenschaften von Superkontinua, welche bei Pumpwellenlängen um 1µm erzeugt werden.

Mikrostrukturierte Fasern, entweder gezogene Fasern ("tapered fibers") oder photonische Kristallfasern (PCF), können schmalbandiges Laserlicht zu teilweise mehreren Oktaven breiten Spektren konvertieren. Dabei können Effizienzen von über 50% und Durchschnittsleistungen von mehreren Watt erreicht werden. Die Eigenschaften solcher Spektren hängen stark von der Länge der Eingangspulse ab. Ein besonderes Merkmal im Femtosekundenregime, welches durch eine Obergrenze von 200 fs für die Eingangspulsbreite festgelegt werden kann, ist eine hohe spektrale Phasenkoheränz.

Der Haupteil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung von zwei diodengepupmten sub-200 fs Laseroszillatoren. Einerseits die eines sehr kompkaten 20 MHz Yb:Glas Lasers, andererseits die eines multi-Watt 44 MHz Yb:KGW Oszillators. Mit dem letzteren Oszillator konnten wir, nach unseren Kenntnissen, die bisher höchste optisch-zu-optische Effizienz eines diodengepumpten multi-Watt Lasers mit einer Pulsdauer von 150-170 fs erzielen. Diese Fortschritte beruhen auf den Ergebnissen unserer Forschung an Yb:KGW Streifenlasern und dem Einsatz von Breitstreifendiodenlasern. Hierzu führten wir detaillierte experimentelle sowie numerische Untersuchungen der thermischen Effekte in Yb:KGW Kristallstreifen durch, die durch Pumpen mit diesen Dioden entstehen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von Superkontinua untersucht, die in gezogenen Fasern mit für Ytterbium-Lasern typischen Wellenlängen um 1 µm erzeugt wurden. Während für das Intensitätsrauschen und den Einfluss der Fasergeometrie auf die Spektren vergleichbare Ergebnisse wie in früheren Arbeiten mit Ti:Saphir Lasern gefunden wurden, ließ sich bei Ytterbium-Lasern ein Unterschied beim Einfluss des Pulschirps auf die Spektren feststellen.