Novel nonlinear frequency conversion sources in the mid-infrared
Authors:   , Wei Junxiong 
Published: October 2023

The goal of this thesis has been the development of a new class of advanced solid-state photonic sources for the mid-infrared (mid-IR) spectral regions, where there exists a severe shortage of practical coherent laser sources, and many scientific and technological applications can benefit. The strategy has been to exploit nonlinear optical techniques based on difference frequency generation (DFG), parametric generation and oscillation, in the latest class of mid-IR nonlinear materials, in combination with the most advanced lasers pump sources based on fiber laser technology, to realize novel, high-power coherent source with broad tunability in the mid-IR.
Accordingly, we demonstrate an angle-tuned MgO:PPLN picosecond OPO, synchronously pumped by a Yb-fiber laser, for the first time to the best of our knowledge. The OPO is tunable from 1413-1900 nm in the signal togerther with idler tunability across 2418-4307 nm providing a total tunability of 2376 nm in the near-to-mid-IR region, simply by angular interrogation of the MgO:PPLN crystal at room temperature. Using a 10% output coupler, we were able to extract up to 2.4 W of signal at 1664 nm together with an idler power of 1.7 W at 2950 nm, corresponding to an overall extraction efficiency of ~45% with good beam pointing stability of better than 30 µrad and 14 µrad for the signal and idler, respectively. These results indicate the potential for rapid and wide tunability of high-power OPOs as compared to the temperature tuned devices.
In addition, we have demonstrated a novel device based on a tandem configuration, for an injection-seeded pulsed OPO system. Using a 38-mm-long PPLN crystal, we have produced ~0.94 W of average power with 9.7% slope efficiency at 1677 nm, for a pump power of 10 W at 80 kHz repetition rate. The measured optical bandwidth of signal is less than 20 MHz, and the seeding operation is achieved over signal wavelengths ranging from 1510 to 1677 nm, providing a total seeding range of 167 nm in the near-IR region. From a more general viewpoint, the method shownhere will also work at other wavelength range of OPO as well, opening a new path towards injection-seeding or injection-locking of pulse OPOs with full tuning range and high spectral purity.
Finally, we present detailed characterization of optical properties of the recently developed nonlinear material, orientation-patterned gallium phosphide (OP-GaP), by performing DFG experiments in the 2492-2782 nm wavelength range in the mid-IR. Detrimental issues such as thermal effects and residual absorption have been studied and confirmed by performing relevant measurements. Temperature and spectral acceptance bandwidths for DFG in the 40-mm-long OP-GaP crystal have been measured to be 18 ºC and 4 nm, respectively, at 1766 nm. Further, we have measured the damage threshold of the OP-GaP crystal to be 0.8 J/cm2 at 1064 nm, for the first time. The polarization dependence of the input beams on the DFG power has also been systematically investigated. To our knowledge, this is the first report on tunable DFG in OP-GaP, as well as the first nanosecond DFG source based on this new nonlinear material

El objetivo de esta tesis era el desarrollo de una nueva clase de fuentes fotónicas de estado sólido para las regiones espectrales del infrarrojo medio (mid-IR), donde existe una gran escasez de fuentes láser coherentes, que pueden ser utilizadas para muchas aplicaciones científicas y tecnológicas. La estrategia consistió en explotar técnicas de óptica no lineal basadas en la generación de frecuencias diferencia (DFG), la generación paramétrica y la oscilación óptica paramétrica, usando la nuevos materiales no lineales para el mid-IR, en combinación con las fuentes de bombeo láser más avanzadas basadas en la tecnología láser de fibra, para realizar nuevas fuentes coherentes de alta potencia y amplia sintonía en el mid-IR. Esta tesis presenta dispositivos de oscilación óptica paramétrica (OPO) usando novedosos diseños, basados en materiales de quasi-phase-matching (QPM) y utilizando nuevos conceptos para facilitar la accesibilidad a la longitud de onda desde 1 μm en la región cercana al infrarrojo cercano hasta la región del mid-IR.
En consecuencia, demostramos un OPO de picosegundo con sintonización por ángulo del cristal MgO:PPLN, bombeando sincrónicamente por un láser de fibra de Yb, por primera vez según nuestro conocimiento. El OPO es sintonizable de 1413-1900 nm en el signal juntamente con la sintonización del idler a través de 2418-4307 nm que proporciona una sintonización total de 2376 nm en la región del infrarojo-cercano y mid-IR, simplemente por la interrogación angular del cristal de MgO:PPLN en temperatura ambiente. Utilizando un acoplador de salida del 10%, pudimos extraer hasta 2,4 W de señal a 1664 nm junto con una potencia de idler de 1,7 W a 2950 nm, lo que corresponde a una eficiencia total de extracción de ~45% con una buena estabilidad de apuntamiento del haz mejor que 30 μrad y 14 μrad para el signal y el idler, respectivamente. Estos resultados indican el potencial para una rápida y amplia sintonización de OPOs de alta potencia en comparación con los dispositivos sintonizados por temperatura.
Además, demostramos un novedoso dispositivo basado en una configuración en tándem, para un sistema OPO pulsado con un sistema "injection-seeded". Utilizando un cristal PPLN de 38 mm de longitud, hemos producido ~0,94 W de potencia media con una eficiencia de pendiente del 9,7% a 1677 nm, para una potencia de bombeo de 10 W a una tasa de repetición de 80 kHz. La anchura de banda óptica de la señal medida es inferior a 20 MHz, y la operación de "seeding" se realiza en longitudes de onda de la señal que oscilan entre 1510 y 1677 nm, lo que proporciona una gama total de "seeding" de 167 nm en la región cercana al infrarrojo-cercano. Desde un punto de vista más general, el método mostrado aquí también funcionará en otros rangos de longitud de onda de OPO, abriendo un nuevo camino hacia el "seeding" por inyección o el bloqueo por inyección de OPOs de pulso con rango de sintonía completo y alta pureza espectral.
Por último, presentamos una caracterización detallada de las propiedades ópticas del material no lineal recientemente desarrollado, el orientation-patterned gallium phosphide (OP-GaP), mediante la realización de experimentos de DFG en el rango de longitud de onda de 2492-2782 nm en el rango de infrarrojos medio. Se han estudiado y confirmado cuestiones perjudiciales como los efectos térmicos y la absorción residual mediante la realización de las mediciones pertinentes. La temperatura y las anchuras de banda de aceptación espectral para DFG en el cristal OP-GaP de 40 mm de longitud han sido medidas obteniendo 18 ºC y 4 nm, respectivamente, a 1766 nm. Además, por primera vez hemos medido el umbral de daño del cristal OP-GaP siendo de 0,8 J/cm2 a 1064 nm. También se ha investigado sistemáticamente la dependencia de la polarización de los haces de entrada con respecto a la potencia de la DFG. Hasta donde sabemos, este es el primer informe sobre DFG sintonizable en OP-GaP, así como la primera fuente de nanosegundos DFG basada en este nuevo material no lineal.