Ultrafast optical parametric oscillators : novel systems, techniques, and concepts
Authors:   , Badarla Venkata Ramaiah 
Published: October 2023

In this thesis, we have demonstrated various ultrafast optical parametric oscillators (OPOs) based on different nonlinear media. The thesis consists of OPO systems, novel techniques, designs, and concepts that has facilitated the wavelength accessibility from 1 µm in the near-infrared region to as far as 8 µm in the mid-infrared region.
We developed a fs OPO based on BiB3O6 (BIBO) directly pumped the Kerr-lens mode-locked (KLM) Ti:sapphire laser. This system could provide broad and rapid tuning from 1420-1560 nm just by changing the cavity length. Also, by exploiting the unique optical properties of BIBO under type I (e¿oo) interaction, we have demonstrated the first self-phase-locked degenerate fs OPO. Further, we have developed a technique called synchronous retro-reflection for threshold reduction and signal amplification before the onset of the oscillation. This technique is generic and is particularly useful while deploying ultrafast OPOs with birefringent materials that have relatively low nonlinear gain and when we have limited pump power.
In addition, we have developed a dual-wavelength fs OPO with arbitrary and independent tuning by making use of anti-resonant-ring (ARR) or Sagnac interferometer. This universal technique of coupling two optical oscillators can be employed in any time regime (cw to ultrafast pico or fs) irrespective of the operating wavelengths. This conceptual technique can be used for intracavity terahertz (THz) generation which exploits the high intensity intracavity oscillating pulses. Also, we have developed a dual-crystal, double-pumped OPOs for intracavity signal amplification in fs regime as well as in ps regime, for arbitrary and independent wavelength tuning. In both systems two crystals share the same optical cavity but are pumped independently by a single laser source.
Finally, we have devised and experimentally demonstrated a novel concept of pumping an OPO within another OPO using a composite cascaded cavity design. This all solid-state Ti:sapphire-pumped fs OPO system is potentially capable of providing access to mid-infrared region beyond 4 µm to as far as 18 µm by careful selection of the nonlinear medium.

En esta tesis, hemos demostrado varios osciladores ópticos paramétricos ultrarrápidos (OPO) basados en diferentes medios no lineales. La tesis consta de sistemas OPO, técnicas novedosas, diseños y conceptos que han facilitado el acceso a longitudes de onda de 1 μm en la región del infrarrojo cercano, así como hasta 8 μm en la región del infrarrojo medio.
Hemos desarrollado un femtosegundo (fs) OPO basado en BiB3O6 (BIBO) directamente bombeado por un láser Kerr-lens mode-locked (KLM) de Ti:zafiro. Este sistema proporciona amplia y rápida sintonización en el rango 1400-1560 nm con sólo cambiar la longitud de la cavidad. También, gracias a las propiedades ópticas únicas de BIBO en la interacción tipo I (e-->oo), hemos demostrado el primer fs OPO self-phaselocked degenerado. Además, hemos desarrollado una técnica llamada retro reflexión sincronizada para la reducción del umbral y amplificación de señal, antes de la aparición de la oscilación.
Esta técnica es genérica y es particularmente útil para implementar OPOs ultrarrápidos con materiales birrefringentes que tienen relativamente baja
ganancia no lineal y cuando existe una limitación de la potencia de bombeo. Adicionalmente, hemos desarrollado un fs OPO con longitud de onda dual que presenta sintonización arbitraria e independiente mediante el uso de un interferómetro de anillo antirresonante (ARR) o Sagnac. Esta técnica universal de acoplamiento de dos osciladores ópticos puede ser empleada en cualquier régimen temporal (desde cw a ultrarrápido de pico o femtosegundo) e independientemente de las longitudes de onda de operación. Esta técnica puede ser utilizada para la generación de THz intracavidad, permitiendo aprovechar la alta intensidad de los pulsos oscilantes.
Además, hemos desarrollado un sistema OPO de doble cristal y doble bombeo para la amplificación de la señal dentro de la cavidad tanto en régimen de fs como de ps, para el ajuste de longitud de onda arbitraria e independiente.
En ambos sistemas los dos cristales comparten la misma cavidad óptica, pero son bombeados independientemente por una sola fuente láser.
Por último, hemos diseñado y demostrado experimentalmente un concepto novedoso para bombear un OPO dentro de otro OPO mediante un diseño de cavidad compuesta en cascada. Este sistema de estado sólido OPO de femtosegundo bombeado por el láser de Ti: zafiro es potencialmente capaz de proporcionar acceso a la región del infrarrojo medio más allá de 4 μm incluso hasta las 18 μm, realizando una cuidadosa selección del medio no lineal