High-power fiber-laser-pumped picosecond nonlinear optical sources from the near- to mid-infrared
Authors:   , Parsa Shahrzad 
Published: October 2023

Ultrafast picosecond coherent sources in the near-to-mid-infrared (IR) spectral range are of great interest for a variety of applications such as pump-probe spectroscopy, remote sensing, photobiology and novel upconversion imaging techniques. Nonlinear optics, and in particular nonlinear frequency conversion techniques, offer an efficient and effective approach towards the realization of sources emitting such radiation, as nowadays, nonlinear frequency conversion technologies are recognised to be viable and reliable sources of laser radiation with broad wavelength tunability and power scalability, without the need of cryogenic cooling.
In this thesis, we have demonstrated high-power, high-repetition-rate picosecond sources based on nonlinear frequency conversion processes through optical parametric oscillators (OPOs) and difference-frequency-generation (DFG), in order to cover the near- to mid-IR wavelength region.
We have developed a stable, high-repetition-rate picosecond rapidly tunable OPO based on fan-out designed grating periods in PPKTP nonlinear crystal. The OPO is synchronously pumped by a mode-locked frequency-doubled Yb-fiber laser in the green at 532 nm, and can provide stable and high-power radiation which is rapidly tunable from 749-962 nm in the signal and from 1189-1838 nm in the idler, at room temperature.
Further, we have demonstrated what we believe to be the first tunable high-repetition-rate picosecond source based on OP-GaP crystal in the mid-IR. Using a single-pass DFG between a mode-locked Yb-fiber laser at 1064 nm and the tunable output from a picosecond MgO:sPPLT OPO synchronously pumped by the same laser, the source generated continuous tunable radiation across 3040-3132 nm in the mid-IR at the repetition rate of ~80 MHz, in good beam quality.
Additionally, we have also presented the first high-power, high-beam-quality, idler-resonant picosecond OPO based on a multi-grating MgO:PPLN crystal tunable across 2100-4000 nm in the mid-IR. The OPO provided as much as 3.5 W of mid-IR radiation with M2 values to be better than 1.8 in both horizontal and vertical directions

Las fuentes coherentes de picosegundos ultrarrápidos en el rango espectral de infrarrojo cercano a infrarrojo medio (IR) son de gran interés para una amplia variedad de aplicaciones tales como pump-probe espectroscopia, la teledetección, la fotobiología y las nuevas técnicas de upconversion imaging. La óptica no lineal, y en particular las técnicas de conversión de frecuencia no lineal, ofrecen un enfoque eficiente y eficaz para la realización de fuentes que emiten tales radiaciones, ya que hoy en día, las fuentes basadas en la conversión de frecuencia no lineal son fuentes viables y fiables de emisión de radiaciones láser con amplia sintonía de longitud de onda y escalabilidad de potencia, sin necesidad de refrigeración criogénica. En esta tesis, hemos demostrado fuentes de picosegundos de alta potencia y alta tasa de repetición basadas en procesos de conversión de frecuencia no lineales a través de osciladores ópticos paramétricos (OPO) y generación de frecuencias de diferencia (DFG) para cubrir la región de longitud de onda de IR cercano a IR medio del espectro electromagnético. Hemos desarrollado una fuente de picosegundos estable, de alta tasa de repetición, rápidamente sintonizable, basado en un cristal PPKTP con períodos de rejilla diseñados en forma de abanico. El OPO, es bombeado sincrónicamente por un mode-locked láser de fibra de Yb, doblado en frecuencia para generar verde a 532 nm, que proporciona radiación estable y de alta potencia rápidamente sintonizable de 749-962 nm en el signal y de 1189-1838 nm en el idler, a temperatura ambiente. Además, hemos demostrado lo que creemos que es la primera fuente de picosegundos sintonizable con alta tasa de repetición basada en el cristal OP-GaP en el IR medio. Usando una DFG de un solo paso entre un mode-locked láser de fibra de Yb a 1064 nm y la salida ajustable de un OPO de picosegundo basado en un cristal de MgO:sPPLT bombeado sincrónicamente por el mismo láser, la fuente generó radiación sintonizable de 3040-3132 nm en el medio-IR a la velocidad de repetición de ~80 MHz, con buena calidad de haz. Además, también presentamos el primer OPO de picosegundos de alta potencia y buena calidad de haz, con resonancia del idler, basado en un cristal MgO:PPLN de rejilla múltiple sintonizable a lo largo de 2100-4000 nm en el IR medio. El OPO proporcionó hasta 3.5 W de radiación de IR medio con valores de M2 mejores que 1.8 tanto en dirección horizontal como vertical