Picosecond, high-repetition-rate, optical parametric sources from the ultraviolet to the deep-infrared
Authors:   , Canals Casals Josep 
Published: October 2023

High-power, high-repetition-rate coherent picosecond sources with high beam quality are of great interest for many scientific and technological applications. For example, coherent sources at the ultraviolet (UV) spectrum are used to image molecules using confocal microscopy. Mid-infrared (mid-IR) sources allow the study of the composition and dynamics of different molecules thanks on the unique and strong mid-IR spectral fingerprints that reveal valuable chemical information in this part of the optical spectrum. Near-infrared (near-IR), sources close to 2 µm are in the 'eye-safe' region allowing their use in space free applications such as LIDAR or gas sensing. Moreover, they are very useful to pump semiconductor crystals to generate mid-IR sources using frequency down-conversion techniques.

After almost 60 years since laser invention, there are still many regions in the optical spectrum that still remain uncovered by any coherent source due to the lack of suitable laser gain materials. Nonlinear frequency conversion techniques based on new nonlinear crystals and the well stablish fiber-laser technology at 1 µm provide access to the spectral regions that are unavailable to conventional lasers, giving wavelength tunability across extended spectral regions with a single device. Moreover, they offer practical output power with high efficiency, high spatial quality and can be operated in all temporal regimes, from continuous-wave, quasi-cw, and pulsed nanosecond to ultrafast picosecond and femtosecond time-scales.

In this thesis, we have demonstrated UV, near-, mid- and deep-IR sources, all in ultrafast picosecond temporal regime and high-reptition-rate. First, coherent UV source at 266 nm, based on four harmonic generation from the pump fiber-based laser at 1 µm is reported together with thermal effects characterization in the BBO crystal. Maximum UV average power of 2.9 W is achieved using a double BBO in a walk-off compensation scheme. Secondly, tunable optical parametric oscillator (OPO) based on CSP crystal and pumped by 1 µm laser providing deep-IR idler wavelengths from 6.2-6.7 µm with maximum average power of 95 mW at 6.2 µm is reported. Thirdly, a tunable mid-IR source from 3-3.1 µm based on OP-GaP DFG pumped with fiber-laser at 1 µm and the signal of a tunable OPO providing 57 mW of average power at 3044 nm. Finally, we report a high-power, high-repetition-rate, near-IR picosecond OPO at 2.1 µm with high power stability, high beam quality and narrow bandwidth (Δλ~2.5 nm).

Les fonts coherents de picosegons, d'alta potència, d'alta tassa de repetició, i amb alta qualitat de feix són de gran interès per a moltes aplicacions científiques i tecnològiques. Per exemple, les fonts coherents en l'espectre ultraviolat (UV) s'utilitzen per observar molècules amb microscopia confocal. Les fonts d'infraroig-mitjà (mid-IR) i infraroig profund (deep-IR) permeten estudiar la composició i la dinàmica de diferents molècules gràcies a les fortes i úniques empremtes espectrals que revelen informació química valuosa en aquesta part de l'espectre òptic. Les fonts pròximes a 2 µm, en l'infraroig-proper (near-IR), es troben a la regió d' "ulls segurs" permetent-ne l'ús en aplicacions en l'espai lliure, com el LIDAR o en detecció de gasos. A més, són molt útils per a bombejar cristalls semiconductors per generar fonts de mid-IR utilitzant tècniques de conversió de freqüència. Després de gairebé 60 anys des de la invenció làser, encara hi ha moltes regions en l'espectre òptic que no disposen de cap font coherent a causa de la manca de materials de guanys làser adequats. Les tècniques de conversió de freqüències no lineals basades en nous cristalls no lineals i la tecnologia làser de fibra, ben establerta a 1 µm, proporcionen accés a les regions espectrals que no estan disponibles pels làsers convencionals, proporcionant amplia tunabilitat de longituds d'ona amb un únic dispositiu. A més, ofereixen una potència de sortida pràctica d'alta eficiència, bona qualitat espacial i poden operar en tots els règims temporals, des d'ona contínua (CW), quasi-CW i polsos de nanosegons, fins a polsos ultraràpids de picosegons i femtosegons. En aquesta tesi, hem demostrat fonts en l'UV, near-, mid-, i deep-IR, totes en un règim de temps de picosegons i alta taxa de repetició. En primer lloc, es presenta una font coherent d'UV a 266 nm, basada en la generació del quart harmònic d'un làser de fibra a 1 µm amb un cristall de BBO, juntament amb la caracterització d'efectes tèrmics durant el procès en el cristall. La potència mitja màxima d'UV de 2.9 W s'aconsegueix mitjançant l'ús de dos cristalls de BBO en un esquema de compensació d'allunyament. En segon lloc, un oscil·lador òptic paramètric (OPO) sintonitzable, basat en un cristall de CSP i bombejat amb un làser de 1 µm, proporciona longituds d'ona en el deep-IR de 6.2-6.7 µm amb una potència mitja màxima de 95 mW a 6.2 µm. En tercer lloc, una altra font sintonitzable en el mid-IR de 3-3.1 µm basada en generació de freqüència diferencia (DFG) entre el làser de fibra a 1 µm i un feix generat por un OPO sintonitzable, utilitzant un cristall de OP-GaP, que proporciona 57 mW de potència mitja a 3044 nm. Finalment, presentem un OPO de picosegons d'alta potència i d'alta tassa de repetició, a ~2.1 µm, amb alta estabilitat de potència, alta qualitat del feix i ample de banda estret (Δλ~2.5 nm).

Las fuentes coherentes de picosegundos de alta potencia y alta tasa de repetición con alta calidad de haz son de gran interés para muchas aplicaciones científicas y tecnológicas.
Por ejemplo, se utilizan fuentes coherentes en el espectro ultravioleta (UV) para
obtener imágenes de moléculas mediante microscopia confocal. Las fuentes de infrarrojomedio (mid-IR) y infrarrojo-profundo (deep-IR) permiten el estudio de la composición y dinámica de diferentes moléculas gracias a las fuertes y únicas huellas espectrales del mid-IR, que revelan información química valiosa en esta parte del espectro óptico. Las fuentes alrededor de 2 mm, en el infrarrojo cercano (near-IR), se encuentran en la región del “ojo seguro", lo que permite su uso en aplicaciones en el espacio libre, como LIDAR o en detección de gases. Además, son muy _útiles para bombear cristales semiconductores
para generar fuentes de mid-IR utilizando técnicas de conversión de frecuencia.
Después de casi 60 años desde la invención del láser, todavía hay muchas regiones en el espectro óptico sin ninguna fuente coherente debido a la falta de materiales de ganancia láser adecuados. Las técnicas de conversión de frecuencia no lineal basadas en nuevos cristales no lineales y la tecnología de fibra-láser bien establecida a 1 mm proporcionan acceso a las regiones espectrales que no están disponibles para los láseres convencionales,
dando ajustabilidad de longitud de onda con un solo dispositivo. Además, ofrecen una potencia de salida con alta eficiencia, alta calidad espacial y pueden funcionar en todos los regímenes temporales, desde onda continua (CW), cuasi-CW y nanosegundos pulsados, hasta pulsos ultra rápidos de picosegundos y femtosegundos.
En esta tesis, hemos demostrado fuentes en UV, near-, mid-, y deep-IR en un régimen temporal de picosegundos y alta tasa de repetición. En primer lugar, se presenta una fuente coherente UV a 266 nm, basada en la generación del cuatro armónico del láser de fibra a 1 mm que utilizamos para bombear el cristal de BBO, junto con la caracterización de los efectos térmicos en dicho cristal. La potencia media máxima de los rayos UV de 2.9 W se
obtiene utilizando dos cristales BBO en un esquema de compensación de alejamiento. En segundo lugar, un oscilador óptico paramétrico (OPO) ajustable basado en un cristal de CSP y bombeado por un láser de fibra a 1 mm que ofrece longitudes de onda en deep-IR de 6.2-6.7 mm con una potencia media máxima de 95 mW a 6.2 mm. En tercer lugar, presentamos una fuente de deep-IR sintonizable de 3-3.1 mm basada en generación de frecuencia diferencia (DFG) entre el láser de fibra a 1 mm y el haz generado por un OPO
sintonizable, utilizando un cristal de OP-GaP, generando 57 mW de potencia media a 3044 nm. Finalmente, presentamos otro OPO de picosegundos de alta potencia, alta tasa de repetición, trabajando cerca del estado de degeneración a 2.1 mm con alta estabilidad de potencia, alta calidad de haz y ancho de banda estrecho (Δλ~2.5 nm).