High-power, continuous-wave optical parametric oscillators from visible to near-infrared
Authors:   , Samanta Goutam Kumar 
Published: October 2023

This thesis presents the development of a new class of high-power, continuous-wave (cw) optical parametric oscillators (OPOs) with extended tunability from visible to near-infrared (near-IR). While lasers have been in use for nearly 50 years, it is still difficult to develop laser systems that can cover many regions of the optical spectrum, from ultraviolet (UV) and visible to the near and mid-infrared wavelength range, with potential applications in the fields such as spectroscopy, remote sensing, trace gas detection, and many more.

Development of cw OPOs in singly-resonant oscillator (SRO) configurations, the focus of this thesis, is challenging due to the high threshold pump power (several watts). In addition, with visible pumping, photorefractive effect and thermal lensing effects become important issues to overcome. Therefore, the realization of practical cw SROs requires optimal cavity design, suitable nonlinear materials, and high-power laser with high spectral and spatial quality.

High-power, single-frequency, cw SROs based on 30-mm-long MgO-doped, stoichiometrically grown, periodically-poled LiTaO3 (MgO:sPPLT) have been developed. The oscillators were pumped in the green by a frequency-doubled cw diode-pumped Nd:YVO4 laser at 532 nm. With a single grating period of 7.97 µm, continuous signal and idler coverage over 848-1430 nm is obtained by temperature tuning between 52 oC and 248 oC. In a linear cavity configuration and double-pass pumping, an oscillation threshold of 2.88 W has been obtained, and single-pass idler powers in excess of 1.51 W have been generated over 1104-1430 nm for 6 W of pump power at an extraction efficiency of 25.2% and photon conversion efficiency of 56.7%.

For single-frequency performance of the cw SRO across 848-1430 nm, we have used a compact ring cavity configuration along with a frequency selecting element (etalon). Using the same MgO:sPPLT crystal, the SRO oscillation threshold of 2.84 W has been obtained, and single-pass idler powers in excess of 1.59 W have been generated over 1104-1430 nm with a maximum SRO extraction efficiency of 25.2% and pump depletions as much as 67%. The single-frequency idler output has a linewidth of ~7 MHz. Under free-running conditions and in the absence of thermal isolation, the idler power exhibits a peak-to-peak stability of 16% over 5 hours.

Although the cw SRO can provide optical radiation across 848-1430 nm, the high output power was only available over 1104-1430 nm, due to the high reflectivity of the cavity mirrors for SRO operation. Using finite output coupling of the resonant wave, we have extended the available practical output power across the entire tuning range. The cw out-coupled SRO (OC-SRO) can deliver total power of up to 3.6 W at 40% extraction efficiency with a linewidth of 3 MHz across 848-1430 nm. The signal power shows a peak-to-peak power stability <10.7% over 40 minutes in a TEM00 spatial mode with M2 <1.52. Without any active stabilization, the resonant signal exhibits a natural long-term frequency stability <75 MHz over 15 minutes and short-term frequency stability <10 MHz over 10 seconds, demonstrating the potential of the system for spectroscopic applications.

Using internal second-harmonic-generation of the resonant near-infrared signal radiation of the MgO:sPPLT cw SRO in a 5-mm-long BiB3O6 crystal, we have generated 1.27 W of cw, single-frequency blue power over a tunable range of 425-489 nm with a linewidth of 8.5 MHz and a Gaussian spatial beam profile. The blue source is frequency-stable to better than 280 MHz, limited by the resolution of the wavemeter.

We have also developed cw green sources, in a simple single-pass experimental configuration by frequency-doubling a fiber laser using MgO:sPPLT and periodically-poled KTiOPO4 (PPKTP) crystals, generating as much as 9.6 W of green radiation in TEM00 spatial beam profile (M2 <1.33) with a single-pass efficiency of 32.7% in MgO:sPPLT. This green source has also successfully been used to pump cw SROs and will be used to pump Ti:sapphire lasers.

Using this frequency-doubled green source, we have demonstrated cw OC-SRO providing a stable single-frequency output power up to 2 W across the tuning range of 855-1408 nm, with peak-to-peak power stability <11.7%, frequency-stability <10 MHz over 10 seconds, in TEM00 (M2 <1.26) spatial beam profile.

Esta tesis presenta el desarrollo de una nueva clase de osciladores ópticos paramétricos (OPOs) de onda continua (cw) y alta potencia con extendida sintonización desde el visible al infrarrojo (IR) cercano. A pesar de que los láseres están en uso desde hace casi 50 años, todavía es difícil desarrollar sistemas láser que puedan cubrir muchas regiones del espectro óptico en los rangos de longitud de onda desde el ultravioleta (UV) y visible hasta el infrarrojo cercano y medio, con potenciales aplicaciones en campos como la espectroscopia, sensores remotos, detección de trazas de gases, entre muchas otras.

El desarrollo de cw OPOs en configuraciones de oscilador simplemente resonante (SRO), objetivo principal de esta tesis, es un gran desafío debido al alto umbral de potencia de bombeo (varios watts). Además, cuando se emplea bombeo visible, los efectos fotorrefractivo y de lente térmica adquieren especial relevancia y son difíciles de superar. Por lo tanto, la realización de cw SROs prácticos requiere de un óptimo diseño de cavidad, adecuados materiales no lineales y láseres de alta potencia con excelente calidad tanto espectral como espacial.

Se han desarrollado cw SROs de alta potencia y frecuencia única basados en cristales de LiTaO3 de 30 mm de longitud, de crecido estequiométrico, con dopado de MgO y periódicamente pulidos (MgO:sPPLT). Los osciladores fueron bombeados en el verde mediante el láser de cw Nd:YVO4 bombeado por diodos y doblado en frecuencia. Utilizando un único periodo de red de 7.97 m, se ha obtenido cobertura continua de los campos señal y pivote en el rango 848-1430 nm por sintonización de temperatura entre 52ºC y 248ºC. Empleando una configuración de cavidad lineal y bombeo de doble paso, se ha logrado un umbral de oscilación de 2.88 W y se han generado potencias superiores a 1.51 W para el campo pivote en simple paso dentro del rango 1104-1430 nm para 6 W de potencia de bombeo, eficiencia de extracción del 25.2% y eficiencia de conversión de fotón del 56.7%.

Con el objetivo de operar el cw SRO en frecuencia única a través del rango 848-1430 nm, hemos utilizado una configuración compacta de cavidad en anillo junto a un elemento para la selección de frecuencia (etalon). Utilizando el mismo cristal de MgO:sPPLT, se ha obtenido un umbral de oscilación del SRO de 2.84 W y se han generado potencias superiores a 1.59 W para el campo pivote en paso único dentro del rango 1104-1430 nm con una eficiencia máxima de extracción del 25.2 % y agotamiento del bombeo tan alto como el 67%. La salida del campo pivote en frecuencia única tiene un ancho de línea de ~ 7 MHz. Bajo condiciones de sistema libre y en ausencia de aislamiento térmico, la potencia del campo pivote exhibe estabilidad de pico a pico de 16% durante 5 horas.

A pesar de que el cw SRO puede proveer radiación óptica en el rango 848-1430 nm, la alta potencia de salida solo se consiguió obtener en el rango 1104-1430 nm a causa de la alta reflectividad de los espejos de la cavidad para operar en SRO. Utilizando un acoplamiento de salida finito de la onda resonante, hemos extendido la disponibilidad de prácticas potencias de salida a través de todo el rango de sintonía. El cw SRO con acoplador de salida (OC-SRO) puede entregar un apotencia total de hasta 3.6 W con una eficiencia de extracción del 40% y con un ancho de línea de 3 MHz en el rango 848-1430 nm. La potencia del campo señal muestra fluctuaciones en potencia de pico a pico <10.7% durante 40 minutos y modo espacial TEM00 con M2<1.52. En ausencia de estabilización activa, el campo señal resonante exhibe una estabilidad en frecuencia natural a largo término con fluctuaciones <75 MHz durante 15 minutos, así como a corto término con fluctuaciones<10MHz durante 10 segundos, demostrando el potencial del sistema para aplicaciones en espectroscopia.

Utilizando generación interna de segundo harmónico del campo señal resonante en el rango del infrarrojo cercano del MgO:sPPLT cw SRO mediante un cristal de BiB3O6 de 5 mm de longitud, hemos logrado generar 1.27 W de potencia cw y frecuencia única en el azul dentro del rango de sintonía 425-489 nm y con un ancho de línea de 8.5 MHz y un perfil espacial del haz de tipo Gaussiano. La estabilidad en frecuencia de la fuente azul es mejor que 280 MHz, donde la limitación viene impuesta por la resolución del medidor de longitud de onda empleado.

Adicionalmente, hemos desarrollado fuentes verdes en cw en una sencilla configuración experimental de único paso, mediante el doblado en frecuencia de un láser de fibra con cristales de MgO:sPPLT y KTiOPO4 pulido periódicamente (PPKTP), generando hasta 9.6 W de radiación verde en modo espacial TEM00 (M2<1.33) con una eficiencia de paso único de 32.7% en MgO:sPPLT. Esta fuente verde has sido también empleada exitosamente para bombear cw SROs y será utilizada para bombear láseres de Ti:sapphire.

Mediante esta fuente verde doblada en frecuencia, hemos demostrado que el cw OC-SRO proporciona una salida estable en frecuencia única con potencia de hasta 2 W a través del rango de sintonía 855-1408 nm, con estabilidad en potencia de pico a pico <11.7%, estabilidad en frecuencia <10 MHZ durante 10 segundos y modo espacial TEM00 (M2<1.26).