Versatile nonlinear frequency conversion sources in the near- and mid-infrared
Authors:   , Sukeert Sukeert 
Published: October 2023

Tunable laser sources in different spectral regions are of interest for a variety of applications including spectroscopy, trace gas sensing, medical diagnostics, LIDAR and material processing. Existing lasers have limited tunability and many spectral regions continue to remain inaccessible to lasers due to lack of suitable gain media. Nonlinear frequency conversion is a viable approach to cover such difficult spectral regions in the visible, near and mid-infrared (mid-IR).
Optical parametric oscillators (OPO) can provide wide wavelength tunability with high output powers in good beam quality across continuous-wave (cw), nanosecond and ultrafast picosecond and femtosecond time-scales. With the development of quasi-phase-matched (QPM) nonlinear materials in fan-out grating structure, wide wavelength tuning is possible at a fixed temperature, enabling the development of rapidly tunable devices for practical applications. Difference-frequency-generation (DFG) is also an attractive approach for generating high powers in the mid-IR in a single-pass scheme.
In this thesis, we have developed second-order nonlinear frequency conversion sources based on nanosecond and cw OPOs and cw DFG. Widely tunable green-pumped OPOs have been developed by using fan-out grating structure for the first time in different nonlinear materials, and a high-power cw source in the mid-IR has been developed by exploiting DFG. The sources developed in this thesis cover a wavelength range spanning 677-2479 nm. One of the OPOs developed in this work has also been deployed in an industrial environment in a device characterization setup.
In green-pumped OPOs, we demonstrate a widely tunable cw OPO based on PPKTP in a fan-out grating structure. The OPO is continuously tunable across 742-922 nm in the signal, and 1258-1884 nm in the idler. Resonant wave output coupling has been deployed to extract useful signal power and reduce the thermal load, and the OPO can deliver up to 1.65 W of total output power. The use of output coupling results in superior performance of the OPO over pure singly-resonant oscillator (SRO) configuration.
We also develop the first green-pumped OPO based on MgO:cPPLT. Continuous wavelength tuning across 689-1025 nm in the signal and 1106-2336 nm in the idler at room temperature has been achieved in the nanosecond OPO by using a fan-out grating structure. The OPO can provide up to 131 mW of average output power at 25 kHz repetition rate, and the idler passive power stability is 3.9% rms over 30 minutes.
A cw OPO based on MgO:PPLN in a fan-out grating design is then described. The OPO is continuously tunable across 813-1032 nm in the signal and 1098-1539 nm in the idler. A short crystal length and signal output coupling are used to minimise thermal effects, and the OPO can generate up to 710 mW of total output power with signal and idler passive power stabilities better than 2.8% rms and 1.8% rms, respectively over 1 hour and signal M^2<1.1.
As a part of an industrial internship, a cw green-pumped MgO:PPLN OPO is developed at Radiantis. The OPO is used as the input light source of a device characterization setup to test sensors for the aerospace sector. Compared to the existing light source, using the OPO results in orders-of magnitude-higher response of the InGaAs sensor, leading to a more precise and accurate characterization, and lower measurement error, thus improving the device evaluation process.
Finally, we demonstrate a high-power cw source at 2.26 µm using the DFG process. The source can deliver up to 3.84 W of output power at 2262 nm, with a power stability better than 0.6% rms over 1 hour, in a Gaussian mode profile with M^2<1.2.

Los láseres sintonizables en diferentes regiones espectrales presentan una amplia variedad de aplicaciones que incluyen espectroscopía, sensado de gases, LIDAR y procesamiento de materiales, entre otras. Los láseres existentes tienen una sintonizabilidad limitada y muchas porciones del espectro permanecen aún inaccesibles debido a la falta de medios activos con ganancia en dicha región. Un enfoque viable para cubrir las regiones espectrales en los rangos visible, infrarrojo cercano e infrarrojo medio (mid-IR) es mediante la conversión no lineal de frecuencias. Los osciladores paramétricos ópticos (OPO) proveen un amplio rango de sintonizabilidad con altas potencias y con calidad de haz excelente en escalas de tiempo de onda continua (cw), pulsado en nanosegundo y ultra rápido. Con el desarrollo de materiales no lineales que presentan la propiedad de quasi-phase-matching con estructura de red del tipo fan-out es posible sintonizar un amplio rango de longitudes de onda que habilitan el desarrollo de dispositivos sintonizables para aplicaciones prácticas en las que se requieran cambios de longitudes de onda de manera rápida. El proceso no lineal de generación de diferencia de frecuencias (DFG) es un enfoque atractivo para la generación de potencias altas en el mid-IR en esquemas de un solo paso a través del medio. En esta tesis se desarrollan fuentes de luz basadas en la conversión de frecuencias no lineal de segundo orden usando OPOs en los regímenes de cw y nanosegundos, y de cw que usan el proceso de DFG. Se desarrollan por primera vez OPO sintonizables bombeados por un láser verde usando estructuras de red fan-out en diferentes materiales. Además, se desarrolla una fuente de cw de alta potencia en el mid-IR usando DFG. Las fuentes desarrolladas en esta tesis cubren el intervalo de 677-2479 nm. Uno de los OPOs que se desarrollan en este trabajo se utilizó en una empresa como parte de un dispostivo de caracterización de sensores. En OPOs con láser de bombeo verde, se demuestra un OPO de cw sintonizable basado en un cristal PPKTP. La señal e idler generados por el OPO pueden sintonizarse en los intervalos 742-922 nm y 1258-1884 nm, respectivamente, y puede entregar una potencia máxima de 1.65 W. El uso del acoplamiento de salida da como resultado un rendimiento superior del OPO a la configuración de oscilador resonante individual pura. Se realiza la primera demostración de un OPO bombeado por láser verde basado en un cristal de MgO:cPPLT. Se consiguió a temperatura ambiente un intervalo para la señal de 689-1025 nm, y para el idler de 1106-2336 nm, en el OPO que opera en el régimen del nanosegundo. El OPO puede proveer hasta una potencia media de salida de 131 mW a una tasa de repetición de 25 kHz. Seguidamente se desarrolló un OPO de cw basado en un cristal de MgO:PPLN. La señal y el idler generados pueden sintonizarse en los rangos de 813-1032 nm y 1098-1539 nm, respectivamente. El OPO puede generar hasta 710 mW de potencia de salida total con una estabilidad pasiva de potencia de señal y de idler mejores que 2.8% rms y 1.8% rms, respectivamente, a lo largo de una hora, y con un valor M^2<1.1 para la señal. Luego se describe el desarrollo del OPO con bombeo verde de cw basado en un cristal de MgO:PPLN en el entorno industrial de la compañía Radiantis. El mismo se utiliza como la fuente de luz de entrada en un esquema de caracterización de dispositivos con el propósito de probar sensores para el sector aeroespacial. En comparación con la fuente de luz existente, el uso de OPO da como resultado una respuesta de órdenes de magnitud mayor que la de un sensor de InGaAs, mejorando de este modo el proceso de evaluación de los dispositivos. Finalmente, se demuestra una fuente de cw de alta potencia que opera en una longitud de onda de 2.26 µm usando DFG. La fuente puede entregar hasta 3.84 W de potencia de salida a 2262 nm, con una estabilidad de potencia mejor que 0.6% rms durante una hora, en un perfil de modo Gaussiano con M^2<1.2.