Development and study of novel mid-infrared frequency conversion sources
Authors:   , Nandy Biplob Kumar 
Published: October 2023

Tunable narrow-linewidth and broadband laser sources in the mid-infrared (mid-IR) wavelength range are extremely desirable in all time scales for their several useful applications in spectroscopy, imaging, optical communication and medical sciences to name a few. The one very important application of high-power tunable narrow-linewidth mid-IR laser sources in the 2 µm wavelength range is the ability to pump cascaded mid-IR optical parametric oscillators (OPO) for generating tunable wavelengths beyond 4 µm using semiconductor nonlinear crystals such as ZnGeP2 (ZGP) or orientation patterned GaAs (OP-GaAs). These crystals have very good linear and nonlinear optical properties along with good transparency beyond 4 µm wavelengths unlike oxide-based materials such as MgO:PPLN which have strong multi phonon absorption beyond 4 µm wavelengths. However, both ZGP and OP-GaAs cannot be pumped by commercially available 1 µm lasers due to linear and nonlinear absorptions below~2 µm wavelengths. In this thesis, we have demonstrated some very useful high-power narrow linewidth tunable 2 µm nanosecond and picosecond high-repetition-rate sources with very good spatial beam qualities. We have further demon strated a picosecond mid-IR idler-resonant MgO:PPLN based OPO with intra-cavity second-harmonic-generation (SHG). This helps in covering the essential wavelength gap between 1.064 µm and 1.45 µm when pumped by Yb- ber laser at 1.064 µm. This wavelength gap is generally not covered by MgO:PPLN based SROs that are signal resonant due to the material transparency of MgO:PPLN which doesn't allow the idler wave to go above ~4 µm wavelength, thereby restricting the signal wave from reaching below ~1.45 µm.Due to the requirement of synchronous pumping, the OPOs typically tend to be relatively bulky and of large size, which can restrict its practical utility in space-constrained applications. We address this challenge by demonstrating a compact picosecond high-repetition rate singly resonant (SRO) with intracavity-mirror-retro-re ector ber (IMRF) that enables two-fold reduction in the form-factor. This IMRF OPO demonstrates a high wavelength tunability from~1.45 µm to~4 µm with high spectral brightness and exceptionally good output beam quality. In our attempt to further reduce the size and complexity of nonlinear frequency conversion sources, we have demonstrated the rst single-pass optical parametric generation (OPG) and ampli cation (OPA) in MgO:PPLN with record high conversion e ciency of >59% without the requirement of any seed-laser. We have demonstrated a record-low pump threshold energy of 7.5 nJ which is remarkably small and opens a whole new area of research on single-pass frequency conversion devices based on OPG/OPA. Our system is highly tunable near~2 µm region with >8 W of single-pass output power while pumped with~14 W of pump power at 1064 nm. Finally, in this thesis, we have demonstrated the rst phase-locked picosecond OPO with record high output power and spectral bandwidth near~2 µm wavelength region. Such a device can be used as a high spectral brightness phase-locked super-continuum source for a huge array of applications

Las fuentes láser de banda ancha y ancho de línea estrecho sintonizables en el rango de longitud de onda del infrarrojo medio (IR medio) son de gran interés en todas las escalas de tiempo por sus diversas aplicaciones en espectroscopia, imágenes, comunicación óptica y ciencias médicas, por nombrar algunas. Una aplicación muy importante de las fuentes láser de IR medio de ancho de línea estrecho sintonizable de alta potencia en el rango de longitud de onda de 2 μm es la capacidad de bombear osciladores ópticos paramétricos (OPO) de IR medio en cascada para generar longitudes de onda sintonizables más allá de 4 μm, usando cristales semiconductores no lineales tales como ZnGeP2 (ZGP) o GaAs con patrón de orientación (OPGaAs).
Estos cristales tienen muy buenas propiedades ópticas lineales y no lineales junto con una buena transparencia más allá de las longitudes de onda de 4 μm, a diferencia de los materiales a base de óxido como MgO:PPLN que tienen una fuerte absorción de multifonones más allá de las longitudes de onda de 4 μm. Sin embargo, tanto ZGP como OP-GaAs no pueden ser bombeados por láseres de 1 μm disponibles comercialmente debido a absorciones lineales y no lineales por debajo de 2 μm de longitud de onda.

En esta tesis, hemos demostrado algunas fuentes de alta potencia sintonizables
de 2 μm de nanosegundos y picosegundos de alta tasa de repetición con muy buena calidad de haz espacial. Además, hemos demostrado un OPO basado en MgO:PPLN de picosegundos resonante para el campo idler en el IR medio, con generación de segundo armónico (SHG) intracavidad. Esto permite cubrir la brecha de longitud de onda esencial entre 1.064 μm y 1.45 μm cuando se bombea con láser de fibra de Yb a 1.064 μm. Esta brecha de longitud de onda generalmente no está cubierta por los SRO basados en MgO:PPLN, que resuenan el campo señal, debido a la transparencia del material de MgO:PPLN, que no permite que el campo idler supere las 4 μm de longitud de onda, lo que restringe el alcance del campo señal por debajo de 1.45 μm.

Debido al requisito del bombeo síncrono, los OPOs suelen ser relativamente voluminosos y de gran tamaño, lo que puede restringir su utilidad práctica en aplicaciones con limitaciones de espacio. Abordamos este desafío demostrando un sistema de picosegundo compacto de alta tasa de repetición de resonancia simple (SRO) con un espejo retro reflector intracavidad en fibra (IMRF) que permite una reducción doble en el factor de forma.

Este IMRF OPO demuestra una alta sintonización de longitud de onda de 1.45 μm a 4μm con un alto brillo espectral y una calidad de haz de salida excepcionalmente buena.
En nuestro intento de reducir aún más el tamaño y la complejidad de las fuentes de conversión de frecuencia no lineal, hemos demostrado la primera generación óptica paramétrica (OPG) y amplificación (OPA) de un solo paso en MgO:PPLN con un récord de alta eficiencia de conversión de >59% sin necesidad de ningún láser de inicio. Hemos demostrado un umbral de energía de bombeo récord bajo de 7,5 nJ, que es notablemente pequeño y abre una nueva área de investigación sobre dispositivos de conversión de frecuencia de un solo paso basados en OPG/OPA. Nuestro sistema es altamente sintonizable cerca de la región de 2 μm con >8 W de potencia de salida de un solo paso mientras se bombea con 14 W de potencia de bombeo a 1064 nm.

Finalmente, en esta tesis, hemos demostrado el primer OPO de picosegundos con ajuste de fases (mode-locked) con record en potencia de salida y un ancho de banda espectral cerca de la región de longitud de onda de 2 μm. Un dispositivo de este tipo se puede utilizar como una fuente supercontinua mode-locked de alto brillo espectral para una gran variedad de aplicaciones