High-power, fiber-laser-pumped optical parametric oscillators from the visible to mid-infrared
Authors:   , Chaitanya Kumar Suddapalli 
Published: October 2023

High-power, continuous-wave (cw), mid-infrared (mid-IR) laser sources are of interest
for variety of applications such as trace gas detection and remote sensing, which
require broad spectral coverage to address the most prominent absorption features
of a wide range of molecular species particularly in the mid-IR fingerprint region. On
the other hand, surgical applications require high energy sources with unique pulse
structure at specific wavelength in the mid-IR ranging from 6-6.5 m.
Optical parametric oscillators (OPOs) offer potential sources for all the above
applications. The output wavelengths of a singly-resonant oscillator (SRO) can be
coarsely tuned over wide ranges through the adjustment of the nonlinear crystal
temperature, phase-matching angle or, in the case of quasi-phase-matched (QPM) the first time. The high-energy CSP OPO marked the first demonstration of a
compact, high-repetition-rate OPO synchronously pumped by a master oscillator
power amplifier system at 1064 nm, generating an milli-joule pulses in the 6-6.5 m
spectral range, which is technologically important for surgical applications.
Additionally, we also demonstrated a fiber-based-green source at 532 nm, based
on single-pass second harmonic generation (SHG) in MgO:sPPLT, as an alternative
pump source for Ti:sapphire laser, pointing towards the future, compact fiber-laser
pumped Ti:sapphire lasers. Further efforts to improve the SHG efficiency led to
the development of a novel multi-crystal scheme, enabling single-pass SHG efficiency
as high as 56%. This generic technique is simple and can be implemented at any
wavelength.
materials, the QPM grating period. The combination of SRO with a tunable pump
laser allows the development of uniquely flexible and rapidly tunable class of mid-IR
sources.
In this thesis we have demonstrated several mid-IR OPOs in the cw as well as
ultrafast picosecond regime pumped by fiber-lasers making them compact and robust.
In the cw regime, we developed a high-power, Yb-fiber-laser pumped mid-IR OPO
based on MgO:PPLN spanning 1506-1945 nm in the near-IR and 2304-3615 nm
wavelength range in the mid-IR, efficiently addressing the thermal effects by implementing
the optimum signal output coupling. Novel materials such a MgO:sPPLT,
with better optical and thermal properties for cw mid-IR generation are explored.
High-power broadband, cw mid-IR generation is also demonstrated by using the
extended phase-matching properties of MgO:PPLN.
Further, we also demonstrated a simple, inexpensive and novel interferometric
technique for absolute optimization of output power from a ring optical oscillator.
We deployed a picosecond Yb-fiber-laser pumped mid-IR OPO based on MgO:PPLN
in ring cavity configuration to demonstrate this proof-of-principle experiment for
Fuentes coherentes de luz continua y de alta potencia en el infrarrojo-medio (mid-IR)
son de gran interés por su aplicación en la detección de gases, detección remota y
la observación de imágenes. Estas aplicaciones requieren un ancho de banda amplio
para evidenciar las características que ofrece la absorción de una gran variedad de
especies moleculares, particularmente en la región “finger print” del mid-IR. Por otra
parte, fuentes altamente energéticas con pulsos que posean estructuras peculiares en
rangos específicos de longitud de onda en el mid-IR, entre 6-6.5 m. , prometen
características únicas para nuevas aplicaciones en cirugía.
Osciladores ópticos paramétricos (OPOs) constituyen fuentes de luz versátiles y
apropiadas para todas las aplicaciones mencionadas anteriormente. La longitud de En el régimen ultrarápido, hemos demostrado una nueva técnica de interferometría
para la optimización absoluta de la potencia de salida de un oscilador óptico con una
cavidad de anillo. Como demostración de principio, implementamos, por primera vez,
un OPO de picosegundos en el mid-IR basado en MgO:PPLN con una cavidad de
anillo bombeado por un láser de fibra de Yb. Además, hemos desarrollado un nuevo
OPO de alta energía en el mid-IR basado en el material nolineal CSP. Esto representa
la primera demostración de un OPO compacto de alta repetición sincrónicamente
bombeado por un láser de estado sólido a 1064 nm generando pulsos de milijulios
en el rango espectral 6-6.5 m. Esta radiación es importante para aplicaciones en
cirugía.
Adicionalmente, hemos demostrado una fuente verde, 532 nm, basada en láseres
de fibra. Esta radiación se obtiene por medio de la generación de segundo harmónico
(SHG) en un paso individual en MgO:sPPLT. Esto representa una nueva alternativa
de bombeo para los láseres de Ti:sapphire que los harán compactos en el futuro.
Los esfuerzos para mejorar la eficiencia de segundo harmónico resultaron en el desarrollo
de un novedoso esquema que utiliza múltiples cristales y permite eficiencias
de SHG de paso individual del 56%. Este esquema es general y simple y puede ser
implementado para cualquier longitud de onda.
onda de un OPO puede ser sintonizada en regiones amplias del espectro cambiando
la temperatura del cristal no-lineal, el ángulo de ajuste de fase o, al considerar
materiales cuasi ajuste de fase (QPM), cambiando el periodo de red.
En esta tesis, hemos demostrado una gran variedad de OPOs en el mid-IR en
régimen continuo y de pulsos de picosegundo. Estos OPOs han sido bombeados por
láseres de fibra permitiendo un diseño compacto y resistente.
En el régimen de emisión continua, hemos implementado un OPO de alta potencia
basado en MgO:PPLN bombeado por un láser de fibra. Este OPO es sintonízable en
el rango 1506-1945 nm correspondiente al infrarrojo-cercano y en el rango 2304-3615
nm correspondiente al mid-IR. Esta capacidad de sintonización se logra al sobrepasar
eficientemente los efectos térmicos optimizando el acoplamiento de salida. Materiales
nuevos como el MgO:sPPLT, con propiedades ópticas y térmicas mejoradas para
la generación de radiación continua en el mid-IR han sido estudiados. Utilizando
las propiedades ajuste de la fase extendió del MgO:sPPLT, fuentes continuas de
alta potencia con un gran ancho de banda en el infrarrojo-medio también han sido
implementadas.