Development of energy efficient tunable solid-state lasers with low power consumption

Abstract

Bu doktora tezinde, farklı dalgaboylarında ve rejimlerde çalışan enerji verimliliği yüksek, düşük maliyetli dalgaboyu değiştirilebilinen katı hal lazerlerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Yüksek parlaklığa sahip ekonomik lazer diyotlarının pompa kaynağı olarak kullanımı ile lazer sistemlerinin maliyeti önemli ölçüde azaltılmıştır. Düşük pompa eşik güçlerinde çalışmaya izin veren kavite tasarımı ile lazerlerin performansı arttırılmıştır. Bununla birlikte oluşturulan sistemler, gerekli alanlarda kullanımını kolaylaştırmak için kompakt bir şekilde tasarlanmıştır. Bu amaçla ilk once en uygun dizayn parametrelerinin tespitini kolaylaştıran bir bilgisayar program geliştirildi. Daha sonra bahsedilen bu teknikler, değişik dalgaboylarında çalışan lazer sistemlerine uygulandı.Deneylerde ilk önce, 2 μm bölgesine ışıma yapan Tm3+ iyonları katkılı YAG ve LuAG lazerleri geliştirildi. Bu lazerler cd-rom teknolojisinde kullanılan tek-kipli 785 nm'de ışınım yapan lazer diyotlarıyla uyarıldı. Bu sistemler ilk olarak sürekli-dalga rejiminde çalıştırıldı. Deneylerde Tm:YAG lazerinden teorik limit olan %23'e çok yakın olan %22 güç verimliliği elde ediliriken; Tm:LuAG lazerinde elde edilen %19 çıkış gücü verimliliği teorik limit olan %21'e oldukça yakındır. Daha sonra bu sistemlerde doyabilen soğurma özelliği olan yarıiletken Bragg geçirgenler kullanarak Q-anahtarlamalı kip-kilitli darbeler elde edilmiştir. Bu darbelerin tepe güçleri ortalama 250 pJ civarındadır. Bu tez kapsamında, düşük pompa eşik gücü tekniği ve DVD-rom teknolojisinde kullanılan tek-kipli 660 nm de ışıyan lazer diyotları kullanılarak Cr3+ katkılı LiCAF lazerlerinin kendiliğinden Q-anahtarlamalı özelliği karakterize edilmiştir. Bu sistemlerde herhangi bir modülasyon elemanı kullanmadan µJ seviyesinde darbeler elde edilmiştir. Elde edilen darbeler 795 nm'de 4 mikrosaniye genişliğine ve 24 kHz tekrarlanma frekansına sahiptir. Söz konusu darbelerin tepe güçleri 400 mW ve darbe enerjileri 1.6 µJ'dür. Bununla birlikte sistemin %0.5 modülasyon derinliğine sahip bir doyabilen yarıiletken özelliğine sahip olduğu gözlemlenmiştir.Daha sonra, yeni geliştirilmiş yüksek parlaklığa sahip daralan kılavuz yapılı diyotlar kullanılarak Aleksandrite lazerleri çalıştırılmış ve teorik limitlere yakın güç verimliliği gözlemlenmiştir. Bu sistemde 755 nm'de 900 mW pompa gücüyle 200 mW çıkış gücü elde edilmiştir. Bununla birlikte sistemin gerçek verimliliği %63 olup teorik limit olan %65'e çok yakın sonuç elde edilmiştir.Bu tezin son kısmında, Cr:LiSAF lazerlerinin tek-kipli ve daralan kılavuz yapılı diyotlarla uyarılarak kip-kilitli rejimindeki çalışmalarımızdan bahsedilmiştir. Bu sistemlerde tek-kipli diyotlarla 13 fs genişliğinde ve 200 pJ darbe enerjisine sahip darbeler elde edilmiştir. Daralan kılavuz yapılı diyotlar kullanılarak 14.5 fs genişliğinde 940 pJ darbe enerjisine sahip kip-kilitli darbeler elde edilmiştir. Son olarak, Aleksandrite lazerinin değişik sıcaklıklardaki spektroskopik özellikleri ve lazer performansı tek kipli diyotlarla uyarılarak incelenmiştir. Bu sistemin çıkış dalgaboyu 736 ile 823 nm arasında değiştirilmiştir. Aynı zamanda bu sistemin 13 mW ile çalışması da gözlemlenmiştir. Bu tez kapsamında tamamlanan çalışmalar, düşük pompa eşik gücünde çalışmaya izin veren kavite dizayn yönteminin 700-2100 nm dalgaboyları arasında düşük maliyetli ve enerji verimliği yüksek katı hal lazer sistemlerinin geliştirilmesine imkan veren çok etkili bir yöntem olduğunu göstermiştir. Bu yöntemle üretilen lazerlerin biyomedikal optik, spektrsokopi ve madde işlemeciliği gibi alanlarda önemli bir rol oynayacağı düşünülmektedir.

The work presented in this thesis aims at the development of highly efficient and low-cost tunable solid-state lasers at different wavelength regions and in different operation regimes. We show that employing inexpensive, high brightness laser diodes as pump sources greatly reduces the cost of the systems. By utilizing low-threshold cavity designs, we also demonstrate experimentally that the laser performance can be greatly enhanced. Moreover, we have also designed and developed these systems in a very compact manner for easy integration into other measurement systems. To achieve this goal, at first, we developed a laser cavity design software that simplifies the determination of the optimum cavity and beam parameters for the laser. Then, we applied these techniques to different laser systems operating in different wavelength ranges. In the experiments, we first developed low-threshold 2-µm lasers based on the Tm3+ doped YAG and LuAG crystals. These lasers were pumped with single-mode 785-nm laser diodes which are widely used in optical data storage (CD-ROM technologies). In these systems, we obtained continuous-wave power efficiencies approaching the theoretical limit. Moreover, by incorporating saturable absorbers into the cavities, we obtained Q-switched mode-locked pulses with pulse energies in the pico-joule levels. In particular, 22% and 19% slope efficiency was obtained from continuous-wave laser experiments of Tm:YAG and Tm:LuAG lasers, respectively, where the theoretically expected limits for these systems were 23% and 21%. In the Q-switched mode-locked experiments, the pulse energies around 250 pJ were obtained. In another set of experiments, we applied the low-threshold design principles to characterize the self-q-switching properties of a Cr3+ doped LiCAF laser by using 660-nm single-mode pump diodes used in DVD-ROM technologies. Here, we obtained Q-switched pulses with µJ energies without adding any extra modulators into the resonator. In these experiments, we obtained 4 microsecond-long pulses at a repetition rate of 24 kHz. 400 mW of peak power and 1.6 µJ of pulse energy were obtained at the wavelength of 795 nm in this configuration. Moreover, we estimated that the effective modulation depth of the self-Q-switching mechanism was 0.5%. We then employed recently developed high-brightness tapered diode lasers as pump sources to excite the Alexandrite gain medium and obtained power efficiencies close to the theoretical limit at the output wavelength of 755 nm. In particular, with 900 mW of pump power, we obtained 200 mW of continuous-wave output power. In this system, the intrinsic slope efficiency was estimated to be 63%, where 65% is the theoretical limit for Alexandrite lasers. In the last part of the thesis, we discuss a series of experiments which investigated efficient femtosecond pulse generation from Cr:LiSAF lasers by using single-mode and tapered diodes as pump sources. In particular, we obtained as short as 13 fs and 14.5 fs pulses with 200 pJ and 940 pJ of pulse energy from single-mode diode pumping and tapered diode pumping configurations, respectively. Finally, temperature dependence of spectroscopic properties and laser performance of an Alexandrite laser was investigated by pumping with single mode-diodes. In these experiments, the laser wavelengths can be tuned from 736 nm to 823 nm and as low as 13 mW of lasing threshold pump power could be achieved All of these experiments described in this thesis clearly show that the low-threshold cavity design approach is a very effective method in the development of low-cost, energy efficient tunable solid-state lasers in the 700-2100 nm wavelength region of the electromagnetic spectrum and should find numerous applications in biomedical optics, spectroscopy, and materials processing.