Development of high repetition rate Cr:LiCAF femtosecond lasers and application of multipass-cavity Ti:Sapphire lasers in THz generation

Abstract

Maliyeti düşük, dayanıklı, kompakt ve verimli fs lazerlerinin geliştirilmesi, zaman ve frekans çerçevesindeki uygulamalar için önem arz etmektedir. Son zamanlarda, Cr+3 katkılı colquiriite lazer malzemeleri (Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGaF) bazı avantajları sayesinde Ti:safir lazerlerine önemli bir alternatif oluşturmuşlardır. Bu avantajlar, maliyeti düşük diyotlarla pompalanmaya elverişli olmaları, geniş ışınım bantlarına sahip olmaları ve oda sıcaklığında yüksek kuantum verimine sahip olmaları olarak sıralanabilir.Bu tezin ilk kısmında, 100 MHz üzerinde çalışan, daralan kılavuz yapılı diyot ile pompalanan, yüksek güçlü, maliyeti düşük, yüksek verimlilikte çalışan 800nm Cr:LiCAF lazerinin tasarımı ve deneysel sunumu ele alınmıştır. Buradaki amaç, frekans tarağı uygulamaları için yüksek tekrarlama frekanslarında çalışan osilatörler yapmaktır. Deneylerde, %7 Cr:LiCAF kristalinin kullanıldığı x-kavite, 1-W gücünde yüksek parlaklıktaki daralan kılavuz tapılı diyot ile 675 nm de pompalanmıştır. 915 mW güç ile uyarılan Cr:LiCAF lazeri ortalama gücü 51 mW olan, 120 MHz tekrar frekansında, 340 fs genişliğinde darbeler üretmiştir. Rezonatörün sürekli kip-kilitliliğini sağlamak için doyabilen (saturable) Bragg yansıtıcı aynalar kullanılmıştır. Bu çalışmanın ilerleyen aşamalarında, GHz tekrarlama frekanslarına ulaşılması beklenmektedir.Tezin ikinci kısımında 776 nm dalga boylarında femto-saniye atımlar üreten 5.53MHz tekrarlama frekansına sahip, çok yansımalı Ti:Safir (MPC-Ti:A2O3) laseri ile fotoiletken anten kullanarak THz radyasyonu üretmek amaçlanmıştır. Ortalama gücü 60-70mW olan 98fs lik Ti:safir lazerinin çıkışı LtGaAs yapılı fotoiletken anten üzerine odaklanarak 5mV genlikli 0.1-0.7 THz bant genişliğine sahip THz atımı ölçülmüştür. Daha iyi anten ve algılama düzenegi kullanarak, daha geniş bant genişliğine sahip ve daha yüksek verimlilikte THz üretimini amaçlamaktayız.

There is a great deal of interest for developing low-cost, robust, compact and efficient femtosecond lasers for time and frequency domain applications. In recent years, Cr^(3+)-doped colquiriites (Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGaF) have emerged as promising alternatives to Ti:Sapphire lasers near 800 nm because of numerous favorable laser characteristics. These include the possibility of direct diode pumping with low cost diodes, broad emission bands to generate fs pulses and high quantum efficiency near room temperature.The first part of this thesis work focuses on the design and experimental demonstration of a directly diode pumped, low cost, and highly efficient 800-nm Cr:LiCAF laser which can be operated above 100 MHz with the goal of developing high repetition rate oscillators for frequency comb applications. In the experiments, a four mirror x-cavity laser containing a 7% doped Cr:LiCAF crystal was endpumped with a recently developed high brightness, 1-W tapered diode at 675 nm. By using 915 mW of pump power, the Cr:LiCAF laser produced 340 fs pulses around 800 nm with an output power of 51 mW, at a repetition rate of 120 MHz. A semiconductor Bragg reflector (SBR) was added into the resonator to initiate the mode- locked operation of the laser. We expect that, with the higher pump powers available from the tapered diode, it should be possible to reach GHz level repetition rates with this resonator for frequency comb applications.The second part of the thesis work utilizes a home-built multi-pass cavity femtosecond Ti:Sapphire laser, generating 98 fs pulses with a repetition rate of 5.53 MHz at 776 nm, to obtain THz radiation from a photoconductive antenna. The output of the Ti:Sapphire laser with an average power of 60-70 mW power was focused on a low-temperature grown GaAs (Lt-GaAs) structured photoconductive antenna which generated THz waves with a signal strength of 5 mV detected with a second photoconductive antenna. The generated THz waves were in the frequency range of 0.1-0.7 THz. With improved antenna and detection design, we expect to further improve the bandwidth and efficiency of THz generation.