Sub-15 femtosecond pulse generation from a kerr-lens mode-locked Cr:LiSAF laser near 850 nm with a gain-matched output coupler

Abstract

Kararlı ultra kısa süreli darbe üretebilen ve uzun süre çalışabilen lazerler, malzeme işleme, biyomedikal görüntüleme ve spektroskopi alanlarında birçok uygulamaya sahiptir. Ultra kısa darbe üretiminde Kerr?odaklamalı kip?kilitleme (KLM) yöntemi en çok kullanılan ve en bilinen tekniklerdendir. KLM yöntemindeki en önemli dezavantajlardan biri, doğrusal olmayan kırılma indisinin küçük olduğu malzemelerde, Kerr etkisinin de zayıf olarak gözlenmesidir. Bu da modülasyon derinliğini azaltmakta ve dolayısıyla, kararlı bir şekilde kip kilitli rejimde çalışmayı zorlaştırmaktadır. Bundan dolayı, Cr:LiCAF ve Cr:LiSAF gibi düşük doğrusal olmayan kırılma indisine sahip olan kazanç ortamları ile KLM elde etmek oldukça zordur. Doğrusal olmayan kırılma indisinden kaynaklanan bu zorluğu aşmak için son yıllarda, özgün bir yöntem olan kazanç eşleşmeli çıkış aynası (GMOC) kullanımı önerilmiştir. GMOC aynasının geçirgenlik spektrumu kip?kilitli rejiminde, sürekli dalga rejimine göre daha yüksek optik kazanç sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu da lazerin zamanda kararlılığını artırmaktadır. Bu çalışmada, bu yaklaşımla GMOC teknolojisi 850 nm civarında çalışan düşük maliyetli diyot ile direk pompalanan bir Cr:LiSAF lazerine uygulanmıştır. Deneylerde, ekonomik, 660 nm civarında çalışan bir diyot lazeri, herhangi bir soğutma sistemine ihtiyaç duyulmadan pompa olarak kullanılmıştır. Astigmatik sapması düzeltilmiş, x rezonatörü içerisine 6 mm uzunluğunda ve % 1.5 Cr katkılanmış LiSAF kristali yerleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan GMOC aynasının merkez dalga boyu civarındaki geçirgenliği % 0.7?dir. En kısa süreli darbeleri elde edebilmek için, lazer rezonatörü içerisine eksi dispersiyona sahip aynalar ve prizma çifti yerleştirilmiştir. Bu durumda net rezonatör dispersiyonu ?50 fs2 civarındadır. GMOC aynası yardımıyla KLM rejimi başlatıldığında, bu tasarımda 13 fs uzunluğunda, 25 mW ortalama güce sahip, merkez dalgaboyu 855 nm?de ve tekrarlama frekansı 126 MHz olan darbeler üretilmiştir. Ayrıca, farklı dispersiyon değerlerinde kip?kilitli rejimin çalışma özellikleri incelenmiş ve femtosaniye lazerin çıkış dalgaboyu 850 civarında ayarlanabilmiştir. Deneysel sonuçlar, GMOC aynası kullanılarak, doğrusal olmayan kırılma indisi küçük Cr:LiSAF lazeri ile kararlı ve dayanaklı bir şekilde femtosaniye darbe üretilebileceğini göstermiştir.

Generation of ultrashort laser pulses with long?term stability and robustness is very important for many applications such as material processing, biomedical imaging, and spectroscopy. Kerr?lens mode?locking (KLM) is one of the well?known techniques used to generate ultrashort pulses. One drawback of the KLM method is that the modulation depth resulting from the Kerr nonlinearities is typically weak especially in lasers with low nonlinear refractive index. This makes it very difficult to apply the KLM technique to colquiriite type gain media such as Cr:LiCAF and Cr:LiSAF which have low nonlinear refractive indices. Recently, a novel approach has been proposed to overcome this drawback by using what can be referred to as gain?matched output couplers (GMOC). The spectral transmission characteristics of a GMOC are designed in such a way as to provide a higher effective gain for a broadband pulse as opposed to a continuous wave beam, which favors the mode?locked operation of a laser oscillator with much higher temporal stability. In this thesis work, this approach which utilizes the GMOC technology has been applied to a low?cost, directly diode pumped Cr:LiSAF laser around 850 nm. In the experiments, we used a low?cost red diode around 660 nm which could pump the Cr:LiSAF laser without any cooling requirement. An astigmatically compensated x?fold cavity was constructed to house a 6 mm long, 1.5 % Cr doped LiSAF crystal. The GMOC mirror used in the experiments had a transmission of 0.7 % near the center wavelength of the emission band. To obtain the shortest pulses, dispersion compensation was used with chirped mirrors and fused silica prism pairs. In this case, the net cavity dispersion was around ~?50fs2. When KLM operation was initiated with the GMOC mirror, this configuration resulted in the generation of nearly transform?limited pulses as short as 13 fs, with 25 mW of average output power, at a repetition rate of 126 MHz near 855 nm. Other cases with different levels of cavity dispersion and the tunability of the femtosecond laser were also investigated. The experimental results clearly demonstrated that the use of a GMOC mirror enables a very robust and stable operation of a Cr:LiSAF laser despite the fact that the nonlinear refractive index of the medium is low.