Energy scaling of a multi-pass cavity femtosecond bulk laser mode-locked with graphene and carbon nanotube saturable absorbers

Abstract

Karbon nanotüp ve grafen tabanlı doyabilen soğurucular optik özellikleri ve diğer yarı-iletken malzemelere kıyasla düşük üretim maliyetine sahip olmaları nedeniyle, yarı-iletken doyabilen soğurucu aynalara (SESAM) alternative olarak kip-kilitleme (mode-locking) deneylerinde kullanilmaya başlanmıştır. Bu nedenle, karbon nanotüp ve grafen tabanlı doyabilen soğurucular kullanılarak kip-kilitli rejimde çalıştırılan lazerlerin enerjilerinin ölçeklendirme limitlerini araştırmak, bu soğurucuların yüksek güce sahip lazerlerle uyumluluğunu anlamak açısından oldukça önemlidir.Bu çalışmamızda, çok yansımalı kovuk içeren bir Cr4+: forsterite lazeri kullanarak, karbon nanotüp ve grafen soğurucuların daha yüksek enerjili lazerlerde de kullanılabileceğini deneysel olarak gösterdik. Deneyler için 1.3 ?m civarında çalışan ve biyomedikal görüntülemede birçok potansiyel uygulamaları bulunan bir Cr4+: forsterite lazeri tercih edilmiştir. Rezonatörün boyunu uzatmak ve aynı zamanda darbe enerjisini arttırmak için, lazer içerisine çok yansımalı, q parametresini koruyan bir optic kovuk (q-preserving multi-pass cavity) ilave edilmiştir. Çok yansımalı kovuk sayesinde, lazerin uzunluğu 60 m civarına arttırılıp, darbe tekrar frekansı 144 MHz civarından 4.51 MHz'e indirilmiştir. Soliton darbeleri üretebilmek için, rezonatöre eksi dispersiyona sahip aynalar (DCM ve GTI) ilave edilmiştir. Bunlara ek olarak, karbon nanotüp ve grafen soğurucuları içeren farklı resonator tasarımları için lazerin verimliliği araştırılmıştır.Karbon nanotüp tabanlı doyabilen soğurucu yardımıyla kip-kilitli rejimde çalıştırılan Cr4+: forsterite lazeri, 1247 nm dalga boyunda, darbe enerjisi 10 nj civarında, 84 kW darbe tepe gücüne sahip ve uzunluğu 121 fs olan darbeler üretmiştir. 16 nm spectral kalınlığı ile elde edilen darbe-spektral kalınlık çarpımı 0.37 civarındadır. Bu sonuç, üretilen darbe profilinin yaklaşık olarak sech2 şeklinde olduğunu göstermektedir.Grafen tabanlı doyabilen soğurucu ile yapılan kip-kilitleme deneyleri için farklı kalınlıklara sahip grafen örnekleri sentezlenmiştir ve bu örneklerin karakterizasyonu yapılmıştır. Tek katmana sahip grafen tabanlı soğurucu örneği kullanılarak, Cr4+: forsterite lazeri kip-kilitli rejimde çalıştırılmıştır. Cr4+: forsterite lazerinden, 1252 nm'de çalışan, darbe enerjisi 5.3 nJ civarında, 55 kW darbe tepe gücüne sahip ve darbe uzunluğu 96 fs olan darbeler üretilmiştir. 18.2 nm spectral kalınlığa karşılık gelen darbe-spektral kalınlık çarpımı 0.33 civarındadır ve bu deneylerin sonucunda da soliton darbelerin üretilmiş olduğunu göstermektedir.Her iki deney sonucunda da elde edilen darbe tepe gücü değerleri, karbon nanotüp ve grafen tabanlı soğurucular ile kip-kilitli rejimde çalıştırılan femtosaniye katı-hal lazerleri için şimdiye kadar elde edilebilen en yüksek tepe gücü değerleridir.Bu çalışma sonucunda, karbon nanotüp ve grafen tabanlı doyabilen soğurucuların da yüksek enerjili darbe üretimi için elverişli olduğu gösterilmiştir ve enerji ölçeklendirilmesini limitleyen faktörler detaylı olarak araştırılmıştır.

In mode-locking applications, single-walled carbon nanotube saturable absorbers (SWCNT-SAs) and graphene saturable absorbers (graphene-SAs) have emerged as important alternatives to semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) due to their favorable optical characteristics, low cost, and relatively simple fabrication scheme. Therefore, it is of great interest to explore the limits of energy scaling in lasers mode-locked with SWCNT-SAs and graphene-SAs.In this thesis work, due to their unique wavelength range for biomedical applications, a room-temperature Cr4+: forsterite laser operating near 1.3 ?m was used in the mode-locking experiments. By incorporating a q-preserving multi-pass cavity (MPC) extension to the short x-cavity, an effective optical path length of ~ 60 m was obtained and the repetition rate of the pulses was reduced to 4.51 MHz from 144 MHz. In addition, by using double chirped (DCM) and Gires-Tournois interferometer (GTI) mirrors, nonlinear phase distortions due to self phase modulation were compensated to generate solitary femtosecond pulses. Furthermore, the power efficiency of different laser resonator architectures containing the graphene-SA or SWCNT-SA was investigated.The Cr4+: forsterite laser, mode-locked with a SWCNT-SA produced 121-fs pulses with 10-nJ pulse energy and 84-kW peak power at the wavelength of 1247 nm. The mode-locked spectrum had a width of 16 nm, corresponding to a time-bandwidth product of 0.37. Hence, the pulses were nearly transform-limited with a temporal profile of sech2.For graphene-SA mode-locking experiments, graphene samples with different number of layers were fabricated and characterized. The Cr4+: forsterite laser mode-locked with a single layer graphene-SA produced 96-fs pulses with 5.3-nJ pulse energy and 55-kW peak power at 1252 nm. In this case, the mode-locked spectrum had a width of 18.2 nm and the measured time-bandwidth product came to 0.33, also indicating that nearly transform limited solitary pulses were generated.To our knowledge, both of the results report the highest peak powers obtained to date from a femtosecond solid-state bulk laser mode locked by using SWCNT-SA and graphene-SA. Limitations to energy scaling were further explored during the experiments.