Development of a femtosecond Cr:ZnSe seed laser for regenerative amplification

Abstract

Bu tezde, bir genişletilmiş darbe yükselticisinin elemanları olan çekirdek laseri ile genişletici ve sıkıştırıcı kırınım ağı tasarımı anlatılmıştır. Çekirdek laseri sürekli Kerr kip kilitleme yöntemi ile çalışan bir Cr2+:ZnSe laseridir. Pompa olarak 1800 nm'de çalışan bir tulyum fiber laseri kullanılmıştır. Astigmatik olarak düzeltilmiş x şeklindeki rezonatör içerisindeki 2.4mm uzunluğundaki kristal, Brewster açısında konumlandırılmıştır. Rezonatör %1 geçirgenliğe sahip bir ayna ile sonlandırılmıştır. Kristalin pompa dalgaboyundaki soğurma katsayısı 11.6 cm-1 olarak belirlenmiştir. Rezonatör içersindeki fazladan dispersiyonu yoketmek için magnezyum florürden (MgF2) yapılmış bir çift prizma kullanılmıştır. Laserden 95 fs genişliğine sahip, 94.3 MHz tekrar frekansında darbeler üretilmiştir ve çıkış gücü de 40mW olarak ölçülmüştür. Üretilen darbelerin merkez dalgaboyu 2.42 ?m olarak belirlenmiştir ve spektrum genişliği 69nm'ye ulaşmıştır. Eğer üretilen darbelerin hiperbolik sekant dağılımı gösterdiğini varsayarsak, bant genişlik çarpımı 0.335 olarak hesaplandı. Bu, ideal değer olan 0.315'e, yakın bir ölçüdür. Ayrıca, soliton alan teoremi kullanılarak kazanç ortamının dogrusal olmayan kırılma indisi 1.4x10-14 cm2/W olarak hesaplandı. Hesaplanan değer literatür değerleri ile örtüşmektedir. Üretilen darbelerin yüseltilmesi sırasında, yükseltici sisteme zarar vermemesi için genişletilmesi gerekmektedir. Bu sebeple 100fs süreli darbeleri 100ps mertebelerine genişletebilen bir genişletici tasarlanmıştır. Bu tasarımda 76 cm aralıklı kırınım ağı çifti kullanılması öngörülmüştür.

In this thesis work, we describe the three main components of a chirped pulse amplifier (CPA). It is a technique in which nano-joule pulse energies of femtosecond lasers are amplified to micro-joule or milli-joule levels. In particular, the seed laser was experimentally constructed and the numerical design of the stretcher and compressor was completed. The seed laser is a continuous-wave, Kerr-lens mode-locked femtosecond Cr2+:ZnSe laser pumped by a 1800-nm thulium fiber laser. The astigmatically compensated, asymmetric x-cavity contained a 2.4-mm-long Cr2+:ZnSe sample with a pump absorption coefficient of 11.6 cm-1, and it was terminated with a 1% output coupler. Dispersion compensation was achieved by using a MgF2 prism pair. During Kerr-lens mode-locked operation, the laser generated 95-fs pulses at a pulse repetition rate of 94.3 MHz and with 40 mW of output power. The center wavelength of the pulses was 2.42 ?m. The pulses had a spectral width of 69 nm and a time-bandwidth product of 0.335, which is close to the transform limit for hyperbolic secant shaped pulses. In addition, by using the soliton area theorem, the nonlinear refractive index was estimated as 1.4x10-14 cm2/W for Cr2+:ZnSe. The calculated value agrees well with what has been reported in the literature and it is almost 100 times larger than the nonlinear refractive index of sapphire. In the case of the stretcher and compressor design, based on our numerical calculations, the stretcher allows us to stretch 100fs pulses to 100ps by using a diffraction grating pair with a groove density of 300 grooves/mm and separation of 76 cm.