33 femtosecond Yb-doped optical frequency comb for frequency metrology applications

Abstract

Optik frekans tarakları bircok uygulamayı mümkün hale getirmiş (yüksek hassasiyetli spektroskopi, masa üstü optik frekans metrolojisi, optik atomik saatler, vs.), hatırı sayılır derecede ilgi çekmiş ve bir Nobel Ödülü kazanmıştır. Bu tezde, stabilize edilmiş bir Yb-katkılı femtosaniye optik frekans tarağının geliştirilmesi sunulmustur. Frekans tarağının geliştirilmesi için başlangıç olarak yeni bir tür fiber lazer, nümerik simülasyonlar kullanılarak dizayn edilmiş ve deneysel olarak yapımı gerçekleştirilmiştir. Geliştirilmiş olan lazer, yüksek-dereceli dağılım dengelenmeden 33 fs uzunluğa sıkıştırılabilen atımlar üretebilmektedir. Lazerin yapımının gerçekleştirilmesinden sonra, supercontinuum üretimi için kullanılmak üzere yeni bir tür fiber yükseltici geliştirilmiştir. Fiber yükseltici, yüksek-dereceli dağılım dengelenmeden 36 fs uzunluğa sıkıştırılabilen, 6.8 nJ enerjiye sahip atımlar üretebilmektedir. Supercontinuum üretim dinamikleri, genelleştirilmiş Schrödinger denklemini çözen, geliştirilen başka bir simülasyon programını kullanarak incelenmiştir. Simülasyon sonuçları kullanılarak uygun fotonik kristal fiberi seçilmiş ve oktav-kaplayan supercontinuum üretilmistir. Lazerin taşıyıcı-zarf ofset frekansı bir f-2f interferometresi yapılarak elde edilmiştir. Lazerin tekrar frekansı ve taşıyıcı-zarf ofset frekansı, elektronik geri-besleme devreleri kullanılarak bir Cs atomik saatine kilitlenmiş, sonucunda tamamen stabilize edilmiş optik frekans tarağı elde edilmiştir. Sistemin gürültü performansı ve kararlılığı karakterize edilmiştir. İyot gazı kullanılarak stabilize edilmiş bir Nd:YAG lazerinin mutlak frekans ölçümü, geliştirilen sistem kullanılarak yapılmıştır.Anahtar sozcukler: Fiber lazerler, ber yukselticiler, optik frekans taraklar,frekans metrolojisi, saysal simulasyonlar.

Optical frequency combs have enabled many applications (high precision spectroscopy, table-top optical frequency metrology, optical atomic clocks, etc.), received considerable attention and a Nobel Prize. In this thesis, the development of a stabilized Yb-doped femtosecond optical frequency comb is presented. As a starting point in the development of the frequency comb, a new type of fiber laser has been designed using numerical simulations and realized experimentally. The developed laser is able to produce pulses that can be compressed to 33 fs without higher-order dispersion compensation. After realization of the laser, a new type of fiber amplifier has been developed to be used for supercontinuum generation. The amplifier produces 6.8 nJ pulses that can be compressed to 36 fs without higher-order dispersion compensation. The dynamics of supercontinuum generation have been studied by developing a separate simulation program which solves the generalized nonlinear Schrödinger equation. Using the simulation results, appropriatephotonic crystal fiber was chosen and octave-spanning supercontinuum was generated. Carrier-envelope-offset frequency of the laser has been obtained by building an f-2f interferometer. Repetition rate and carrier-envelope offset frequency of the laser have been locked to Cs atomic clock using electronic feedback circuits, resulting in a fully stabilized optical frequency comb. The noise performance and stability of the system have been characterized. Absolute frequency measurement of an Nd:YAG laser, which was stabilized using iodine gas, has been performed using the developed optical frequency comb.Keywords: Fiber lasers, ber ampliers, optical frequency combs, frequency metrology, numerical simulations.