Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Quasi-two-level Yb:KYW laser with a volume Bragg grating
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Laser Physics.
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Laser Physics.
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Laser Physics.ORCID iD: 0000-0002-2508-391X
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Laser Physics.ORCID iD: 0000-0001-7688-1367
2007 (English)In: Optics Express, ISSN 1094-4087, Vol. 15, no 21, 13930-13935 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Using a volume Bragg grating as input coupler, we demonstrate an Yb:KYW laser with a very small quantum defect (1.6%) and an output power of 3.6 W. The laser was longitudinally diode-pumped at 982 nm and the laser wavelength was determined by the grating to 998 nm, with a laser bandwidth of 10 GHz (33 pm). Due to the low quantum defect, the laser should be readily scalable to 20 W or more without critical thermal effects.

Place, publisher, year, edition, pages
2007. Vol. 15, no 21, 13930-13935 p.
Keyword [en]
Bandwidth; Bragg gratings; Laser radiation; Quantum theory; Thermal effects; Wavelength; Critical thermal effects; Input couplers; Quantum defect; Volume Bragg grating; Waveguide couplers
National Category
Physical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-8202DOI: 10.1364/OE.15.013930ISI: 000251223100050Scopus ID: 2-s2.0-35348949596OAI: oai:DiVA.org:kth-8202DiVA: diva2:13459
Note
QC 20100714Available from: 2008-04-04 Created: 2008-04-04 Last updated: 2015-03-30Bibliographically approved
In thesis
1. Spectral control of lasers and optical parametric oscillators with volume Bragg gratings
Open this publication in new window or tab >>Spectral control of lasers and optical parametric oscillators with volume Bragg gratings
2008 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other scientific)
Abstract [sv]

I den här avhandlingen visas hur lasrar och optiska parametriska oscillatorer (OPO:er) kan styras spektralt med hjälp av volymbraggitter.

Volymbraggitter utgörs av ett periodiskt varierande brytningsindex som skrivits i ett fototermorefraktivt glas. Gittret reflekterar därmed en specifik våglängd som bestäms av perioden hos modulationen, och kan tillverkas med smal bandbredd och hög reflektans beroende på modulationens längd och styrka.

En teoretisk modell har utvecklats för reflektiva volymbraggitters egenskaper om den infallande strålen har en större vinkelspridning än gittrets vinkeltolerans. Detta kan bl.a. inträffa i en laserkavitet där gittret används vid snett infall, och en teoretisk beskrivning är därför ett viktigt redskap för att kunna designa sådana lasrar.

Spektral kontroll av ett antal fasta tillståndslasrar med hjälp av volymbraggitter har i försök påvisats, och lasern har därvid både kunnat avstämmas spektralt samtidigt som en avsmalnad spektral bandbredd erhållits. Lasern kan göras väldigt enkel genom att byta ut en av kavitetsspeglarna mot gittret. Tack vare gittrets goda spektrala urvalsmekanism kan lasern låsas var som helst i förstärkningsspektrumet. De tekniker och lasrar som demonstrerats experimentellt är följande:

Lasring i en enda longitudinell mod erhölls både för en diodpumpad ErYb:glas-laser vid 1553 nm med ca 10 mW:s effekt och 90 kHz linjebredd samt för en diodpumpad Nd:GdVO4-laser vid 1066 nm med 0.85 W:s effekt. Lasrarnas våglängd kunde avstämmas över större delen av gittrets bandbredd på ca. 30 GHz. Genom att bygga Nd:GdVO4-lasern med en monolitisk kavitet kunde även en spektralt synnerligen stabil laser erhållas med under 40 MHz bandbredd. Tillämpningar för dessa lasrar finns både inom spektroskopi samt som källor för intrakavitetsfördubbling till synliga våglängder.

Genom att använda gittret som inkopplingsspegel går det även att framställa lasrar med en väldigt låg kvantdefekt, som därför får minskad värmeutveckling i lasermediet. Detta medger i sin tur att lasrar med höga medeleffekter kan konstrueras, som kan användas bl.a. för olika former av materialbearbetning. I detta arbete har lasrar med låg kvantdefekt byggts med Yb:KYW som laserkristall; både en laser vid 998 nm på 3.6 W som diodpumpades vid 982 nm och med en bandbredd på 10 GHz, samt en laser vid 990 nm på 70 mW som pumpades av en Ti:safir-laser vid 980 nm.

Om volymbraggittret används vid snett infall kan den reflekterade våglängden avstämmas genom att gittret roteras. Denna princip användes i en diodpumpad Yb:KYW-laser till att erhålla en brett avstämbar laservåglängd mellan 996 nm och 1048 nm med en maximal effekt på 3 W och med 10 GHz bandbredd. Genom att placera gittret i en retroreflektor kunde avstämningen göras utan att kaviteten behövde linjeras om. En laser som denna kan exempelvis användas för olika typer av materialkarakterisering och spektroskopi.

Med optiska parametriska oscillatorer (OPO:er) kan laserljus omvandlas till nya våglängder. Därmed kan OPO:er användas som koherenta ljuskällor där inga effektiva lasrar existerar. OPO-processen kan göras effektiv om en pulsad pump används, och den genererade våglängden kan enkelt styras med hjälp av periodiskt polade (PP) icke-linjära kristaller, såsom PP-KTiOPO4, som användes i detta arbete. En nackdel med OPO:er är att i allmänhet är den genererade signalen tämligen spektralt bredbandig. Signalens bandbredd kan dock avsmalnas betydligt om ett spektralt filter såsom ett volymbraggitter används. Genom att byta ut en av speglarna i OPO-kaviteten mot gittret kan utformningen av OPO:n göras väldigt enkel.

I en OPO med en signalvåglängd på 975 nm kunde en avsmalning av bandbredden till 50 GHz påvisas med hjälp av ett braggitter. Detta motsvarar 20 gångers minskning jämfört med om en konventionell spegel används. Som mest erhölls en pulsenergi på 0.34 mJ i signalen. Genom att rotera gittret kunde våglängden avstämmas 21 THz. För att förenkla avstämningen konstruerades även en OPO med gittret i en retroreflektor, samtidigt som kaviteten var av ringtyp. I denna OPO vid en våglängd på 760 nm och med en pulsenergi i signalen på upp till 0.42 mJ erhölls en bandbredd på 130 GHz och ett avstämningsområde på 2.6 THz. Slutligen har en OPO vid 1 µm konstruerats med ett gitter med en transversellt varierande period, s.k. chirp. Därigenom kan våglängden avstämmas väldigt enkelt genom att bara flytta gittret transversellt.

En tillämpning av dessa OPO:er är såsom ljuskällor i olika typer av laserbaserade sensorer, i vilka en specifik och stabil våglängd erfordras. Dessutom kan de smalbandiga OPO:erna användas som första steg i ickelinjära processer i flera steg. Smal bandbredd är då viktig för effektiviteten i den påföljande ickelinjära omvandlingen i nästa steg.

Abstract [en]

The object of this thesis is to explore the usage of reflective volume Bragg gratings in photo-thermo-refractive glass for spectral control of solid-state lasers and optical parametric oscillators, to build tunable and narrowband coherent light-sources.

In order to provide a design tool for use of reflective volume Bragg gratings in laser cavities, a theory was developed that describes the performance of the gratings if the incident beam has finite width with an angular spectrum that is comparable to the grating's angular acceptance bandwidth.

Spectral control was demonstrated in a number of cw solid-state lasers, in terms of narrow bandwidth and tunable wavelength, by use of a volume Bragg grating. The design could be made very simple by replacing one of the cavity mirrors with the grating. Thanks to the grating's strong spectral selectivity, the lasers could be locked anywhere in the gain spectrum, while the laser bandwidth was substantially narrowed. In particular, the following lasers were demonstrated: Single-longitudinal-mode lasing in ErYb:glass at 1553 nm with 90 kHz linewidth and in Nd:GdVO4 at 1066 nm with a linewidth below 40 MHz. Very low quantum defect in Yb:KYW lasers, diode-pumped at 982 nm and lasing at 998 nm with 10 GHz bandwidth, as well as Ti:sapphire-pumped at 980 nm and lasing at 990 nm. An Yb:KYW laser that was widely tunable from 996 nm to 1048 nm with 10 GHz bandwidth.

In nanosecond pulsed optical parametric oscillators (OPOs) based on periodically poled KTiOPO4, narrowband operation and a tunable wavelength were demonstrated with a volume Bragg grating as a cavity mirror. At a signal wavelength of 975 nm, the bandwidth was 50 GHz, a reduction by 20 times compared to using a conventional mirror. A tuning range of 21 THz was also demonstrated. In another OPO at a signal wavelength of 760 nm, a ring-cavity design was demonstrated to provide convenient tuning. A tuning range of 2.6 THz and a bandwidth of 130 GHz was shown. Also, narrowband operation and tuning in an OPO around 1 µm was demonstrated by use of a transversely chirped Bragg grating.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH, 2008. xiv, 95 p.
Series
Trita-FYS, ISSN 0280-316X ; 2008:13
Keyword
volume Bragg gratings, single-longitudinal-mode laser, laser tuning, erbium, neodymium, ytterbium, nonlinear optics, optical parametric oscillator, KTP, tunable optical parametric oscillator, narrowband optical parametric oscillator
National Category
Physical Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-4691 (URN)978-91-7178-914-3 (ISBN)
Public defence
2008-04-25, FB53, Albanova, Roslagstullsbacken 21, Stockholm, 10:00
Opponent
Supervisors
Note
QC 20100813Available from: 2008-04-04 Created: 2008-04-04 Last updated: 2010-08-13Bibliographically approved
2. On diode-pumped solid-state lasers
Open this publication in new window or tab >>On diode-pumped solid-state lasers
2007 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other scientific)
Abstract [en]

The research that is presented in this thesis can be divided into two major parts. The first part concerns longitudinally pumped, bulk Er-Yb lasers. In these lasers, the main limitation is the thermal shortcomings of the phosphate glass host material. From the laser experiments and the spectroscopic measurements on crystalline host materials, as well as an investigation to bring further light to the physical background of the involved dynamics, the thesis presents some novel results that contribute to the search for a crystalline replacement. The second part concerns novel laser concepts applied to Yb-doped double tungstate lasers. Different crystal orientations are investigated, such as an athermal orientation for reduced thermal lensing and a conical refraction orientation for complete polarization tuning. Furthermore, the introduction of volume Bragg gratings in the cavity enables wide spectral tuning ranges and extremely low quantum defects.

Regarding the first part, the main results are the achievement of 15 % slope efficiency in a monolithic, continuous-wave Yb:GdCOB laser and the achievement of Q-switching of the same laser. The Q-switched pulse durations were around 5-6 ns and the Q-switched slope efficiency was 11.6 %. For both lasers, a maximum output power of 90 mW was obtained, which is close to ordinary glass lasers under similar conditions. A spectroscopic investigation into the Er,Yb-codoped double tungstates was also performed and the results have enabled mathematical modeling of the fluorescence dynamics in these materials. Finally, the temperature dependence of the dynamics in Er,Yb:YAG was studied and the results have given some insight into the physical background of the mechanisms involved.

Regarding the second part, different end-pumped Yb:KReW laser cavities were constructed to demonstrate the different concepts. With a laser crystal cut for propagation along the athermal direction at 17º angle clockwise from the dielectric direction Nm, the thermal lens could be reduced by 50 %. In these experiments the maximum output power was 4 W at 60 % slope efficiency. In another cavity incorporating a volume Bragg grating in a retroreflector set-up, the wavelength could be continuously tuned between 997 - 1050 nm. The spectral bandwidth was 10 GHz and the peak output power was 3 W. The same output power could also be obtained at 1063 nm with the grating positioned as an output coupler instead. If, on the other hand, the grating was positioned as an input coupler, 3.6 W output power at 998 nm was obtained at a quantum defect of only 1.6 %. Furthermore, using a crystal oriented for propagation along an optic axis, internal conical refraction could be used to establish arbitrary control of the polarization direction as well as the extinction ratio. Even unpolarized light could be enforced despite the highly anisotropic medium. With this configuration, the maximum output power was 8.6 W at 60 % slope efficiency which equals the performance of a reference crystal with standard orientation. The completely novel concepts of laser tuning with Bragg grating retroreflectors, of low quantum defect through Bragg grating input couplers and of polarization tuning by internal conical refraction can all easily be applied to several other laser materials as well.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH, 2007. 76 p.
Series
Trita-FYS, ISSN 0280-316X ; 2007:81
Keyword
near-infrared lasers, end-pumped lasers, Q-switching, erbium, ytterbium, GdCOB, KGW, KYW, Co:MALO, laser materials, thermal lensing, end-pumping, spectroscopy, conical refraction, volume Bragg gratings, holographic gratings, laser tuning
National Category
Physical Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-4580 (URN)978-91-7178-841-2 (ISBN)
Public defence
2008-01-18, FA32, AlbaNova, Roslagstullsbacken 21, Stockholm, 10:00
Opponent
Supervisors
Note
QC 20100713Available from: 2007-12-14 Created: 2007-12-14 Last updated: 2010-07-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopusOptics InfoBase

Authority records BETA

Pasiskevicius, ValdasLaurell, Fredrik

Search in DiVA

By author/editor
Hellström, Jonas E.Jacobsson, BjörnPasiskevicius, ValdasLaurell, Fredrik
By organisation
Laser Physics
In the same journal
Optics Express
Physical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 76 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf