HIGH POWER MID INFRARED FEMTOSECOND LASER PULSES

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1 DISS. ETH NO HIGH POWER MID INFRARED FEMTOSECOND LASER PULSES A dissertation submitted to ETH Z URICH for the degree of D OCTOR OF S CIENCES presented by C LEMENS H EESE Dipl.-Phys. (University of Münster, Germany) born on July 6 th, 1983 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. Ursula Keller, Supervisor Prof. Dr. Peter Hamm, Co-Examiner PD Dr. Lukas Gallmann 2012

2 Abstract This thesis deals with the development of a flexible source for the generation of ultra short few-cycle laser pulses. The rising interest in laser sources at uncommon wavelength with a huge variety of system parameters poses a high demand on the adaptability of laser sources to a specific application. A source whose properties can be adjusted without changing its underlying concept is especially valuable for research laser labs, where demands on the sources are changing rapidly. A concept that is customisable in many ways is optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA). It can amplify laser pulses of very low energy at wavelength ranging from UV to deep IR, because it is not relying on suitable optical transitions in the laser material like in classical laser amplifiers. Furthermore during amplification no energy is deposited in the material, facilitating power as well as repetition rate and energy scaling. Nevertheless, to be able to use the OPCPA concept for few-cycle pulse amplification, a combination of pump and output wavelengths needs to be found, enabling broadband amplification in the used optical parametric amplification (OPA) crystal. The use of a high-power pump laser usually restricts the pump wavelength to the spectral region close to 1µm. Unfortunately this wavelength does not favour broadband amplification of many spectral regions. One solution to overcome this limitation is the use of quasi-phasematching (QPM) technology to enable efficient energy transfer from the pump to all wavelengths of the seed pulses. It can be used to amplify laser pulses at wavelengths throughout the whole transparency range of the used amplification crystal. By imprinting a suitable QPM grating structure into the crystal, one can select a spectral window to be amplified. Implementing sophisticated QPM gratings, it is even possible to engineer the output properties of the amplified pulses, for example the temporal shape or the optical spectrum. IX

3 A well-established host material for the implementation of such QPM schemes is LiNbO 3. The implementation of the grating is done by periodically reorienting the ferroelectric domains of the crystal with the desired pattern. This technology has made the step out of research labs, driven by the demand of frequency doubling µm lasers to µm green radiation for laser projection. Companies offer the poling of almost arbitrary QPM structures in LiNbO 3, making this technique attractive for the development of flexible laser systems. In the first step a simple uniform grating (PPLN) based OPCPA for MIR pulse amplification has been studied. This source reaches sub-100 fs, 0.3 µj pulses at two different center wavelengths. Switching between 3.5 or 3.7 µm output pulses is accomplished by adapting the grating. The intrinsic vanishing thermal load on the amplification material facilitates high pulse repetition rate of 100 khz together with 100 mw average power. The nature of the uniform QPM grating limits the amplification bandwidth to about 300 nm, preventing the generation of shorter pulses than 92 fs. To overcome the limitation of amplification bandwidth a non-uniform grating (APPLN), amplifying different parts of the spectrum at various spatial positions, has been studied. An amplification bandwidth exceeding 800 nm was obtained. If low noise output pulses at high energies are required, these APPLN amplifiers cannot be used with tightly focused beam. However to ensure efficient energy transfer high intensities must be reached. Therefore there is a need for a pump source, which can supply high-intensities even in weakly focused configurations. By adding an amplifier based on the Innoslab concept to our pump source, we are able to push the available pump power for the amplifier to 50 MW, meeting this requirement. With the additional energy we are able to generate 8-µJ pulses at 100 fs duration. However, in the first experiment peak power was limited because of pre-pulses that originate from the abrupt onset of gain at the edges of the APPLN amplifier crystal. In the goal of reducing this effect two methods for turning the gain on and off adiabatically are studied, referred to as apodization. It is shown, that proper apodization prevents pulse distortion during amplification. This technique is then used to generate clean gaussian-shaped 75-fs pulses with 7 µj of energy, which corresponds to more than 75 MW of peak power. X

4 Kurzfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer flexiblen Ultrakurzpulslaserquelle. Das wachsende Interesse an Laserquellen bei ungewöhnlichen Wellenlängen mit unterschiedlichsten Eigenschaften stellt hohe Ansprüche an die Anpassbarkeit von Laserquellen an spezifische Anforderungen. Eine Quelle, deren Eigenschaften modifiziert werden können, ohne die ihr zugrundeliegenden Konzepte wesentlich zu ändern, ist besonders wertvoll für wissenschaftliche Laserlabore, in denen sich die Anforderungen rapide verändern. Ein in vielen Bereichen anpassungsfähiges Konzept ist die optisch parametrische Verstärkung von gechirpten Pulsen (OPCPA). Mit diesem Verfahren können Laserimpulse mit sehr geringer Energie im Spektralbereich vom Ultravioletten bis ins tiefe Infrarot verstärkt werden, da OPCPA nicht wie klassische Laserverstärker auf die Verfügbarkeit von optischen Übergängen im Verstärkermaterial angewiesen ist. Vorteil ist des Weiteren, dass keine Energie im Lasermaterial gespeichert wird. Dies erleichtert die Skalierbarkeit bezüglich Repetitionsrate und Energie der Pulse sowie der Durchschnittsleistung. Falls OPCPA zur Verstärkung von ultrakurzen Lichtimpulsen weniger optischer Zyklen genutzt werden sollen, muss eine Kombination von Pump- und Ausgangswellenlänge gefunden werden, die breitbandige Verstärkung in dem jeweiligen Material ermöglicht. Sollen Hochleistungspumplaser eingesetzt werden, ist die Pumpwellenlänge bis auf wenige Ausnahmen auf den 1-µm Bereich festgelegt. Diese Wellenlänge macht breitbandige Verstärkung allerdings häufig unmöglich. Die beschriebene Limitierung kann mit dem Einsatz von Verstärkermedien aufgehoben werden, die auf Quasi-Phasenanpassung (QPM) beruht, um effiziente Energieübertragung von der Pumpwellenlänge zu allen Wellenlängen des Signals zu ermöglichen. Auf diese Weise können Laserimpulse bei allen Wellenlängen XI

5 innerhalb des Transparenzbereichs des genutzten Kristalls verstärkt werden. Das dem Kristall aufgeprägte QPM-Gitter legt dann den zu verstärkenden Spektralbereich fest. Durch den Einsatz von komplexen QPM-Gittern können sogar die Eigenschaften der verstärkten Pulse festgelegt werden, z.b. die zeitliche Pulsform oder das optische Spektrum. Ein häufig genutztes Wirtsmaterial für derartige QPM Schemata ist LiNbO 3. Durch periodische Orientierung der ferroelektrischen Domänen kann das QPM Gitter implementiert werden. Diese Technologie wurde kommerzialisiert, da es einen hohen Bedarf gab an Kristallen zur Generierung von frequenzverdoppeltem µm Laserlicht für den Einsatz in Laser-Projektoren. Heutzutage produzieren viele Firmen periodisch gepoltes LiNbO 3 mit beliebigen QPM Gittern. Dies macht auf QPM-Technologie basierende Verstärker attraktiv als Entwicklungsgrundlage für flexible Lasersysteme. In dieser Arbeit wurde zunächst ein OPCPA zur Mid-Infrarot (MIR) Pulsverstärkung untersucht, der auf einem einfachen gleichbleibenden Gitter (PPLN) basiert. Mit dieser Quelle konnten sub 100-fs, 0.3 µj Laserimpulse bei zwei Zentralwellenlängen realisiert werden. Zum Umschalten zwischen dem Betrieb bei 3.5 oder 3.7-µm wurde jeweils ein anderes QPM Gitter im Kristall genutzt. Da keine Energie im Kristall deponiert wird, können hohe Pulsrepetitionsraten zusammen mit hoher Durchschnittsleistung erreicht werden. Die in diesem Fall genutzten QPM Gitter sind in der unterstützen Verstärkungsbandbreite auf ungefähr 300 nm limitiert und verhindern somit die Verstärkung von Laserimpulsen mit kürzerer Dauer als 92 fs. Um diese Begrenzung aufzuheben, wurde ein nicht-gleichbleibendes QPM Gitter (APPLN) untersucht. Durch Einsatz dieses Gitters wurden verschiedene Teile des Spektrums an unterschiedlichen räumlichen Stellen verstärkt, so dass eine Verstärkungsbandbreite von mehr als 800 nm erreicht wurde. Mit dem Einsatz nichtgleichförmiger Gitter zur Erzeugung von rauscharmen Pulsen bei hohen Energien können keine stark fokussierten Strahlen verwendet werden. Um dennoch hohe Intensitäten zu erreichen, die für einen effizienten Energieübertrag notwendig sind, müssen Pumplaser mit hoher Pulsenergie eingesetzt werden. Der genutzte Pumplaser wurde daher mit einer auf dem Innoslab-Konzept basierenden XII

6 Verstärkerstufe ausgestattet, welche die Spitzenleistung des Pumplasers auf 50 MW anhob. Durch die zusätzliche Energie konnten 8-µJ Laserimpulse mit 100 fs Dauer realisiert werden. Diese Pulse weisen starke vorpulsartige Verzerrungen auf, die durch das harte Einsetzen der Verstärkung an den Enden des APPLN Verstärkerkristalls hervorgerufen werden. Um diese Vorpulse zu unterdrücken, werden zwei Apodisationsmethoden untersucht, welche die Verstärkung adiabatisch ein- und ausschalten. Durch den Einsatz einer geeigneten Apodisation können diese Pulsverzerrungen unterdrückt und saubere gaussförmige 75-fs Laserimpulse mit 7 µj Energie erzeugt werden, was mehr als 75 MW Spitzenleistung entspricht. XIII