Compact Diode-pumped Femtosecond and CW Solid-State Lasers

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1 Diss ETH No Compact Diode-pumped Femtosecond and CW Solid-State Lasers A dissertation submitted to the Swiss Federa1 Institute oftechno1ogy Zürich for the degree of Doctor of Natural Sciences by Danie1 Kopf dip!. Phys. ETH born on May 31, 1969 citizen of Austria accepted on the recommendation of Prof. Dr. Ursu1a Keller, examiner PD Dr. Markus Sigrist, co-examiner date of examination: Ju1y 5, 1996 November, 1996

2 Abstract Abstract This thesis demonstrates and describes concepts for compact, diode-pumped femtosecond and continous-wave solid-state lasers. Diode-pumping is the first key step towards more compactness. Femtosecond laser pulse generation was based on semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) which passively start and stabilize modelocking, as an alternative to the Kerr-lens modelocking concept. The structural design of these SESAM devices was refined and optimized for a number of features including pulse shortness, low insertion loss, negative group velocity dispersion, and broad wavelength tunability. To achieve more compact negative group velocity dispersion, a laserresonator design was demonstrated which contains a single prism for dispersion compensation, instead of the standard prismpair. Even more compact negative group velocity dispersion was obtained with the dispersive saturable absorber mirror (D-SAM) which includes both saturable absorption and negative group velocity dispersion in one semiconductor element. With the D-SAM, a prismless femtosecond laser was demonstrated. Finally, a novel diodepumping concept, referred to as "pump and cool" concept, showed efficient high-power laser performance even with low-gain solid-state laser media. Such compact, easy-touse, reliable, and turn-key femtosecond lasers are interesting in many areas including physics, biology, chemistry, and material processing. Some examples for applications are pump-probe measurements, electro-optic sampling, response time characterization of fast photodiodes, two-photon fluorescence microscopy, optical damage studies, micromachining, etc. In the passive femtosecond modelocking experiments, we relied on semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) which reliably start and stabilize femtosecond generation. Compact, diode-pumped femtosecond Nd:glass lasers using an antiresonant Fabry-Perot saturable absorber (A-FPSA), a specific SESAM, were investigated. The A FPSA was based on an InGaAs/GaAs MQW structure for a laser wavelength of ::::;1060 nm. Pulses as short as 130 fs at an average output power of 100 mw were generated from a Nd:fluorophosphate laser, and similar results were obtained from a Nd:silicate and Nd:phosphate laser. The A-FPSA was found to support self-starting and stable modelocking regardless of the spectroscopic properties of the Nd:glass laser medium used. Both the inhomogeneously broadened Nd:silicate or Nd:fluorophophate

3 12 and the homogeneously broadened Nd:phosphate could be modelocked. Only in the latter case did gain reshaping have to be applied for stable femtosecond generation. The SESAM concept was extended to a wavelength of ::::850 nm, where Cr:LiSAF was used as the laser medium. A diode-pumped femtosecond Cr:LiSAF laser produced sub 50-fs pulses at output powers up to 80 mw using a high-finesse A-FPSA based on an AlGaAslGaAs MQW structure. The highest output powers from a diode-pumped modelocked Cr:LiSAF laser were demonstrated with a low-finesse A-FPSA device optimized for low-ioss, and 80 fs pulses at a highest average output power of 120 mw were obtained. The low-finesse A-FPSA structure could also be optimized with respect to a flat absorption or reflectivity wavelength dependence, despite the strong materialgiven wavelength-dependence ofthe GaAs absorption. As a result, wavelength tuning of self-starting femtosecond pulses over a range of>50 nm was shown. In the femtosecond laser experiments, soliton formation is found to be the dominant pulse shaping mechanism assuming that group velocity dispersion (GVD) and self-phase modulation (SPM) are large enough. As a result, femtosecond pulses can be stabilized even by a slow and weak transmission modulation in combination with sufficiently-iarge negative group velocity dispersion. This is described in a theoretical model, and experimentally confirmed in an actively, regeneratively modelocked Nd:glass laser producing 310 fs pulses. In this Nd:phosphate resonator, gain reshaping had to be applied to effectively flatten the net gain profile as a function of wavelength in order to obtain stable femtosecond modelocking. These active modelocking experiments helped to understand the passive femtosecond modelocking experiments ofthis work. With the goal for more compact dispersion compensation we investigated the two following approaches: First, a dispersion-compensating femtosecond cavity layout is proposed with only one intracavity prism, instead of the standard prism pair. Such single-prism femtosecond cavities are simple to design and have advantages such as lossless tuning, less intracavity elements, decreased loss, and increased compactness. A compact single-prism diode-pumped Nd:glass oscillator producing 200 fs at an average output powerof200 mw was demonstrated experimentally. Second, we combined saturable absorption and dispersion compensation in one specific SESAM. This novel dispersive saturable absorber mirror (D-SAM) produces 160 fs pulses at 25 mw output power from a prism-iess diode-pumped Cr:LiSAF laser. The D SAM structure is similar to a Gires-Toumois-like Fabry-Perot which is designed for

4 13 Abstract negative GVD, and incorporates a 30 nm thick AI(0.06)Ga(0.94)As saturable absorber layer. A novel diode-pumping scheme is proposed and demonstrated for efficient pumping of low-gain solid-state lasers. This resulted in several times more average output power compared to the standardly diode-pumped systems. With this approach, a maximum output power of 1.1 W cw was obtained from a diode-pumped Cr:LiSAF laser, which is about 4 times more than what was reported from conventional diode-pumped Cr:LiSAF lasers. In modelocked operation, 300 fs pulses at 300 mw output power were demonstrated, which is also considerably more than what was achieved in earlier approaches. An "optimized mode-matching" concept gives guidelines as to how the diode-laser pump beam and the laser mode can be matched to each other for optimum overlap inside the gain medium, given a certain absorption length. In addition, the geometry of the laser medium is optimized for efficient heat removal. This "pump and cool" concept made possible to pump Cr:LiSAF with a l-cm wide red diode bar emitting more than 10 W, despite the poof thermal properties of Cr:LiSAF, resulting in the improved output powers.

5 Kurzfassung Diese Doktorarbeit beschreibt und demonstriert Konzepte für kompakte, diodengepumpte Femtosekunden-Pulslaser und Dauerstrich-Laser. Die Verwendung von Laserdioden als Pumpquelle ist dabei der erste wichtige Schritt in Richtung Kompaktheit. Die Erzeugung von Femtosekundenpulsen wurde mit Hilfe von Halbleiter-basierten sättigbaren Absorberspiegeln (SESAMs - semiconductor saturable absorber mirror) erreicht, womit die Modenkopplung passiv gestartet und stabilisiert wurde, als Alternative zum Kerr-lens Modelocking. Die Struktur dieser SESAMs wurde jeweils mit dem Ziel verfeinert und modifiziert, die Pulskürze zu optimieren, Reflexionsverluste zu minimieren, negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) zu inkludieren und breite Wellenlängenabstimmbarkeitzu erreichen. Um kompaktere GVD zu erreichen, wurde ein Schema eines Femtosekunden-Laserresonators demonstriert, der nur ein einziges Prisma zur Dispersionskompensation enthält anstelle des üblicherweise verwendeten Prismenpaars. Noch kompaktere GVD wurde erreicht mit dem dispersiven sättigbaren Absorberspiegel (D-SAM), der sowohl sättigbare Absorption als auch negative GVD in einem Halbleiterelement vereint. Mit einem solchen D-SAM wurde ein Femtosekundenresonator ohne Prismen gezeigt. Schliesslich wurde ein neuartiges Konzept entwickelt, genannt "pump and cool"-konzept, mit Hilfe dessen Festkörperlaser mit niedriger Verstärkung effizient mit Laserdioden gepumpt werden können. Solche Femtosekundenlaser, die kompakt, benutzerfreundlich, zuverlässig und leicht in Betrieb zu nehmen sind, finden interessante Anwendungen in Physik, Biologie, Chemie und Materialverarbeitung. Beispiele sind Pump-Probe-Messungen, elektro-optisches Sampling, die Charakterisierung der Antwortzeit schneller Fotodioden, Zweiphotonenfluoreszenz-Mikroskopie, Studien der optischen Zerstörschwelle und die Verarbeitung von Mikrostrukturen. In den passiv modengekoppelten Femtosekundenlasern verwendeten wir SESAMs, die die Modenkopplung zuverlässig starteten und stabilisierten. Kompakte, diodengepumpte Femtosekunden-Nd:Glaslaser mit einem sättigbaren Absorber in antiresonanter Fabry Perot-Strukur (A-FPSA - antiresonant Fabry-Perot saturable absorber), einem speziellen SESAM, wurden untersucht. Das A-FPSA basierte auf einer InGaAs/GaAs Multiquantenfilm-Struktur bei einerwellenlänge von ::::::1060 nm. Pulse von 130 fs Dauer mit einer Durchschnittsleistung von 100 mw wurden erzeugt aus einem

6 16 Nd:Fluorophosphatglaslaser. Ähnliche Resultate wurden mit Nd:Silikatglas und Nd:Phosphatglas erhalten. Das A-FPSA startete und stabilisierte die Modenkopplung in diesen Laserexperimenten, unabhängig von den jeweiligen spektroskopischen Eigenschaften der Lasergläser. Sowohl mit dem inhomogen verbreiterten Nd:Silikatglas und dem Nd:Fluorophosphatglas, als auch mit dem homogen verbreiterten Nd:Phosphatglas wurde Modenkopplung erreicht. Nur im letzteren Fall musste ein wellenlängenabhängiger Filter eingesetzt werden, um stabile Femtosekundenpulse zu erzeugen. Das SESAM-Konzept wurde auf den Wellenlängenbereich um =850 nm übertragen, wo Cr:LiSAF als Lasermedium verwendet wurde. Ein diodengepumpter Femtosekunden Cr:LiSAF-Laser produzierte Sub-50-fs-Pulse bei einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 80 mw, wobei ein A-FPSAs mit hoher Finesse und einer AIGaAs/GaAs-MQW-Struktur verwendet wurde. Die höchste Ausgangsleistung von einem diodengepumpten modengekoppelten Cr:LiSAF-Laser wurde unter Verwendung eines A-FPSAs mit niedriger Finesse demonstriert, welches mit Hinblick auf minimale Verluste entworfen wurde. Dabei wurden 80-fs-Pulse bei einer Durchschnittsleistung von 120 mw gemessen. Ein A-FPSA mit niedriger Finesse wurde zudem optimiert bezüglich eines möglichst grossen Wellenlängenabstimmbereichs, trotz der starken materialbezogenen Wellenlängenabhängigkeit der Absorption von GaAs. Damit konnten selbststartende Femtosekunden-Pulse über einen Wellenlängenbereich von mehr als 50 nm abgestimmt werden. In den Femtosekunden-Laserexperimenten wurde Solitonformation als der dominante pulsformende Prozess identifiziert, sofern Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) und Selbstphasenmodulation (SPM) gross genug sind. Daraus schliessen wir, dass Femtosekunden-Pulse auch von einer langsamen und schwachen Modulation in Kombination mit genügend grosser GVD stabilisiert werden können. Dies wird in einem theoretischen Modell beschrieben und experimentell in einem aktiven, regenerativen, modengekoppelten Nd:Glaslaser, der 310-fs-Pulse erzeugt, bestätigt. Im Nd:Phosphatglaslaser musste das wellenlängenabhängige Verstärkungsprofil abgeflacht werden durch das Einfügen eines Filters ("gain reshaping"), um stabile Femtosekundenpulse zu erzeugen. Diese Experimente an einem aktiv modengekoppelten Laser erlauben Einsicht in den Mechanismus der passiven Modenkopplung in den Femtosekunden Laserexperimenten dieser Doktorarbeit.

7 17 Kurzfassung Mit dem Ziel, die Dispersionskompensation kompakter zu gestalten, untersuchten wir zwei Ansätze: Erstens wurde ein Schemafür einen Femtosekunden-Laservorgeschlagen, der nur ein einziges Prisma zur Dispersionskompensation enthält anstelle des sonst üblichen Prismenpaars. Diese Einprismen-Femtosekunden-Laser sind konzeptuell einfach und haben Vorteile wie zum Beispiel verlustfreies Abstimmen der zentralen Wellenlänge, geringere Anzahl von optischen Elementen im Resonator, reduzierte optische Verluste, und erhöhte Kompaktheit. Ein kompakter, diodengepumpter Einprismen-Nd:Glaslaser demonstrierte im Experiment 200-fs-Pulse bei einer Durchschnittsleistung von 200 mw. Zweitens kombinierten wir sättigbare Absorption und Dispersionskompensation in einem speziellen SESAM. Dieser neuartige dispersive sättigbare Absorberspiegel (D-SAM dispersive saturable absorber mirror) erzeugte 160-fs-Pulse bei einer Durchschnittsleistung von 25 mw in einem diodengepumpten Cr:LiSAF-Laser ohne Prismen zur Dispersionskompensation. Die Struktur des D-SAM is ähnlich der eines Gires-Tournois Fabry-Perots, welches mit Hinblick auf negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion ausgeführt wurde und eine 30 nm dicke AI(0.06)Ga(0.94)As Schicht enthält, die als sättigbarer Absorber wirkt. Schliesslich wird ein neuartiges Schema eingeführt und demonstriert, das es ermöglicht, Festkörperlaser mit geringer Verstärkung effizient mit Laserdioden zu pumpen. Dies resultierte in einer mehrfach erhöhten Ausgangsleistung im Vergleich zu den anderen Systemen. Mit diesem Ansatz konnte eine maximale Ausgangsleistung von 1.1 W von einem diodengepumpten Cr:LiSAF-Laser im Dauerstrichbetrieb demonstriert werden, was etwa viermal mehr ist als die von konventionell diodengepumpten Cr:LiSAF-Lasern erreichten Leistungen. Im modengekoppelten Betrieb wurden 300 fs-pulse bei einer Ausgangsleistung von 300 mw erzeugt, was auch wesentlich mehr ist als die früheren Resultate. Ein Konzept zur optimalen Modenanpassung (OMM - optimized modematching) bestimmt Richtlinien, mit Hilfe derer der Laserdioden-Pumpstrahl und der Lasermode bei optimalem Überlapp im Lasermedium mit gegebener Absorptionslänge aneinander angepasst werden können. Weiters wird die Geometrie des Lasermediums optimiert bezüglich effizienter Wärmeabfuhr. Dieses "pump and cool"-konzept ermöglichte es, Cr:LiSAF mit einer 1 cm breiten roten Laserdiode mit einer Leistung von mehr als 10 W zu pumpen, trotz der schlechten thermischen Eigenschaften von Cr:LiSAF. Dies führte zu den mehrfach erhöhten Ausgangsleistungen.