DIODE-PUMPED SOLID-STATE LASERS FOR

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1 Diss. ETH No DIODE-PUMPED SOLID-STATE LASERS FOR FREQUENCY COMB GENERATION A dissertation submitted to ETH Z URICH for the degree of D OCTOR OF S CIENCES presented by M AX C HRISTOPH S TUMPF Dipl.-Phys. (Friedrich-Schiller-Universität Jena, Germany) born on the August 19, 1980 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. Ursula Keller, Supervisor Prof. Dr. Pierre Thomann, Co-Examiner Dr. Thomas Südmeyer, Co-Examiner December 2009

2 Abstract This thesis describes the development of compact ultrafast laser oscillators and their efficient spectral broadening in highly nonlinear fibers for the generation of selfreferenced frequency combs. Self-referenced frequency combs bridge optical to radio frequencies by a phasestable link and thereby triggered significant progress in areas such as precision metrology and spectroscopy. The breakthrough was possible by measurement and stabilization of the carrier-envelope offset (CEO) frequency signal. This signal represents the otherwise unknown absolute offset of the frequency comb and yields together with the easily accessible repetition rate absolute knowledge on the frequencies of the optical spectrum. Currently, typical setups for the generation of frequency combs rely either on Ti:Sapphire or on fiber lasers. Femtosecond Ti:Sapphire lasers enable the shortest pulses, but have several practical restrictions limiting their impact for many application areas and strongly motivating research into alternative approaches like fiber lasers, which can be diode-pumped and hence allow more user-friendly frequency combs. However, fiber lasers also have drawbacks in terms of noise properties and their potential to operate at increased repetition rates. Diode-pumped solid-state lasers (DPSSLs) are a promising alternative to overcome many limitations in the current systems. In terms of costefficiency and reliability, their performance is similar or better than femtosecond fiber oscillators. Furthermore, they can access higher average power levels and have low intrinsic noise. However, only few frequency combs based on DPSSLs were demonstrated even though a large number of femtosecond bulk laser oscillators are known. Within this thesis, we report on the first measurement and stabilization of the carrier-envelope offset (CEO) frequency signal from an ultrafast solid-state laser oscillator operating in the 1.5 µm spectral region. The required octave-spanning supercontinuum is generated without amplification or compression resulting in an excellent CEO signal. XVI

3 ABSTRACT XVII We developed and optimized a passively modelocked Er:Yb:glass laser generating 170-fs pulses at 75 MHz pulse repetition rate with 110 mw average power. Reliable femtosecond pulse formation is achieved with a semiconductor saturable absorber mirror. It uses a high-q cavity, which results in low-noise operation and is pumped by a single telecom-grade 980-nm diode consuming less than 1.5 W of electrical power. Moreover, the laser operates in the important spectral region of fiber telecommunication at 1.5-µm, where standard optics are available and long-range distribution of frequency references is feasible. We generated the necessary coherent octave-spanning supercontinuum directly from the laser output without amplification or compression. This key challenge is solved by implementing a novel polarization maintaining highly nonlinear fiber (PM-HNLF). The length of the PM-HNLF was optimized to yield a strong CEO frequency beat signal between the outer Raman soliton and the spectral peak of the dispersive wave within the supercontinuum. The polarization maintaining property of the supercontinuum fiber was crucial: comparable octave-spanning supercontinua from two non-pm fibers showed significant excessive noise and poor coherence. With the PM-HNLF no demanding pulse parameters are necessary and excessive intensity noise is avoided. A standard f-to-2f interferometer is sufficient to generate a CEO frequency beat signal, which is 49 db above the noise floor (100-kHz resolution bandwidth) and has a free-running linewidth of 3.6 khz. This linewidth is an improvement of more than an order of magnitude when compared to femtosecond fiber laser systems operating in this spectral region. The CEO frequency is controlled and stabilized by the pump current, proving the development of an exciting tool for future usage in frequency metrology applications. The new approach presented here allows generating a frequency comb with excellent noise performance. A narrow and strong CEO beat was observed even with pulse durations above 260 fs. Achieving a stable CEO frequency signal from relatively long pulses with moderate power levels substantially relaxes the demands on the driving laser. Hence, these results will open the door to optical frequency comb generation for novel diode-pumped solid-state and semiconductor lasers, which is a particularly important step towards scaling of the repetition rate.

4 Kurzfassung Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt die Entwicklung von ultraschnellen Laserquellen sowie deren spektrale Verbreiterung in hochgradig nichtlinearen Fasern zur Erzeugung selbstreferenzierter Frequenzkämme. Selbstreferenzierte Frequenzkämme ermöglichen eine phasenstabile Verbindung zwischen Licht und Radiowellen. Damit wurden bedeutende Fortschritte auf dem Gebiet der Präzessionsmesstechnik sowie der Spektroskopie erreicht. Dieser Erfolg ist mit der Messung und Stabilisierung der CEO-Frequenz verbunden, welche eine kontinuierliche Verschiebung des Trägers relativ zur Einhüllenden des optischen Pulses beschreibt. Zusammen mit der leicht zugänglichen Repetitionsrate können dadurch die Frequenzen des optischen Kamms mit absoluter Genauigkeit bestimmt werden. Gängige Schemata zur Erzeugung eines solchen Frequenzkamms basieren gegenwärtig entweder auf Titan-Saphir- oder Faserlasern. Titan-Saphir-Laser ermöglichen die kürzesten Pulse im Bereich von wenigen Femtosekunden. Mangelnde Anwendbarkeit steht jedoch einer weitreichenden Bedeutung entgegen und führte zur Entwicklung alternativer Quellen wie z.b. Faserlaser. Faserlaser können mit Laserdioden gepumpt werden und erlauben daher eine praktikablere Erzeugung von Frequenzkämmen. Jedoch besitzen Faserlaser ebenfalls gewisse Nachteile in ihrem Stabilitätsverhalten und ihrer Skalierbarkeit zu höheren Repetitionsraten. Dioden-gepumpte Festkörperlaser (DPSSLs) sind eine vielversprechende Alternative zur Überwindung solcher Einschränkungen. DPSSLs sind bezüglich Kosteneffizienz und Verlässlichkeit mindestens vergleichbar mit Faserlaser, sie können jedoch höhere mittlere Ausgangsleistungen sowie höhere intrinsische Stabilität erreichen. Bisher konnten jedoch nur wenige Frequenzkämme basierend auf diodengepumpten Festkörperlasern realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals das CEO-Signal eines diodengepumpten Festkörperlasers gemessen und stabilisiert, welcher im Wellenlängenbereich von 1.5 µm emittiert. Das erforderliche Superkontinuum mit einer Bandbreite von mehr als einer Oktave konnte ohne Verstärkung oder Kompression XVIII

5 KURZFASSUNG XIX realisiert werden und ermöglichte die Erzeugung eines hervorragenden CEO-Signals. Es wurde ein passiv modengekoppelter Er:Yb:Glas-Laser entwickelt und optimiert, der Pulse mit einer Dauer von 170 fs bei einer Ausgangsleistung von 110 mw und einer Repetitionsrate von 75 MHz erzeugt. Mit Hilfe eines sättigbaren Halbleiterspiegels werden Femtosekundenpulse stabil erzeugt. Der Laserresonator besitzt einen hohen Q-Faktor und benötigt lediglich eine einzige 980-nm Pumpdiode mit einem Stromverbrauch von weniger als 1.5 W. Die spektrale Emissionswellenlänge um 1.5 µm liegt zudem im wichtigen Bereich der Fasertelekommunikation, weshalb standardisierte optische Elemente verwendet werden können und auch die Übertragung optischer Referenzfrequenzen möglich ist. Das zur Stabilisierung des Frequenzkamms notwendige Superkontinuum mit einer Bandbreite von mehr als einer Oktave konnte ohne weitere Verstärkung oder Kompression erzielt werden. Eine Schlüsselrolle nahm dabei die Verwendung einer neuartigen, polarisationserhaltenden, hochgradig nichtlinearen Faser (PM-HNLF) ein. Die Länge dieser Faser konnte so optimiert werden, dass starke spektrale Leistungen bei einer Differenzfrequenz von exakt einer Oktave zwischen dem äußeren Ramansoliton und der dispersiven Welle erreicht wurden. Trotz der extremen spektralen Verbreiterung in der PM-HNLF blieb das Superkontinuum kohärent. Zudem wird die Erzeugung von Intensitätsinstabilitäten vermieden. Mit Hilfe eines f-zu-2f Interferometers wird das CEO-Signal erzeugt, welches einen Signal-Rausch-Abstand von 49 db und eine intrinsische Linienbreite von 3,6 khz aufweist. Diese Linienbreite ist um mehr als eine Größenordnung kleiner als bei Faserlasern des 1.5-µm-Wellenlängenbereichs. Die CEO-Frequenz konnte mit dem Pumpstrom kontrolliert und stabilisiert werden. Somit wurde ein hervorragendes Werkzeug für Anwendungen in der Frequenzmesstechnik geschaffen. Der beschriebene Ansatz erlaubt die Konstruktion eines Frequenzkamms mit exzellenten Stabilitätseigenschaften. Ein schmales sowie starkes CEO-Signal wird bereits bei Pulsdauern von 260 fs erzeugt. Diese Leistung reduziert die Anforderungen an den Laser beträchtlich. Die Frequenzkammerzeugung ist daher auch für neuartige diodengepumpte Festkörper- und Halbleiterlaser möglich, was insbesondere für eine Skalierung zu höheren Repetitionsraten von Bedeutung ist.