Research Collection. Novel concepts in modelocked vecsels. Doctoral Thesis. ETH Library. Author(s): Zaugg, Christian A. Publication Date: 2014

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1 Research Collection Doctoral Thesis Novel concepts in modelocked vecsels Author(s): Zaugg, Christian A. Publication Date: 2014 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH NO NOVEL CONCEPTS IN MODELOCKED VECSELS A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by CHRISTIAN A. ZAUGG MSc ETH Physics, ETH Zurich born on citizen of St. Gallen (SG) accepted on the recommendation of Prof. Dr. Ursula Keller, examiner Prof. Dr. Mircea Guina, co-examiner 2014

3 Abstract Vertical external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs), also referred to as semiconductor disk laser (SDLs), are very flexible and powerful coherent light sources. They combine the advantages of semiconductor gain, e.g. band-gap engineering, simple fabrication and high gain cross sections, with the benefits of the ion doped bulk lasers such as a high-q external cavity, excellent beam quality and low intra-cavity nonlinearities. Furthermore, the arrangement as a thin film laser offers very efficient heat removal due to the 1-D heat flow and thus enables simple power scaling with the mode size area. A unique feature of the semiconductor gain is that it can be pumped electrically or optically. Electrically pumped VECSELs, being capable of emitting several hundreds of mw in a single transversal mode beam are promising candidates to serve as a source for highly integrated and very low-cost applications. Optically pumped VECSELs, on the other hand, represent the cutting-edge of the vertical emitting lasers, offering several tens of W in single transverse mode or even up to 106 W in multi-mode operation. VECSELs can be passively modelocked using a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) which leads to ps and fs pulse sources with GHz repetition rates. They offer numerous advantages, e.g. their lowcomplexity and high integration potential, in an extremely wide operation range with respect to emission wavelength (visible to mid-infrared) xv

4 Abstract and repetition rates. This makes the ultrafast VECSELs very interesting for various applications that rely on an inexpensive and mass-producible laser technology. The goal of this thesis was to further exploit the potential of modelocked VECSELs. By using conventional and novel concepts, the parameter range and performance of ultrafast VECSELs was successfully expanded with respect to the repetition rate, absorber technology, electrically pumped devices and self-referenceable frequency combs. A previous limitation for VECSELs was the repetition rate regime around 100 MHz. This range is typically covered by complex Ti:Sapphire lasers and very interesting for bio-medical applications. A VECSEL providing similar performance would make an attractive low-cost and low-complexity alternative. However, the realization of low-repetition rate modelocked VECSELs is challenging due to the semiconductor gain dynamics. Within this thesis, two promising solutions based on a 100 MHz standard cavity and on a novel 250 MHz multi-pass concept were reported. The repetition rate range covered by fundamentally modelocked SDLs is thus extended to three orders of magnitude (100 MHz to 100 GHz). Recently, the novel material graphene was found to exhibit optical properties which are interesting to be used for a saturable absorber. In particular because of its fast recovery dynamics and the broadband absorption, it caught the attention of the ultrafast VECSEL community. In order to evaluate the potential of graphene, we fabricated novel graphene saturable absorber mirrors (GSAMs) and directly compared them to SESAMs, the current state-of-the-art saturable absorber. Furthermore, the first GSAM modelocked VECSEL and a simple technique for wavelength tuning was achieved. Motivated by the demand of reducing the complexity of ultrafast pulse sources, an improved electrically pumped VECSEL was developed within this thesis. For that, a gain chip from Philips Technologie GmbH, optimized for high power and beam-quality, was modelocked with a new lowsaturation fluence and high-modulation depth SESAM. This resulted in a record performance from any modelocked electrically pumped VECSEL to date. xvi

5 With respect to optically pumped modelocked VECSELs, the oscillators reached a level of maturity that allowed to move the research focus more and more towards scientific and industrial applications. Particularly interesting is the self-referenceable frequency comb, a powerful tool, e.g. for metrology and spectroscopy. Obtaining this with a VECSEL would mark an important simplification of the technology and potentially enable its widespread application. Recently, we performed a proof-of-principle experiment and detected the carrier envelope offset frequency ( f CEO ) from a VECSEL for the first time. For that, we first developed an improved ultrafast VECSEL that delivered very stable and reliable 231 fs pulses with 100 mw of average output power at a repetition rate of 1.75 GHz. This laser was then used as a seed for our Yb-doped fiber amplifier. Subsequently, we passively compressed the signal resulting in a peak power level beyond 10 kw and pulses as short as 85 fs. Launching this pulse train into a highly nonlinear photonic crystal fiber yielded a coherent octave-spanning supercontinuum which enabled to detect the f CEO with a standard f to 2 f interferometer. xvii

6 Kurzfassung Halbleiterscheibenlaser, abgekürzt SDL ( semiconductor disk lasers ), auch bekannt als oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator, VECSEL ( vertical external-cavity surface-emitting lasers ), sind sehr vielfältige und leistungsstarke kohärente Lichtquellen. Sie kombinieren die Vorteile von Halbleiterlasern, z.b. die flexible Emissionswellenlänge, einfache Herstellung und hohe Verstärkungsquerschnitte, mit jenen von Ionen dotierten Festkörperlasern wie beispielsweise ein externer Resonator mit hoher Finesse, gute Strahlqualität und geringe Nichtlinearitäten. Ausserdem führt die Verwendung des Verstärkungsmediums als dünner Film zu einem effizienten eindimensionalen Wärmeabtransport. Deswegen kann die Ausgansleistung mit der gepumpten Fläche auf dem Halbleiterkristall relativ einfach hochskaliert werden. Halbleiterlaser besitzen die einzigartige Eigenschaft, dass sie sowohl elektrisch als auch optisch angeregt werden können. Elektrisch gepumpte SDLs erreichen Ausgansleistungen bis zu mehreren hunderten von mw mit beugungsbegrenzter Strahlqualität und sind vielversprechende Kandidaten für Anwendungen, die auf integrierte und günste Lichtquellen angewiesen sind. Optisch gepumpte VECSELs sind die Hochleistungsvariante der Oberflächenemitter und erreichen bis zu 106 W in Strahlen höherer transversaler Moden. Mit einem sättigbaren Absorberspiegel auf Halbleiterbasis, SESAM ( semiconductor saturable absorber mirror ), kann man SDLs passiv modenxix

7 Kurzfassung koppeln, womit Piko- und Femtosekundenpulse mit einer Repetitionsfrequenz im GHz Bereich erzeugt werden können. Modengekoppelte VEC- SELs haben viele Vorzüge, z.b. sind sie einfach integrier- und herstellbar, können in vielen Wellenlängenbereichen betrieben werden (sichtbar bis langwelliges Infrarot) und erreichen hohe Repetitionsraten. Damit ist diese Klasse von Ultrakurzpulslasern besonders interessant für Anwendungen, die auf günstige und massenproduzierbare Pulsquellen angewiesen sind. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, das Potential der modengekoppelten VECSEL weiter auszuschöpfen und zu erkunden. Mithilfe von konventionellen und neuen Konzepten konnte der Anwendungsbereich dieser Ultrakurzpulslaser erfolgreich erweitert werden in Bezug auf Repetitionsfrequenz, Absorbertechnologie, elektrisch gepumpte VECSELs und Frequenzkämme. Bisher war die Repetitionsfrequenz von VECSELn limitiert bei einigen hundert MHz und 100 MHz konnte nicht erreicht werden. Dieser Bereich wird üblicherweise von relativ komplexen Titan:Saphir Lasern abgedeckt und ist sehr interessant für Biomedizinische Anwendungen. Könnte man mit VECSELn ähnliche Leistungen erzielen, wäre dies sehr interessant als kostengünstige und simple Alternative. Solch niedere Repetitionsfrequenzen sind allerdings schwierig zu erreichen aufgrund der Halbleiterdynamik. In der vorliegenden Arbeit werden zwei vielversprechende Ansätze behandelt: Einerseits wird ein konventioneller 100 MHz, andererseits ein neuartiger 250 MHz multipass Resonator vorgestellt. Die Repetitionsfrequenz von fundamental modengekoppelten Oberflächenemittern wurde damit auf drei Grössenordnungen ausgeweitet (100 MHz bis 100 GHz). Vor kurzem wurde entdeckt, dass das neue Material Graphen optische Eigenschaften ausprägt, die es als sättigbarer Absorber interessant machen. Speziell aufgrund der schnellen Rekombination der Träger und seiner breitbandigen Absorption hat Graphen im Forschungsfeld der VECSEL für Aufmerksamkeit gesorgt. Um das Potential dieser neuartigen Absorber auszuloten, haben wir sättigbare Absorberspiegel mit Graphen, GSAMs ( graphene saturable absorber mirrors ), hergestellt und sie mit SESAMs, der momentan führenden Absorbertechnologie, verglichen. xx

8 Darüber hinaus konnten wir zum ersten mal ein VECSEL mit Graphen modenkoppeln und fanden eine einfache Möglichkeit, die Emissionswellenlänge durchzustimmen. Angetrieben durch die Nachfrage nach noch einfacheren Ultrakurzpulsquellen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein verbessertes elektrisch gepumptes VECSEL präsentiert. Dafür verwendeten wir einen Laserchip von Philips Technologie GmbH mit hoher Leistung und optimierter Strahlqualität und haben dazu ein SESAM entwickelt, das sich durch eine niedrige Sättigungsfluenz und hohe Modulationstiefe auszeichnet. Damit konnten wir Rekordleistungen im Bereich von modengekoppelten, elektrisch gepumpten VECSELn erreichen. Im Bereich der optisch gepumpten, modengekoppelten VECSEL haben die Oszillatoren eine technische Reife erreicht, die es ermöglicht, den Fokus mehr und mehr auf wissenschaftliche und industrielle Anwendungen zu richten. Dabei ist der selbstreferenzierbare Frequenzkamm speziell interessant, weil er ein vielseitiges Instrument für z.b. Metrologie oder Spektroskopie ist. Könnte man einen Frequenzkamm mit einem VECSEL realisieren wäre das eine sehr starke Vereinfachung der Technologie, was zu deren weitreichenden Anwendung führen könnte. Kürzlich ist es uns im Rahmen einer Machbarkeitsstudie gelungen, die Träger-Einhüllenden- Frequenz ( f CEO ) eines VECSELs zu messen. Dafür entwickelten wir ein optimiertes VECSEL, das 231 fs Pulse mit 100 mw Durchschnittsleistung bei einer Repetitionsfrequenz von 1.75 GHz emittiert. Der Pulszug wurde als Signalquelle für eine Yb dotierte Verstärkungsfaser benutzt. Anschliessend komprimierten wir die Pulse passiv und erreichten Spitzenleistungen von mehr als 10 kw und 85 fs lange Pulse. Dies war ausreichend, um in einer hoch nichtlinearen Photonischen-Kristall-Faser ein kohärentes, oktavenbreites Superkontinuum zu erzeugen. Mit einem gewöhnlichen f -zu- 2 f -Interferometer gelang es uns anschliessend, die f CEO Schwebungsfrequenz zu detektieren. xxi