towards high average power sesam-modelocked - ETH E

DISS. ETH NO. 22635
TOWARDS HIGH AVERAGE POWER
SESAM-MODELOCKED THIN-DISK LASERS WITH SHORT
PULSE DURATIONS
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
CINIA SCHRIBER
MSc ETH Physics, Zurich
born on 28.04.1985
citizen of Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Ursula Keller, examiner
Prof. Dr. Günter Huber, co-examiner
2015
Abstract
Many years of research resulted in the dramatic progress made in ultrafast
laser technologies. High-brightness, pico- and femtosecond laser systems,
which provide average power levels of several 100 W have become an essential part of the high-value manufacturing industry. The combination of
high peak intensity and short pulse duration enables unprecedented accuracy in the processing of a variety of materials, including metals, semiconductors, display glass and polymers.
Moreover, the great success story of high-power ultrafast laser systems
has provided peak intensities that correspond to the strength of electron
binding fields and has opened the door to novel research areas, such as
attosecond science. This relatively new sub-field of strong-field physics relies on optical attosecond pulses in the extreme ultraviolet and soft X-ray
regime, which are typically produced by means of high-order harmonic
generation (HHG). Today, the driving sources of HHG are based on complex amplifier systems and operate typically at low repetition frequencies
in the kilohertz regime. As a consequence, experiments suffer from the
long acquisition times required to obtain a large signal to noise ratio. Inspired by the growing need for table-top megahertz-driving sources for
HHG, there is currently a great research effort focused on the development of cutting-edge ultrafast oscillators.
A key point for efficient HHG is an intense and short driving pulse.
Within the scope of this thesis we therefore explore the potential of semixvii
Abstract
conductor saturable absorber mirror (SESAM) modelocked thin-disk oscillators with respect to the generation of pulses with short durations
(< 200fs). The invention of the SESAM nearly 20 years ago was a major milestone for the development of ultrafast laser systems. In order
to take full advantage of the SESAM-based modelocking mechanism, we
studied the influence of top-mirror structures on nonlinear reflectivity parameters and on the damage threshold of standard antiresonant quantum
well (QW) SESAMs, grown at low temperatures. We extended this detailed study to a set of samples with identical absorber sections grown
at different temperatures to evaluate the impact of topcoating layers on
the recovery dynamics. Furthermore, we performed preliminary experiments with substrate-removed SESAMs to evaluate the potential of such
samples with improved heat removal capabilities and flatness, compared
to standard-grown SESAMs contacted on copper heat sinks. Our investigations allowed us to establish simple guidelines for the growth and processing of robust SESAMs with high-damage threshold, sustaining high
intracavity energy levels.
In a set of experiments, we applied our design guidelines to ultrafast
SESAMs grown for the generation of short pulses. The most important
parameter in order to achieve short pulses is a broad gain bandwidth of
the laser crystal. In this aspect, the group of Yb-doped sesquioxides outperforms the standard thin-disk gain material Yb:YAG. In a first step, we
explored the pulse duration limits of the pure sesquioxide Yb:LuO. We
were able to achieve 7 W of average power with pulses as short as 142 fs
and measured the corresponding carrier-envelope offset (CEO) frequency.
In a second step, we scaled the power of this thin-disk oscillator to 25 W
and 185 fs. Moreover, we developed SESAM modelocked thin-disk lasers
based on the mixed sesquioxides Yb:LuScO and Yb:ScYLO that demonstrated pulse durations of 96 fs, respectively 101 fs, with output powers
around 5 W. Currently, the most promising gain material in terms of
shortest pulse durations is Yb:CALGO. Experiments based on this gain
material enabled the first phase-stabilization of the CEO frequency of a
SESAM modelocked thin-disk oscillator and allowed us to obtain sub-50 fs
pulses with an average power of 2 W.
xviii
A promising alternative approach that extends laser performances to
shorter pulse durations combines within one resonator two spatially separated gain media with displaced emission spectra of moderate bandwidth.
We successfully implemented, to our knowledge for the first time, this concept into the thin-disk laser technology. The emission spectra of Yb:LuO
and Yb:ScO, two gain materials with high thermal conductivity, combined
in modelocked operation to a single gain. It supported 103-fs pulses with
an average power of 1.4 W and 124-fs pulses at a higher power of 8.6 W.
The ongoing advances in the growth of single crystalline laser materials with high-optical quality are an important key element for the development of future state-of-the-art ultrafast oscillators. A further essential
point is the development of substrate-removed, large area SESAMs with
outstanding heat removal capabilities and flatness. We believe that the
progress in this two areas will enable to push the average power (275 W)
and pulse energy (80 µJ) of current leading-edge SESAM-modelocked thindisk lasers to shorter pulse durations (< 200fs).
xix
Kurzfassung (German)
Intensive Forschung ermöglichte die rasanten Fortschritte der letzten Jahre in der Erzeugung leistungsstarker und ultrakurzer Laserpulse. Lasersyteme mit höchster Strahlqualität und Pulsdauern im Bereich von Pikound Femtosekunden lieferen heutzutage Ausgangsleistungen von mehreren 100 W. Diese Systeme sind ein wichtiger Bestandteil der industriellen
Fertigung und erlauben unter anderem hochpräzise Materialbearbeitung
von Metallen, Halbleitern, Gläsern und Polymeren.
Die beeindruckende Erfolgsgeschichte leistungsstarker Laser mit ultrakurzen Laserpulsen beschränkt sich nicht nur auf industrielle Anwendungen. Da solche Lasersysteme Spitzenintensitäten aufweisen, die der elektrischen Feldstärke inneratomarer Felder entsprechen, ermöglichten sie
die Entdeckung neuer Phänomene in der Physik der starken elektromagnetischen Felder. Diese Phänomene führten zur Gründung neuer Forschungszweige wie der Attosekundenphysik. Deren Werkzeug sind Attosekundenpulse, die im Spektralbereich der extrem ultravioletten Strahlung und der weichen Röntgenstrahlung liegen. Die Pulse beruhen im
Allgemeinen auf der Erzeugung höherer Harmonischen (HHG) eines intensiven, sichtbaren oder infraroten Femtosekundenpulses. Primäre Laserquellen, die heutzutage dafür eingesetzt werden, basieren auf komplexen Verstärkersystemen mit Pulsrepetitionsraten im Kilohertzbereich.
Die niedrigen Repetitionsraten erfordern lange Messzeiten um ein hohes
Signal-Rausch-Verhältnis der Messdaten zu erreichen. Dementsprechend
werden grosse Anstrengungen unternommen, um die Entwicklung komxxi
Kurzfassung (German)
pakter Megahertzlaserresonatoren auf dem neuesten Stand der Technik
voranzutreiben. Ein wichtiger Faktor in der effizienten HHG sind intensive und ultrakurze Laserpulse. Auf Grund dessen, erforschen wir im Rahmen dieser Dissertation das Potential SESAM-modengekoppelter Scheibenlasern für die Erzeugung kurzer Pulsdauern < 200 fs.
Die bahnbrechende Erfindung sättigbarer Halbleiterabsorberspiegel (SESAMs) vor fast zwanzig Jahren war ein wesentlicher Meilenstein in der
Entwicklung ultraschneller Lasersysteme. Um das gesamte Potential dieser Technologie ausschöpfen zu können, analysieren wir die Auswirkung
von Spiegelbeschichtungen auf die Sättigungseigenschaften und die Zerstörschwelle antiresonanter Quantentröge (QW) SESAMs. Wir untersuchen des Weiteren den Einfluss der Spiegelbeschichtungen auf die Relaxationszeit einer Reihe von SESAMs, deren identische Absorberstrukturen
bei verschiedenen tiefen Temperaturen gewachsen worden sind. Basierend
auf richtungsweisenden Experimenten an substrat-entfernten SESAMs,
können wir erste Abschätzungen der vielversprechenden Möglichkeiten
dieser Absorbereinheiten mit verbesserter Wärmeabfuhr und Oberflächenebenheit geben. Die Untersuchungen ermöglichen uns abschliessend, klare Vorgaben zum Wachstum und der Bearbeitung von SESAMs mit hoher
Zerstörschwelle zu geben, die bestens geeignet sind für den Einsatz in
Laserkavitäten mit hohen Pulsenergien.
Wir wenden unsere Richtlinien an SESAMs mit ultraschnellen Relaxationszeiten an, die in einer Reihe von Experimenten verantwortlich sind für
die Erzeugung und Stabilisierung von ultrakurzen Pulsen. Kurze Pulsdauern verlangen ein breitbandiges Verstärkungsspektrum. In dieser Hinsicht
übertreffen Yb-dotierte Sesquioxide den standardmässig eingesetzten Laserkristall Yb:YAG, da dieser nur ein schmalbandiges Emissionsspektrum
besitzt. In einem ersten Schritt erforschen wir den reinen Sesquioxidkristals Yb:LuO und erzielen eine Durchschnittsleistung von 7 W mit einer
Pulsdauer von 142 fs. Wir messen zusätzlich die Frequenz des TrägerEinhüllenden-Phasenversatzes (CEO) der Pulse. In einem zweiten Schritt
skalieren wir die Leistung des Yb:LuO-Scheibenlasers auf 25 W mit einer
Pulsdauer von 185 fs. Darüber hinaus entwickeln wir Scheibenlaser, die
auf den Yb-dotierten Mischkristallen LuScO und ScYLO basieren. Diese
Verstärkermaterialien ermöglichen uns die Erzeugung von kurzen Laserxxii
pulsen (96 fs und 101 fs) mit einer mittleren Leistung um 5 W. Ein weiterer
Laserkristall mit einem sehr breiten Emissionsspektrum ist Yb:CALGO.
Mit diesem relativ neuen Lasermaterial bestimmen wir experimentell eine kürzeste Pulsdauer von 49 fs mit einer Durschnittsleistung von 2 W. Die
ultrakurzen Laserpulse ermöglichen uns zudem die erstmalige Phasenstabilisierung der CEO-Frequenz eines SESAM-modengekoppelten Scheibenlasers.
Eine vorteilhafte Alternative zu einem Laserkristall mit breiter spektraler Verstärkung beruht auf der Kombination zweier räumlich getrennter Verstärkungsmaterialien in einem Resonator. Diese Materialien besitzen relativ zu einander spektral verschobene Maxima der Emissionswirkungsquerschnitte. Wir setzen dieses Konzept, das es ermöglicht Lasermaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit aber moderater Emissionsbandbreite zu verwenden, erstmals erfolgreich in der modengekoppelten Scheibenlasertechnologie um. Im modengekoppelten Betrieb verbinden sich
die zwei Emissionsspektren von Yb:LuO and Yb:ScO zu einem einzelnen
Verstärkungsspektrum, das eine Pulsdauer von 103 fs mit einer mittleren
Leistung von 1.4 W, und eine Pulsdauer von 124 fs mit einer höheren Leistung von 8.6 W erzeugt.
Entscheidend für die Weiterentwicklung ultraschneller Laseroszillatoren ist die Optimierung von SESAM-Kontaktierungsmethoden, die das
Wärmeabfuhrvermögen und die Ebenheit der Absorbereinheit verbessern.
Des Weiteren sind laufend Fortschritte im Wachstum grossflächiger, einkristalliner Scheibenmaterialien mit hoher optischer Qualität zu verzeichnen.
Wir sind deshalb zuversichtlich, dass die heutigen Durchschnittsleistungen (275 W) und Pulsenergien (80 µJ) von modengekoppelten Scheibenlasern in Zukunft auch mit kurzen Pulsdauern (< 200fs) erhältlich sein
werden.
xxiii

Download Report