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Südmeyer, Thomas
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Südmeyer, Thomas
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thomas.sudmeyer@unine.ch
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- PublicationAccès libreCompact ultrafast frequency combs(2018)
; Les peignes de fréquences optiques fournissent un lien direct et cohérent entre les domaines optiques (fréquence de quelques centaines de THz) et micro-ondes (fréquence dans les MHz ou GHz) du spectre électromagnétique. Ils constituent un outil unique et puissant pour de nombreuses applications telles que la spectroscopie moléculaire à haute-résolution et à large spectre, la métrologie optique, l'astrophysique, les horloges atomiques, la physique fondamentale et de nombreux autres domaines de recherche. Les peignes de fréquence avec un haut taux de répétition sont d'un intérêt particulier pour les applications pouvant bénéficier d'une puissance modale élevée et d'une faible densité de modes, qui facilite la sélection et le filtrage des modes individuels et augmente le rapport signal sur bruit dans des mesures sensibles.
Les lasers à verrouillage de mode à corps solide pompés par diode représentent une approche avantageuse pour la réalisation de peignes de fréquence de haute puissance et à taux de répétition élevé. Dans cette thèse, un peigne avec un taux de répétition de 1 GHz a été développé à partir d'un laser à verrouillage de mode émettant à une longueur d'onde de 1 μm. Le laser émet plus de 2 W de puissance moyenne dans des impulsions inférieures à 100 fs. Ce laser représente une étape importante vers la réalisation de peignes de fréquence compacts et économiquement avantageux puisqu'il est pompé par une diode laser multimode de bas coût. Le spectre du laser a été entièrement stabilisé par le verrouillage en phase simultané du taux de répétition sur une référence radiofréquence (RF) à l'aide d'un élément piézo-électrique contrôlant la longueur de la cavité, et du décalage de fréquence entre porteuse et enveloppe (carrier-envelope offset - CEO - en anglais) par la méthode traditionnelle de rétroaction sur le courant de la diode de pompe. Cela a été réalisé à l'aide d'une électronique de modulation spécifiquement développée pour atteindre une haute bande passante de modulation qui est requise pour réduire le bruit généralement élevé du battement CEO dans les lasers à haut taux de répétition. Une analyse détaillée des propriétés de bruit du peigne est présentée, qui a permis d'identifier les sources de bruit dominantes et de réduire leur impact. Ainsi, la limitation apparaissant à basses fréquences de Fourier dans le bruit de fréquence d'une raie optique, qui provient du plancher de bruit de la référence RF utilisée dans la stabilisation du taux de répétition, a été repoussée en stabilisant une raie optique du peigne sur une référence optique. La référence optique est un laser ultrastable avec une largeur de raie de quelques hertz. Ainsi, un peigne de fréquence avec un taux de répétition de 1 GHz, une puissance moyenne de 2.1 W et une largeur des raies optiques d'environ 150 kHz a été démontré. La méthode traditionnelle de stabilisation du battement CEO par rétroaction sur le courant de la diode de pompe est limitée en termes de bande passante par la dynamique de la cavité laser. Cela constitue une limitation majeure dans les peignes de fréquence à haut taux de répétition. Pour repousser cette limite, la première stabilisation du battement CEO dans un peigne de fréquence avec un taux de répétition dans la gamme du GHz par modulation opto-optique (OOM) d'un miroir saturable est présentée dans cette thèse. Avec cette méthode, la bande passante de stabilisation du laser Yb:CALGO a été augmentée d'un facteur 2 par rapport à l'approche traditionnelle utilisant une modulation du gain.
Une autre technologie attractive pour la réalisation de peignes de fréquence GHz sont les lasers à guide d'onde. Comme premier pas dans cette direction, des lasers à guide d'onde dopés à l'ytterbium ont été étudiés en régime d'émission continue et en mode déclenché (Q-switched). Les lasers à guide d'onde constituent l'une des technologies les plus prometteuses pour la réalisation de lasers impulsionnels intégrés. Un laser à guide d'onde Yb:YAG de haute efficacité est démontré dans ce travail, délivrant des impulsions en mode déclenché avec une énergie de plusieurs μJ par impulsion et une puissance moyenne de 5.6 W. Ces performances ont été rendues possibles par les récents progrès réalisés dans les techniques de gravure de guides d'onde par lasers femtosecondes développées à l'université de Hambourg et dans la croissance de miroirs saturables à semiconducteurs à l'ETH Zürich. Les lasers développés constituent une source attractive pour de nombreuses applications telles que pour des processus non-linéaires, des lidars, ou pour le micro-usinage., Optical frequency combs provide a direct and phase-coherent link between the optical spectral region of the electromagnetic spectrum (i.e., hundreds of THz frequencies) and the radio-frequency domain (MHz-GHz frequencies). As a result, they constitute a unique and powerful tool for various applications such as broadband high-resolution molecular spectroscopy, optical metrology, astrophysics, optical clocks, fundamental science and many other fields of research. Frequency combs with a high repetition rate are of particular interest for applications that can benefit from a high power per comb mode and a lower spectral density of comb modes, which makes the selection and filtering of a single optical line easier, and increases the signal-to-noise ratio in sensitive measurements.
Modelocked diode-pumped solid-state lasers (DPSSLs) are a perfect solution to generate high-power high repetition rate frequency combs. In this thesis, a 1-GHz comb based on a 1-μm DPSSL has been developed, with multiwatt output power and sub-100 fs pulse durations. This laser is an important step towards the development of compact cost-efficient frequency combs since it is pumped by a low-cost highly multimode pump laser diode. The optical spectrum of the laser has been fully stabilized by phase-locking both the repetition rate frequency to a radio-frequency (RF) reference signal by means of a piezoelectrical transducer controlling the cavity length of the laser, and the carrier envelope offset (CEO) frequency using the traditional method of feedback to the pump current. This was achieved using a home-made high-bandwidth current modulator for fast control of the pump power, as CEO stabilization is particularly challenging in high-repetition rate combs and requires a large stabilization bandwidth to compensate for the generally larger CEO frequency noise.
A detailed study of the noise properties of the comb is presented, enabling the identification of the dominant noise sources and their subsequent partial reduction. For instance, the limitation in the frequency noise of the comb lines arising at low Fourier frequencies from the noise floor of the RF reference signal used in the repetition rate stabilization was circumvented by locking a comb line to an optical reference, namely an ultra-stable Hz-level continuous-wave laser. As a result, a GHz frequency comb with ~150-kHz comb mode linewidth was obtained with 2.1 W of average output power from the oscillator. The standard CEO stabilization method by feedback to the pump power is typically limited in bandwidth by the laser cavity dynamics, becoming a significant limiting factor in high-repetition rate combs. To overcome this limitation, the first opto-optical modulation (OOM) of a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) in a GHz DPSSL comb is reported in this thesis. With this SESAM-OOM, the stabilization bandwidth of the Yb:CALGO DPSSL was twice as large than the traditional gain modulation.
Another highly promising technology for GHz combs are waveguide lasers. As a first step towards such systems, Yb-doped waveguide lasers have been studied in CW and Q-switched operations. Waveguide lasers are one of the most attractive systems for fully integrated chip-based pulsed lasers. A highly-efficient Yb:YAG channel waveguide laser was demonstrated in this work, which can deliver Q-switched pulses with μJ pulse energies and an output power of up to 5.6 W. This achievement was made possible by recent progresses in fs-laser-written waveguide fabrication at Hamburg University and SESAM growth techniques at ETH Zurich with advanced structural designs. These lasers are very promising systems for various applications such as a seed source for nonlinear processes, Lidar systems, and micro-machining. - PublicationAccès libreSemiconductor disk laser-based frequency combs(2018)
; Cette thèse présente une étude des premiers peignes de fréquences auto-référencés basés sur des lasers à disques semi-conducteurs (SDLs) à modes verrouillés en phase.
L’avènement des peignes de fréquences stabilisés basés sur des lasers à impulsions ultra-courtes a permis une avancée significative et de nombreuses applications dans divers domaines de la physique, de la spectroscopie et de la métrologie. Les peignes de fréquences optiques peuvent être utilisés comme une règle de mesure dans le domaine des fréquences fournissant un lien direct et cohérent entre les fréquences optiques et micro-ondes. Bien que les peignes de fréquences optiques aient révolutionné de nombreux domaines scientifiques, ils n'ont pas encore pénétré les marchés à grande échelle. Pour cela, les sources laser doivent être améliorées, en ciblant une haute fiabilité tout en gardant la source compacte et économiquement attractive.
Les SDLs à impulsions ultra-courtes, également appelés lasers à cavité verticale externe à émission de surface ou VECSELs (de l’anglais vertical external-cavity surface-emitting lasers), constituent une source laser très prometteuse à cet égard de par la technologie des semi-conducteurs qui permet une production de masse à faible coût. Ils rendent possibles des configurations de lasers très compactes et présentent une grande flexibilité dans leur longueur d'onde d’émission grâce à l'ingénierie de bandes. En outre, ils ne souffrent pas d'instabilités de mode déclenché (Q-switching) et un fonctionnement stable en verrouillage de mode a été démontré à des taux de répétition allant de 100 MHz à 100 GHz. Les peignes de fréquences à taux de répétition élevés ont une puissance accrue par mode, ce qui est bénéfique pour des applications telles que l'astronomie ou la génération de signaux micro-ondes à faible bruit.
La stabilisation des deux degrés de liberté du laser à verrouillage de mode, la fréquence de répétition et la fréquence du décalage de phase entre la porteuse et l'enveloppe (carrier-envelope offset en anglais, CEO) est nécessaire pour la plupart des applications. Cependant, la détection de la fréquence CEO est difficile et aucune stabilisation n'avait été obtenue auparavant pour un laser à semi-conducteur à impulsions ultra-courtes. La détection de la fréquence CEO est généralement effectuée à l'aide d'une méthode d'auto-référencement qui nécessite un spectre cohérent couvrant une octave de fréquence. Ce dernier peut être généré en utilisant des fibres optiques hautement non linéaires telles que des fibres à cristaux photoniques (photonic crystal fibers en anglais, PCFs). Afin de maintenir la cohérence durant le processus d'élargissement spectral, des impulsions ultra-courtes dans le domaine des femtosecondes (typiquement <200 fs) avec une puissance de crête de l’ordre du kilowatt sont nécessaires. Cependant, même si des puissances maximales allant jusqu'à 6.3 kW et des durées d'impulsion allant jusqu'à 96 fs ont été démontrées pour des SDLs, la combinaison des deux n'a pas encore été atteinte. Par conséquent, la génération d’un spectre d'une octave utilisant une PCF directement à partir de la sortie du laser n'a pas pu être démontrée jusqu'à présent et des étapes supplémentaires d'amplification et de compression des impulsions sont nécessaires.
Dans ce travail, un amplificateur à fibre a été développé permettant la première démonstration de stabilisation de la fréquence CEO d'un SDL à impulsions ultra-courtes. Les impulsions amplifiées ont été comprimées temporellement et couplées dans une PCF pour la génération cohérente d’un spectre supercontinuum couvrant une octave. Une technique d'auto-référencement permet la détection et la stabilisation de la fréquence CEO via une modulation de la puissance de la diode de pompe du laser. Ce résultat démontre la faisabilité d'un peigne de fréquences basé sur la technologie SDL et constitue une étape importante dans le développement des peignes de fréquences compacts.
Finalement, une conversion de longueur d'onde à l’aide d’un oscillateur paramétrique optique a été étudiée, permettant de surmonter les limites actuelles de la longueur d'onde d'émission atteignable avec des SDL à impulsions ultra-courtes. L'émission dans l'infrarouge moyen est très intéressante car un grand nombre de molécules ont de fortes transitions rotationnelles-vibrationnelles dans cette gamme spectrale et le développement de peignes de fréquences dans l'infrarouge moyen permet l’accès à des méthodes de détection de spectroscopie moléculaire simples, rapides et très sensibles., This thesis studies the first self-referenced frequency combs based on modelocked semiconductor disk lasers (SDLs).
The generation of stabilized frequency combs based on ultrafast lasers has been a significant breakthrough for many applications in various fields of physics, spectroscopy and metrology. Optical frequency combs can serve as a frequency ruler that provides a direct and phase-coherent link between optical and microwave frequencies. Despite the fact that optical frequency combs revolutionized numerous scientific areas, so far, they have not entered large-scale markets. For this, comb laser sources have to be improved, targeting high reliability, while keeping the source compact and cost-efficient.
Ultrafast SDLs, also referred to as vertical external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs), are a very promising technology for this purpose as they are based on the semiconductor technology, allowing for low-cost wafer-scale mass-production. They enable very compact laser setups and have large emission wavelengths flexibility inherited from the band-gap engineering. In addition, they do not suffer from Q-switching instabilities and stable fundamental modelocking was demonstrated at repetition rates ranging from 100 MHz to 100 GHz. High repetition rate frequency combs have an increased power per comb line that is beneficial for applications such as astronomy or low-noise microwave generation.
The stabilization of the two degrees of freedom of the modelocked laser, the repetition frequency and the carrier-envelope offset (CEO) frequency is required for most comb applications. However, the detection of the CEO frequency is challenging and no stabilization was achieved before for any ultrafast semiconductor laser. The CEO detection is usually done using a self-referencing scheme that requires a coherent octave-spanning spectrum, which can be generated using highly nonlinear fibers such as photonic crystal fibers (PCFs). In order to maintain the coherence in the spectral broadening process, ultrashort femtosecond pulses (typically <200 fs) with kilowatt peak power are required. However, even though peak powers up to 6.3 kW and pulse durations down to 96 fs have been demonstrated in SDLs, the combination of both has still not been reached. Therefore, the octave-spanning spectrum generation in a PCF directly from the output of the laser could not be demonstrated until now and additional amplification and compression stages are necessary.
In this work, an efficient fiber amplifier has been developed, which led to the first demonstration of the CEO frequency stabilization of an ultrafast SDL. The amplified pulses were temporally compressed and sent to a commercially available PCF for the coherent octave-spanning supercontinuum spectrum generation. A self-referencing scheme enabled the CEO detection and stabilization via a modulation of the pump power. This result demonstrates the feasibility of a frequency comb based on the SDL technology and constitutes an important step in the further development of compact frequency combs.
Finally, wavelength conversion in an optical parametric oscillator is studied to overcome the current limitations in the emission wavelength of ultrafast SDLs. Emission in the mid-infrared is highly attractive since a large number of molecules have strong rotational-vibrational transitions in this spectral range and the development of mid-infrared frequency combs enables simple, fast and highly sensitive molecular spectroscopy sensing methods. - PublicationAccès libreNovel laser sources for metrology and spectroscopy(2017)
La première partie de ce travail est consacrée à un peigne de fréquences optique généré par un laser titane:saphir. Les solutions habituelles de pompage dans le bleu-vert pour les lasers titane:saphir sont volumineuses, coûteuses, peu efficaces et contraignantes en termes de maintenance. De plus, leur puissance optique ne peut généralement pas être directement modulée, ce qui empêche de mettre en œuvre la méthode la plus simple pour l'auto-référencement d'un peigne, c'est-à-dire la stabilisation du décalage de phase entre la porteuse et l'enveloppe des impulsions (carrier-envelope offset en anglais, CEO). Dans cette thèse, l'utilisation de nouvelles diodes lasers émettant dans le vert comme sources de pompage est démontrée. Ce travail a donné lieu à des rendements optiques records pour les lasers titane:saphir pompés par diode. Un rendement de plus de 20% a ainsi été obtenu en régime continu avec une puissance de sortie de 650 mW, et supérieur à 15% en fonctionnement en verrouillage de mode, avec une puissance optique moyenne de 450 mW. Les diodes de pompe vertes présentent de moins bonnes caractéristiques spectrales et spatiales par rapport aux autres sources de pompage utilisées habituellement dans les peignes de fréquence titane:saphir. Dans ce travail, ce défi a pu être surmonté, menant à la première détection et stabilisation de la fréquence CEO d'un laser titane:saphir pompé par diode. Ce travail démontre le haut potentiel du pompage direct par diodes qui peut mener à une nouvelle génération de lasers titane:saphir économiques et compacts.
Dans la deuxième partie de ce travail, une nouvelle méthode de stabilisation est démontrée pour les peignes de fréquence générés par des lasers à fibre. De nos jours, les lasers à fibre représentent la majorité des peignes de fréquence commerciaux, car ils sont compacts, faciles à utiliser et polyvalents. Cependant, la méthode traditionnelle de stabilisation de la fréquence CEO par modulation du laser de pompe est fortement limitée dans sa bande passante par la longue durée de vie de l’état excité du gain. Par conséquent, des modulateurs supplémentaires sont nécessaires pour réaliser des peignes à faible bruit. Ici, la première stabilisation de la fréquence CEO d'un laser à fibre est démontrée par modulation opto-optique d'un composant semiconducteur. Par rapport à la modulation standard du courant du laser de pompe, la bande passante de modulation est améliorée d'un facteur supérieur à 60, ce qui permet d'atteindre un régime à bas bruit pour les peignes de fréquence basés sur des lasers à fibre.
Dans l'étude finale de cette thèse, une nouvelle génération de QCLs est évaluée, qui présente des propriétés d'accordabilité en fréquence améliorées. Les mécanismes existants de balayage en longueur d'onde utilisent d'une part la température du laser et d'autre part le courant d'injection. Le réglage par la température est lent, tandis que celui par le courant d'injection influence aussi la puissance optique du laser. Ici les propriétés d'accord de fréquence et de modulation d'un QCL par l’intermédiaire d'un élément résistif intégré à proximité de la zone active du laser sont étudiées. Ce nouvel élément permet un contrôle rapide de la fréquence du laser avec des effets minimaux sur sa puissance de sortie. Dans une expérience de spectroscopie simple, le bénéfice de ce nouvel actuateur est démontré. Abstract: Lasers have revolutionized the photonics field as a coherent intense light source, capable of performing many tasks. They are widely used in industrial and medical applications, as well as for scientific research. Two important areas of applications are frequency metrology and spectroscopy. Quantum cascade lasers (QCL) cover a wide spectral region in the mid-infrared where most molecules exhibit strong characteristic absorption lines, the so-called molecular fingerprint. QCLs are highly suited for precise molecular spectroscopy, but in their standard configuration, their tuning range is limited. Better frequency tuning mechanisms are required, which can improve many applications. Frequency combs from mode-locked lasers cover a large optical bandwidth and are proven to be ideal tools for frequency metrology. However, many commonly used comb sources have strong drawbacks, in particular with respect to complexity, cost and size. This thesis presents novel directions to improve both QCLs and frequency combs for spectroscopy and metrology.
In the first part of this work, I focus on simple frequency combs generated by Ti:Sapphire lasers. The standard blue-green pumping solutions for Ti:Sapphire lasers are bulky, expensive, have low efficiency, and require a high degree of maintance. Moreover, they usually lack direct power modulation, which is an advantage for simple implementation of carrier-envelope offset (CEO) stabilization. In this thesis, I investigated the suitability of newly-emerged green laser diodes as pump sources. This work resulted in record-high optical-to-optical efficiencies for diode-pumped Ti:Sapphire lasers. More than 20% with 650 mW of output power for continuous wave, and 15% with 450 mW of output power for mode-locked operation of the laser have been obtained. Green pump diodes exhibit poor spectral and spatial properties compared to other previously used pump sources for Ti:Sapphire frequency combs. In this work, I showed that this challenge can be overcome and demonstrated the first CEO frequency detection and stabilization of a diode-pumped mode-locked Ti:Sapphire laser. Our work indicates the high potential of direct diode-pumping, and might lead to a new generation of cost-efficient and compact Ti:Sapphire lasers.
In the second part of this work, I investigate a novel comb stabilization method for fiber lasers. Today, fiber lasers constitute the majority of commercial frequency combs, because they are compact, easy-to-use and versatile. However, the traditional method of pump modulation is severely limited in feedback bandwidth due to the long gain lifetime, and low-noise sources require additional modulators. Here I demonstrate the first CEO frequency stabilization of an ultrafast fiber laser using opto-optical modulation of a semiconductor chip. Compared to standard pump modulation, the modulation bandwidth is improved by at least a factor of 60, enabling low-noise operation of the fiber laser frequency comb.
In the final study of this thesis, I evaluate a new generation of QCLs with improved frequency tuning properties. Existing frequency tuning mechanisms involve laser mount temperature and laser injection current tuning. Temperature tuning suffers from lack of speed and injection current tuning affects the optical output power due to the cross-talk. Here, I study the frequency tuning and modulation properties of a QCL with an integrated resistive heater placed in close proximity to the active region of the laser. This new heater enables fast actuation of the laser frequency with minimal effects on the laser output power. In a simple spectroscopy experiment, I clearly show that this new technique is a highly promising frequency actuator.