Design of a Mamyshev oscillator based on double-clad large mode area fiber and seeded by a microchip laser

In this thesis, the realization of a Mamyshev oscillator is presented. It is a device able to generate ultrashort pulses and it is based on pulse spectral broadening induced by Self-phase modulation and on two non-overlapped spectral filters. This work is part of the research activity of the Laser Source laboratory of the University of Pavia, where recently, a first prototype of mode-locked laser operating with this principle has been realized. The solution previously proposed was based on single-mode, polarization-maintaining (PM) fibers and on a low-power (~ 400 mW) single-mode pump laser diode, allowing to obtain a maximum value of pulse energy equal to ~ 5 nJ and which can be compressed down to a minimum pulse duration of ~ 100 fs. To start the Mamyshev oscillator, we injected into the cavity the pulses emitted by a passively Qswitched microchip laser which are in the order of hundreds of ps. In the experimental activity here described, the aims are to demonstrate that such starting technique works also in an architecture based on dual-clad, large-mode-area (LMA) fibers and, moreover, to improve the oscillator performance in order to obtain values for the pulse energies and for the average power ideally larger of a factor ten than the one obtained in the first prototype. To improve the performance, double-clad fibers allowed the use of a more powerful multi-mode pump laser diode providing ~ 5 W of pump power to the active fiber. To start the oscillation, we exploited the ~ 500 ps pulses at 1064 nm emitted by a PQS microchip laser (Bright Solutions Srl). Before injecting them into the Mamyshev cavity, the spectral broadening induced by the nonlinear Four-wave mixing effect (FWM) has been exploited inside a passive PM fiber: this was necessary in order to have pulses enough spectrally broadened in such a way that they can be repeatedly transmitted by both filters. For the spectral filtering we investigated two different solutions: the first one realized with a super-gaussian filter and a gaussian filter, the second one realized with a super-gaussian filter and a reflective diffraction grating employed as a spectral filter. With both setups the mode-locking regime was established, and in the best case we obtained ~ 300 mW of average power and ~ 20 nJ of pulse energy: this corresponds to a performance improving, even if not of the desired amount. The performance improving of the oscillator will be the subject of the future activities where, some components realized in the laboratory could be substituted with the commercial ones, and different architectures of the cavity, like the ringcavity, can be investigated.

Progetto di un oscillatore Mamyshev in fibra double-clad a larga area e innescato da un laser a microchip. In questa tesi, si presenta la realizzazione di un oscillatore di Mamyshev, ovvero, un generatore di impulsi ultracorti il cui principio di funzionamento è basato sull'allargamento spettrale, indotto dall'auto-modulazione di fase, e sul filtraggio spettrale mediante due filtri passa-banda con finestra di trasmissione non sovrapposta. Questo lavoro rientra nell'attività di ricerca del Laboratorio di Sorgenti Laser dell'Università di Pavia, in cui recentemente, è stato realizzato un primo prototipo di laser in mode-locking funzionante mediante questo principio. Nella soluzione proposta in precedenza, il design era basato sull'utilizzo di fibre singolo-modo a mantenimento di polarizzazione (PM) e di un diodo di pompa a singolo-modo a bassa potenza (~ 400 mW), il che aveva permesso di ottenere degli impulsi con un valore massimo di energia pari a circa 5 nJ e comprimibili fino ad una durata minima di circa 100 fs. Per innescare l'oscillazione nella cavità di Mamyshev, sono stati iniettati in cavità degli impulsi nell'ordine delle centinaia di picosecondi emessi da un laser a microchip in Q-switching passivo. Nell'attività sperimentale qui descritta, gli obiettivi sono quelli di dimostrare che tale tecnica di innesco dell'oscillazione è valida anche in un'architettura con fibre double-clad a larga area e, inoltre, di migliorare la performance dell'oscillatore per ottenere valori di energia per impulso e di potenza media idealmente fino a dieci volte più alti rispetto al primo prototipo. Allo scopo di migliorare le prestazioni, l'utilizzo delle fibre double-clad è funzionale all'impiego di un diodo di pompa multimodale con potenze pari a ~ 5 W per il pompaggio della fibra attiva. Per l'innesco, abbiamo utilizzato un laser a microchip PQS (Bright Solutions Srl) che emette impulsi di durata ~ 500 ps a 1064 nm. Prima di iniettarli nella cavità Mamyshev, tali impulsi sono stati allargati spettralmente sfruttando l'effetto non lineare di Four-Wave mixing (FWM) in una fibra passiva PM: ciò è stato necessario per avere in cavità degli impulsi abbastanza larghi spettralmente, tali da essere ripetutamente trasmessi da entrambi i filtri. Per il filtraggio spettrale abbiamo investigato due diverse soluzioni: la prima realizzata mediante un filtro super-gaussiano e un filtro gaussiano, la seconda mediante un filtro super-gaussiano e un reticolo di diffrazione in riflessione utilizzato come filtro spettrale. Con entrambi i setup abbiamo osservato l'instaurarsi del regime di mode-locking e nel migliore dei casi, abbiamo ottenuto un valore di potenza media pari a ~ 300 mW, corrispondenti a ~ 20 nJ di energia per impulso, il che corrisponde a un miglioramento delle prestazioni, anche se non dell'entità desiderata. Il miglioramento delle prestazioni dell'oscillatore sarà oggetto di attività future, in cui si prevede di sostituire alcuni componenti realizzati in laboratorio con equivalenti componenti commerciali e di investigare architetture alternative per la cavità, come una cavità ad anello.