Single crystal fibers (SCFs) grown by the micro-pulling down (μ-PD) method are long and thin crystal rods of mono-crystalline material with a low doping concentration, adequate for a gradual absorption of the pump. This type of active medium is an interesting solution for the power scaling of solid-state lasers, as it provides good thermal management, thanks to its long absorption length and high surface-to-volume ratio. The μ-PD technique is cheap, fast and highly reliable for what concerns the crystal quality and allows to directly obtain thin and long SCFs without complex and expensive additional processing. In this thesis project, amplification tests are reported on the 42-mm-long, 2%at.-doped Yb:LLF SCF rod grown by μ-PD technique in the laboratories of the Physics Department of the University of Pisa, employed as a high-power diode-pumped multi-pass amplifier. In high-power applications, ytterbium-doped gain mediums are very interesting, due to their low quantum defect, and in particular the fluoride crystals are of interest for their weak and negative thermo-optic coefficient, and their low phonon energy, which prevents undesired effects like excited-state absorption (ESA). Normally, the materials grown by the μ-PD technique are isotropic - an example is the YAG crystal. Conversely, for Yb:LLF the active material is birefringent (the LLF crystal is uniaxial). This important novelty potentially paves the way to the development of single crystal fibers for applications with high-power and high-polarization maintenance requirements. The Yb:LLF rod was employed as a four-pass amplifier for a laser in Q-switching regime based on a 5.2-mm-long, 10% at.-doped Yb:YLF crystal and a 1.4-mm-long Cr:YAG saturable absorber, in a master oscillator power amplifier (MOPA) configuration. The injector generates pulses with a duration of about 100 ns, and an energy of about 180 μJ at the maximum repetition frequency of ∼ 5 kHz, with high spatial quality (M2<1.2). We obtained a maximum output power of 5.5 W at an absorbed pump power of 80 W injecting the single crystal fiber sample with 0.670 W at the wavelength of 1020 nm. The corresponding energy per pulse after amplification is greater than 1 mJ and the peak power is in the order of 10 kW. The excellent thermo-optical properties of the single crystal fiber allowed to best preserve the spatial quality of the beam during the multi-pass amplification. The experimental results obtained for both the injection nanosecond oscillator and the multi-pass amplification, were analyzed and interpreted by means of specific models with interesting new elements. Part of this thesis has led to the writing of an article recently accepted for publication in the international journal Journal of Optical Society of America B, published by OSA, the OpticalSociety of America.
Progetto e caratterizzazione di un amplificatore multi-passo al nanosecondo basato su una fibra a singolo cristallo di Yb:LuLiF4. Le fibre a cristallo singolo (SCFs), cresciute con il metodo micro-pulling down (μ-PD), sono barre di cristallo lunghe e sottili di materiale monocristallino con una bassa concentrazione di drogaggio, adeguata ad un assorbimento graduale della pompa. Questa tipologia di mezzo attivo rappresenta una soluzione interessante per scalare in potenza i laser a stato solido in quanto è in grado di fornire una buona gestione termica grazie alla grande lunghezza di assorbimento e all'elevato rapporto superficie-volume. La tecnica del μ-PD è economica, veloce e altamente affidabile per quanto riguarda la qualità del cristallo e consente di ottenere direttamente le sottili e lunghe SCFs senza complesse e costose lavorazioni aggiuntive. In questo progetto di tesi sono riportati i test di amplificazione sulla barra di fibra a cristallo singolo di Yb:LuLiF4 (Yb:LLF), lunga 42 mm e drogata al 2%, cresciuta con la tecnica μ-PD presso i laboratori del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa e impiegata come amplificatore multi-passo ad elevata potenza pompato a diodi. Nelle applicazioni ad elevata potenza, i mezzi di guadagno drogati ad itterbio sono molto interessanti per il loro basso difetto quantico, ed in particolare i cristalli fluorurati sono interessanti per il coefficiente termo-ottico debole e negativo e per la bassa energia fononica che impedisce effetti indesiderati come l’excited-state absorption (ESA). Normalmente, i materiali che vengono cresciuti con la tecnica del μ-PD sono isotropi, come per esempio il cristallo di YAG. Nel caso di Yb:LLF, invece, il materiale attivo è birifrangente (il cristallo di LLF è uniassico). Questo importante elemento di novità apre potenzialmente la strada allo sviluppo di fibre a singolo cristallo per applicazioni in alta potenza ad elevato mantenimento di polarizzazione. La barra di Yb:LLF è stata impiegata come amplificatore in quattro passi per un laser in regime di Q-switching passivo basato su un cristallo di Yb:YLF lungo 5.2 mm drogato al 10% e un assorbitore saturabile di Cr:YAG lungo 1.4mm, in una configurazione di amplificatore di potenza dell’oscillatore principale (MOPA). L’iniettore è in grado di generare impulsi di durata paria circa 100 ns, con energia di circa 180 μJ alla frequenza di ripetizione massima di ∼ 5 kHz, con elevata qualità spaziale (M2 < 1.2). In quattro passi di amplificazione, abbiamo ottenuto una massima potenza di uscita pari a 5.5 W per una potenza della pompa assorbita di 80 W, iniettando il campione di fibra al singolo cristallo Yb:LLF con 0.670 W alla lunghezza d’onda di 1020 nm. La corrispondente energia per impulso dopo l’amplificazione è maggiore di 1 mJ e la potenza di picco dell’ordine di 10 kW. Le eccellenti proprietà termo-ottiche della fibra a singolo cristallo hanno consentito di preservare al meglio la qualità spaziale del fascio durante l’amplificazione multi-passo. I risultati sperimentali ottenuti sia per quanto riguarda l’oscillatore al nanosecondo di iniezione, sia per quanto riguarda l’amplificazione multi-passo, sono stati analizzati e interpretati anche grazie all'utilizzo di appositi modelli con interessanti elementi di novità. Parte di questo lavoro di tesi ha portato alla stesura di un articolo accettato per la pubblicazione nella rivista internazionale Journal of Optical Society of America B, edita da OSA, Optical Society of America.
Design and characterization of a nanosecond, multi-pass, Yb:LuLiF4 Single Crystal Fiber amplifier
PIZZURRO, SARA
2018/2019
Abstract
Single crystal fibers (SCFs) grown by the micro-pulling down (μ-PD) method are long and thin crystal rods of mono-crystalline material with a low doping concentration, adequate for a gradual absorption of the pump. This type of active medium is an interesting solution for the power scaling of solid-state lasers, as it provides good thermal management, thanks to its long absorption length and high surface-to-volume ratio. The μ-PD technique is cheap, fast and highly reliable for what concerns the crystal quality and allows to directly obtain thin and long SCFs without complex and expensive additional processing. In this thesis project, amplification tests are reported on the 42-mm-long, 2%at.-doped Yb:LLF SCF rod grown by μ-PD technique in the laboratories of the Physics Department of the University of Pisa, employed as a high-power diode-pumped multi-pass amplifier. In high-power applications, ytterbium-doped gain mediums are very interesting, due to their low quantum defect, and in particular the fluoride crystals are of interest for their weak and negative thermo-optic coefficient, and their low phonon energy, which prevents undesired effects like excited-state absorption (ESA). Normally, the materials grown by the μ-PD technique are isotropic - an example is the YAG crystal. Conversely, for Yb:LLF the active material is birefringent (the LLF crystal is uniaxial). This important novelty potentially paves the way to the development of single crystal fibers for applications with high-power and high-polarization maintenance requirements. The Yb:LLF rod was employed as a four-pass amplifier for a laser in Q-switching regime based on a 5.2-mm-long, 10% at.-doped Yb:YLF crystal and a 1.4-mm-long Cr:YAG saturable absorber, in a master oscillator power amplifier (MOPA) configuration. The injector generates pulses with a duration of about 100 ns, and an energy of about 180 μJ at the maximum repetition frequency of ∼ 5 kHz, with high spatial quality (M2<1.2). We obtained a maximum output power of 5.5 W at an absorbed pump power of 80 W injecting the single crystal fiber sample with 0.670 W at the wavelength of 1020 nm. The corresponding energy per pulse after amplification is greater than 1 mJ and the peak power is in the order of 10 kW. The excellent thermo-optical properties of the single crystal fiber allowed to best preserve the spatial quality of the beam during the multi-pass amplification. The experimental results obtained for both the injection nanosecond oscillator and the multi-pass amplification, were analyzed and interpreted by means of specific models with interesting new elements. Part of this thesis has led to the writing of an article recently accepted for publication in the international journal Journal of Optical Society of America B, published by OSA, the OpticalSociety of America.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/21714