PROGETTAZIONE E CARATTERIZZAZIONE DI UN AMPLIFICATORE GAIN-MANAGED IN FIBRA AL FEMTOSECONDO, INNIETTATO CON UN OSCILLATORE LASER Yb:KYW A STATO SOLIDO

Ultrafast laser sources are essential tools in a wide range of scientific and industrial applications, including precision material processing, nonlinear microscopy, spectroscopy, and frequency metrology. Since mode-locked oscillators alone typically provide only low pulse energies, optical amplification is required to reach the performance needed for practical use. Amplifying femtosecond pulses is challenging, however, since increasing the pulse energy while preserving a short duration rapidly leads to detrimental nonlinear effects and potential optical damage. Gain-managed nonlinear amplification (GMNA) is a comparatively recent strategy for ytterbium-doped fiber amplifiers that embraces, rather than avoids, these nonlinear effects, enabling significant pulse energy scaling directly from a fiber amplifier without a dedicated pulse stretcher. This thesis presents the design, realization, and experimental characterization of a hybrid laser source combining a bulk solid-state oscillator with a fiber-based GMNA amplifier stage. A femtosecond SESAM mode-locked Yb:KYW oscillator was designed and built, delivering pulses of 367 femtoseconds at a 60 MHz repetition rate, nearly at the transform limit. This oscillator served as the seed source for a free-space-coupled GMNA fiber amplifier, which was implemented, aligned, and characterized, reaching an average output power of several watts with spectral broadening up to about 70 nanometers and compression down to below 40 femtoseconds using a double-pass grating compressor. A dedicated experimental investigation was carried out on the role of the seed spectral bandwidth in determining the quality of the compressed pulses, showing that a narrow-band, soliton-limited seed provides the best compressed pulse quality, even though the final pulse duration converges to similar values regardless of the seed bandwidth at high pump power. These results confirm that a simple, low-power bulk oscillator can be effectively combined with a GMNA fiber amplifier to realize a compact, high-power, ultrashort-pulse source. Future work was aimed at scaling the pulse energy further and at employing this source to pump a synchronously pumped optical parametric oscillator.

Le sorgenti laser a impulsi ultracorti sono strumenti essenziali in numerose applicazioni scientifiche e industriali, tra cui la lavorazione di precisione dei materiali, la microscopia non lineare, la spettroscopia e la metrologia delle frequenze. Poiché gli oscillatori mode-locked forniscono tipicamente solo energie di impulso ridotte, è necessaria un'amplificazione ottica per raggiungere le prestazioni richieste dalle applicazioni pratiche. Amplificare impulsi femtosecondo è tuttavia complesso, poiché aumentare l'energia dell'impulso mantenendone breve la durata porta rapidamente a effetti non lineari dannosi e a possibili danneggiamenti ottici. L'amplificazione non lineare a guadagno gestito (GMNA) è una strategia relativamente recente per amplificatori in fibra drogata all'itterbio che sfrutta, anziché evitare, questi effetti non lineari, consentendo una significativa scalabilità dell'energia dell'impulso direttamente da un amplificatore in fibra, senza la necessità di uno stadio dedicato di allungamento temporale dell'impulso. Questa tesi presenta la progettazione, la realizzazione e la caratterizzazione sperimentale di una sorgente laser ibrida che combina un oscillatore bulk a stato solido con uno stadio amplificatore in fibra basato sulla tecnica GMNA. È stato progettato e realizzato un oscillatore femtosecondo Yb:KYW mode-locked tramite SESAM, in grado di generare impulsi di 367 femtosecondi con una frequenza di ripetizione di 60 MHz, prossimi al limite di Fourier. Questo oscillatore è stato impiegato come sorgente di seed per un amplificatore GMNA in fibra con accoppiamento in aria, che è stato realizzato, allineato e caratterizzato, raggiungendo una potenza media in uscita di alcuni watt con un allargamento spettrale fino a circa 70 nanometri, e una compressione degli impulsi al di sotto dei 40 femtosecondi tramite un compressore a reticoli in doppio passaggio. È stata condotta un'indagine sperimentale dedicata al ruolo della larghezza di banda spettrale del seed nel determinare la qualità degli impulsi compressi, mostrando che un seed a banda stretta e limitato dal regime solitonico fornisce la migliore qualità dell'impulso compresso, sebbene la durata finale dell'impulso converga verso valori simili indipendentemente dalla larghezza di banda del seed alle potenze di pompa più elevate. Questi risultati confermano che un semplice oscillatore bulk a bassa potenza può essere efficacemente combinato con un amplificatore in fibra GMNA per realizzare una sorgente compatta, ad alta potenza e a impulsi ultracorti, con sviluppi futuri orientati a un'ulteriore scalabilità dell'energia dell'impulso e all'impiego di questa sorgente per pompare un oscillatore parametrico ottico sincrono.