Orientador: Flavio Caldas da Cruz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T02:45:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nogueira_GiovanaTrevisan_D.pdf: 19393516 bytes, checksum: a3b51900ea17f278fbdc63e608d828d4 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: No final da década de 90, pentes de freqüências ópticas baseados em lasers de Ti:safira de modos travados tornaram-se uma importante ferramenta na área de metrologia. Eles têm sido usados, por exemplo, em medidas diretas de freqüências de várias centenas de THz e em relógios atômicos ópticos. Para a implementação de dois sistemas de pentes de freqüências ópticas, desenvolvemos neste trabalho dois lasers de Ti:safira de femtossegundos de alta taxa de repetição, que usam espelhos de varredura (chirped mirros) no lugar de prismas para compensar a dispersão em velocidade de grupo. Um dos lasers tem taxa de repetição em 770 MHz que pode ser facilmente ajustada entre 750 MHz and 1 GHz. A dispersão total da cavidade é de -60 fs2 , produzindo um espectro centrado em 780 nm com largura a meia altura em torno de 10 nm e pulsos de 150 fs. Este laser teve seu espectro alargado por duas fibra de microestrutura, cobrindo um intervalo de 510 à 1100 nm. O outro laser possui cavidade com taxa de repetição sintonizável entre 1 e 2,12 GHz, e um espectro que se estender de de 585 até 1200 nm a -20 dB abaixo do máximo em 986 nm sem o uso de fibra de microestrutura.A cavidade do laser tem dispersão total próxima de zero, porém com oscilações entre -50 a +100 fs2 entre 700 nm e 900 nm, que foi medida por interferometria de luz branca. Nós mostramos que cerca de 17 % (76 %) da potência intracavidade (de saída) é gerada basicamente por efeitos não lineares em passagem única no cristal de Ti:safira, observada na região verde do espectro e entre 960 nm e 1200 nm, fora da banda da cavidade laser e onde o ganho do cristal de Ti:safira é baixo. Ambos os lasers tiveram suas taxas de repetição medidas e estabilizadas em relação a osciladores estáveis, podendo ser sintonizados em um intervalo de 30 kHz através do oscilador de referência. Construímos interferômetros de Michelson e Mach-Zender para a medida do deslocamento entre onda portadora e envelope do pulso do sistema do laser cujo espectro é ampliado pela fibra. O batimento entre freqüências do pente próximas a 520 nm e o segundo harmônico da parte do espectro em 1040 nm é medido em um fotodetector rápido. Estes sistemas serão inicialmente utilizado em um relógio atômico óptico baseado na transição de intercombinação de átomos de cálcio frios e aprisionados. Entretando, além de aplicações em metrologia de tempo e freqüência, os pentes de freqüências ópticas podem ser ferramentas atrativas para uso em espectroscopia atômica e molecular de precisão e estudos de dinâmicas rápidas que exploram a combinação de alta resolução e cobertura espectral larga fornecidas pelo pente de freqüências / Abstract: Optical frequency combs based on femtosecond Ti:sapphire lasers and introduced at the end of the 90s have revolutionized the optical metrology field. They have allowed ultraprecise optical spectroscopy, by direct measurement of frequencies of several hundred THz, and the development of optical atomic clocks . To implement optical frequency combs, we have to stabilize both the repetition rate and the carrier-to-envelope oÿset frequency of the femtosecond laser. We have developed two versions of optical frequency combs based on high-repetition rate femtosecond Ti:sapphire lasers, which use chirped mirrors instead of prisms for compensating the group velocity dispersion. The combs will be initially used in an optical atomic clock based on the intercombination transition of cold and trapped calcium atoms. One of our fsec Ti:sapphire lasers has a repetition rate that can be easily adjusted between 750 MHz and 1 GHz. The total dispersion of the cavity is -60 fs2 . It produces pulses of 150 fs with a spectrum centered at 780 nm, with a width of 10 nm. The spectrum of this laser has been broadened with a microstructure fiber, and covers an optical octave extending from 520 and 1040 nm. The other fsec Ti:sapphire laser has a repetition rate that can be changed from 1 to 2.12 GHz, and a spectrum that extends from 585 nm to 1200 nm, without use of microstructure fibers. These wavelengths are points in the spectrum at -20 dB below the maximum at 986 nm. The laser cavity has total intracavity dispersion near zero, but with oscillations from -50 to +100 fs2 between 700 to 900 nm, that have been measured by white light interferometry. We showed that 17 % (76 %) of the intracavity (output) power is generated by nonlinear effects in a single pass through the crystal, and with a spectral distribution concentrated between 960 nm and 1200 nm, thus outside the laser cavity bandwidth and where the Ti:sapphire gain is lower. Emission in the green has also been observed, which is also outside the laser cavity bandwidth and the emission gain profile of the Ti:sapphire crystal. The repetition rate of both lasers have been phase-locked to stable microwave oscillators, and could also be frequency tuned in a range of 30 kHz with respect to the reference oscillator. We have built f-2f interferometers to measure the carrier-to-envelope oÿset frequency of the laser whose spectrum is broadened by the microstructure fiber. Comb frequencies near 540 nm are heterodyned in a fast photodetector with the second harmonic of the comb light at 1080 nm. In addition to applications in optical time and frequency metrology, the optical frequency combs should be attractive tools for use in precision atomic and molecular spectroscopy, coherent control which exploits the coherent accumulation effect, and studies of fast time dynamics that take advantage of the combination of the ultra high resolution and broadband spectral coverage provided by the comb / Doutorado / Ótica / Doutor em Ciências

Para a espectroscopia de alta resolução e metrologia óptica em geral, é desejável um laser com linha espectral estável e de alta potência de saída para bombear diferentes tipos de ressonadores, como osciladores paramétricos óticos (OPO Optical Parametric Oscillator). Os lasers de frequência única disponíveis estão no alcance de potência de saída de 10 Watts, enquanto que, dependendo da aplicação e do tipo de OPO, é desejável uma maior potência (> 20 W). Neste trabalho foi desenvolvido um laser de frequência única e alta potência com base em módulos de bombeio por diodos e tendo como meio ativo o granada de alumínio de ítrio dopado com neodímio (Nd:YAG). Dois bastões de Nd:YAG bombeados transversalmente por diodo, foram utilizadas em uma configuração de ressonador em anel com saída polarizada de onda continua (CW continuous-wave), qualidade de feixe modo transversal eletromagnético (TEM00) e potência de saída de 105,2 W. A potência de saída alcançada é, a nosso entender, a mais alta para lasers em anel no modo fundamental transversal polarizado contínuo usando módulos Nd:YAG comuns com bombeamento lateral. O ressonador permitiu a sintonização de potência em uma grande faixa dinâmica e obteve excelente qualidade de feixe, usando uma placa de meia onda entre os dois bastões para compensação de birrefringência. A operação de frequência única foi alcançada usando cristal de granada de térbio-gálio (TGG-Terbium Gallium Garnet), dois imãs e um etalon, com uma potência de saída de 51,60 W e uma largura a meia altura da curva (FWHM) espectral de aproximadamente 17 MHz. / For high resolution spectroscopy, a high power, stable line output laser is desirable for pumping different types of optical parametric oscillator resonators (OPO). Single-frequency lasers are in the range of 10 watts of output power, while, depending on the application and the OPO type, higher power (> 20 W) is desirable. In this work a single frequency high power laser based on diode pumping modules with Nd:YAG as the active medium was developed. Two Nd:YAG bars transversally pumped by diodes were used in a configuration of a CW polarized ring resonator with beam quality TEM00 and output power of 105,2 W. The output power achieved is, to our knowledge, the highest for continuous polarized fundamental mode ring lasers using standard Nd:YAG modules with side pumping. The resonator allowed the tuning power in a large dynamic range and obtained excellent beam quality using a half-wave plate between the two rods for birefringence compensation. The single frequency operation was achieved using a TGG (Terbium Gallium Garnet) crystal, two magnets and an etalon, with an output power of 51.60 W and a 17 MHz full width at half maximum (FWHM) spectral width.