Application of InAs/AlSb materials system for development of short-wavelength quantum cascade lasers is explored. Molecular beam epitaxy (MBE) technology allowing to grow multiperiodical unstrained InAs/AlSb heterostructures with roughness of 1-2 monolayers is developed. It is demonstrated that InAs/AlSb materials system is well-suitable for development of short-wavelength quantum cascade lasers operating below 4 µm wavelength. Lasers containing plasmon-enhanced waveguides as well as the short period InAs/AlSb superlattices as waveguides were designed, MBE-grown and studied. The effect of waveguide properties on the device parameters is revealed. Usage of these waveguides and innovations in laser active region introducing “funnel” injector allowed one to reach operation temperature 420 K at the emission wavelength of 3.3 µm. The obtained optical peak power exceeded 1 W per facet. The room temperature operation has been obtained at wavelength below 3 µm. As for wavelength range, applying the new active region design strategy and the short period InAs/AlSb superlattice spacers InAs based quantum cascade lasers emitting at the wavelengths as short as 2.63 µm were developed, which is today the shortest emission wavelength of the operation of semiconductor lasers based on the intersubband transitions. / Disertaciniame darbe nagrinėjamas InAs/AlSb medžiagų sistemos panaudojimas trumpabangių tarppajuostinių lazerių kūrimui. Buvo išplėtota molekulinių pluoštelių epitaksijos technologija, leidžianti auginti daugiaperiodines neįtemptas InAs/AlSb heterosandūras su mažu 1-2 atominių sluoksnių šiurkštumu. Buvo parodyta, jog InAs/AlSb medžiagų sistema yra tinkama kurti trumpabangiams kvantiniams kaskadiniams lazeriams, veikiantiems žemiau 4 µm bangos ilgio ribos. Buvo ištirtas kvantinių kaskadinių lazerių, turinčių tiek plazmoninius bangolaidžius su stipriai legiruotais InAs apdariniais sluoksniais, tiek ir mažo periodo InAs/AlSb supergardelių bangolaidžius, veikimas bei jų įtaka prietaiso parametrams. Šie sprendimai dėl bangolaidžių bei tolimesni aktyviosios terpės patobulinimai, naudojant piltuvėlio formos injektorių, leido sukurti didelio našumo prietaisus, galinčius veikti iki 420 K temperatūros, esant 3,3 µm bangos ilgio emisijai, ir pasiekti maksimalią optinę galią siekiančią 1 W kambario temperatūroje. Šios inovacijos leido sukurti ir InAs/AlSb kvantinį kaskadinį lazerį, emituojantį ~2,6 µm bangos ilgio spinduliuotę  šiai dienai tai yra trumpiausią bangos ilgį spinduliuojantis tokio tipo prietaisas pasaulyje.

Disertaciniame darbe nagrinėjamas InAs/AlSb medžiagų sistemos panaudojimas trumpabangių tarppajuostinių lazerių kūrimui. Buvo išplėtota molekulinių pluoštelių epitaksijos technologija, leidžianti auginti daugiaperiodines neįtemptas InAs/AlSb heterosandūras su mažu 1-2 atominių sluoksnių šiurkštumu. Buvo parodyta, jog InAs/AlSb medžiagų sistema yra tinkama kurti trumpabangiams kvantiniams kaskadiniams lazeriams, veikiantiems žemiau 4 µm bangos ilgio ribos. Buvo ištirtas kvantinių kaskadinių lazerių, turinčių tiek plazmoninius bangolaidžius su stipriai legiruotais InAs apdariniais sluoksniais, tiek ir mažo periodo InAs/AlSb supergardelių bangolaidžius, veikimas bei jų įtaka prietaiso parametrams. Šie sprendimai dėl bangolaidžių bei tolimesni aktyviosios terpės patobulinimai, naudojant piltuvėlio formos injektorių, leido sukurti didelio našumo prietaisus, galinčius veikti iki 420 K temperatūros, esant 3,3 µm bangos ilgio emisijai, ir pasiekti maksimalią optinę galią siekiančią 1 W kambario temperatūroje. Šios inovacijos leido sukurti ir InAs/AlSb kvantinį kaskadinį lazerį, emituojantį ~2,6 µm bangos ilgio spinduliuotę  šiai dienai tai yra trumpiausią bangos ilgį spinduliuojantis tokio tipo prietaisas pasaulyje. / Application of InAs/AlSb materials system for development of short-wavelength quantum cascade lasers is explored. Molecular beam epitaxy (MBE) technology allowing to grow multiperiodical unstrained InAs/AlSb heterostructures with roughness of 1-2 monolayers is developed. It is demonstrated that InAs/AlSb materials system is well-suitable for development of short-wavelength quantum cascade lasers operating below 4 µm wavelength. Lasers containing plasmon-enhanced waveguides as well as the short period InAs/AlSb superlattices as waveguides were designed, MBE-grown and studied. The effect of waveguide properties on the device parameters is revealed. Usage of these waveguides and innovations in laser active region introducing “funnel” injector allowed one to reach operation temperature 420 K at the emission wavelength of 3.3 µm. The obtained optical peak power exceeded 1 W per facet. The room temperature operation has been obtained at wavelength below 3 µm. As for wavelength range, applying the new active region design strategy and the short period InAs/AlSb superlattice spacers InAs based quantum cascade lasers emitting at the wavelengths as short as 2.63 µm were developed, which is today the shortest emission wavelength of the operation of semiconductor lasers based on the intersubband transitions.

Pirmoje šio darbo dalyje pristatomi temperatūros pasiskirstymo aktyviojoje lazerio terpėje kompiuterinio modeliavimo rezultatai. Skaičiavimai atlikti dviem aktyviosios terpės geometrijoms – plono disko ir plokščiojo kompozitinio elemento. Apžvelgiama skirtingų aktyvios terpės ir kaupinimo parametrų įtaka temperatūros pasiskirstymui. Antroje darbo dalyje pristatomi lazerio pluošto bangos fronto iškraipymų, atsirandančių dėl nevienodo temperatūros pasiskirstymo aktyvioje terpėje ir paviršiaus deformacijų, skaičiavimo rezultatai. / This work presents results of numerical simulation of temperature distribution inside laser active medium. Calculations were performed for two different active medium geometries. First one thin disk geometry and second - composite slab. Influence of different pump and active medium parameters on temperature distribution are presented. Second part of this work presents results of wave front aberrations calculations. Those aberrations were resulted by irregular temperature distribution and surface deformations.

Šios disertacijos tikslas – didelio tikslumo matuoklio, skirto šiluminio lęšio lazerių aktyviuosiuose elementuose matavimams sukūrimas, bei įvairių metodų, skirtų šiluminio lęšio įtakos mažinimui tyrimas. Matavimai buvo atliekami Shack‘o ir Hartmann‘o bangos fronto matuokliu, kuris buvo pritaikytas mažų skersinių matmenų (<1x1 mm) šiluminio lęšio matavimams. Pademonstruotas naujos konstrukcijos asferinis kompensatorius iš esmes mažinantis šiluminio lęšio aberacijų įtaką išilginio diodinio kaupinimo lazeriuose. Atlikti šiluminio lęšio aberacijų matavimai buvo panaudoti kompensatoriaus profilio skaičiavimams. Naudojant asferinį kompensatorių, pagamintą plonasienių dangų užgarinimo būdu, generacijos slenkstis sumažėjo daugiau kaip 3 kartus, taip pat ženkliai pagerėjo lazerio pluošto intensyvumo skirstinys. Darbe nagrinėjamas stiprinamų impulsų energijos didinimo būdas pasitelkiant eliptinę rezonatoriaus modą Yb:IAG lazeryje. Šis metodas leidžia kelis kartus padidinti stiprinamų impulsų energiją, išlaikant dirakciškai ribotus erdvinius pluošto parametrus. Taip pat, surasta lazerio rezonatoriaus konfigūracija, leidžianti palaikyti stipriai astigmatišką modą aktyviajame elemente, ir simetrišką modą lazerio išėjime. Pateikiami šiluminio lęšio matavimų rezultatai „atermalinės“ ir Ng orientacijos Yb:KGW kristaluose. Taip pat, parodėme, kad kristalo galų išsigaubimo įtaka Ng orientacijos Yb:KGW aktyviuosiuose elementuose gali siekti 50%. Atlikti tyrimai parodė, kad išbandyta... [toliau žr. visą tekstą] / In this thesis, analysis of thermal effects and various approaches for their mitigation in diode end pumped ultrafast lasers is presented. Experimental investigations were performed by employing Shack-Hartmann wavefront sensor which was adapted for measurements of thermal lens in diode end pumped lasers. During research, operation of high average power, diode-pumped, Nd:YVO4 laser with aspheric aberration corrector was investigated. Actual thermal lens measurements were conducted in order to design properly shaped aberration corrector that was manufactured using a thin film deposition technology. This allows us to conclude that employment of proper thermal lens aberration compensator allowed for laser threshold reducing and ensured improved output beam quality parameter M2 in wide pump power range. Prospects of output pulse energy scaling in diode end-pumped Yb:YAG laser by employing elliptical mode geometry was investigated. During our experiments, maximum average power in of ~ 5.5 W was obtained at repetition rates of 30-100 kHz, while in CW operation mode the 8 W output power was achieved. In spite of strongly astigmatic thermal lens due to optimized cavity design the output beam exhibits high spatial quality: beam quality parameter M2 in both vertical and horizontal plane was close to unity. Detailed comparative study of thermal effects in Yb doped KGW crystals with different orientation was performed. Measurements confirm, that anisotropic optical and thermal properties... [to full text]

In this thesis, analysis of thermal effects and various approaches for their mitigation in diode end pumped ultrafast lasers is presented. Experimental investigations were performed by employing Shack-Hartmann wavefront sensor which was adapted for measurements of thermal lens in diode end pumped lasers. During research, operation of high average power, diode-pumped, Nd:YVO4 laser with aspheric aberration corrector was investigated. Actual thermal lens measurements were conducted in order to design properly shaped aberration corrector that was manufactured using a thin film deposition technology. This allows us to conclude that employment of proper thermal lens aberration compensator allowed for laser threshold reducing and ensured improved output beam quality parameter M2 in wide pump power range. Prospects of output pulse energy scaling in diode end-pumped Yb:YAG laser by employing elliptical mode geometry was investigated. During our experiments, maximum average power in of ~ 5.5 W was obtained at repetition rates of 30-100 kHz, while in CW operation mode the 8 W output power was achieved. In spite of strongly astigmatic thermal lens due to optimized cavity design the output beam exhibits high spatial quality: beam quality parameter M2 in both vertical and horizontal plane was close to unity. Detailed comparative study of thermal effects in Yb doped KGW crystals with different orientation was performed. Measurements confirm, that anisotropic optical and thermal properties... [to full text] / Šios disertacijos tikslas – didelio tikslumo matuoklio, skirto šiluminio lęšio lazerių aktyviuosiuose elementuose matavimams sukūrimas, bei įvairių metodų, skirtų šiluminio lęšio įtakos mažinimui tyrimas. Matavimai buvo atliekami Shack‘o ir Hartmann‘o bangos fronto matuokliu, kuris buvo pritaikytas mažų skersinių matmenų (<1x1 mm) šiluminio lęšio matavimams. Pademonstruotas naujos konstrukcijos asferinis kompensatorius iš esmes mažinantis šiluminio lęšio aberacijų įtaką išilginio diodinio kaupinimo lazeriuose. Atlikti šiluminio lęšio aberacijų matavimai buvo panaudoti kompensatoriaus profilio skaičiavimams. Naudojant asferinį kompensatorių, pagamintą plonasienių dangų užgarinimo būdu, generacijos slenkstis sumažėjo daugiau kaip 3 kartus, taip pat ženkliai pagerėjo lazerio pluošto intensyvumo skirstinys. Darbe nagrinėjamas stiprinamų impulsų energijos didinimo būdas pasitelkiant eliptinę rezonatoriaus modą Yb:IAG lazeryje. Šis metodas leidžia kelis kartus padidinti stiprinamų impulsų energiją, išlaikant dirakciškai ribotus erdvinius pluošto parametrus. Taip pat, surasta lazerio rezonatoriaus konfigūracija, leidžianti palaikyti stipriai astigmatišką modą aktyviajame elemente, ir simetrišką modą lazerio išėjime. Pateikiami šiluminio lęšio matavimų rezultatai „atermalinės“ ir Ng orientacijos Yb:KGW kristaluose. Taip pat, parodėme, kad kristalo galų išsigaubimo įtaka Ng orientacijos Yb:KGW aktyviuosiuose elementuose gali siekti 50%. Atlikti tyrimai parodė, kad išbandyta... [toliau žr. visą tekstą]