Efficient generation of 1.5 um wavelength light has applications for ranging and remote sensing while being in the “eye safe” region of the optical spectrum. Diamond Raman lasers are excellent candidates for light sources at these wavelengths due to the excellent optical and mechanical properties of diamond as a laser material. This thesis describes the design and build of a MOPA fiber laser system in the CW regime as a pump for a Diamond Raman laser along with a design for operating it in the pulsed regime as well. The CW fiber laser was tested up to 200 W average power and characterized for each stage of the MOPA architecture. The third and final amplifier stage uses an extra large mode area(XLMA) fiber for decreasing irradiance of the signal with in the fiber and thus mitigating the unwanted nonlinear effects at the output when the system will be pulsed. Engineering designs will be presented for fiberized components that reduce the amount of passive fiber in the system overall. The process of putting end caps on the fiber facets will also be described. The multimode nature of the XLMA fiber required mode mixing elements to obtain a more uniform flat top beam profile. Characterization of the mode mixing fiber will be presented along with the output profile improvement.

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Os lasers Raman permitem a exploração de novos comprimentos de onda, não comumente acessíveis, graças ao Espalhamento Raman Estimulado. Unidos a processos de conversão não linear, abrem-se campos para emissão de comprimentos de onda na região do visível no espectro eletromagnético. Com uma mesma configuração, diversas combinações de cristais possibilitam a geração de múltiplas frequências, transformando esse tipo de laser em um dispositivo compacto e barato quando comparado com outras tecnologias existentes. Este trabalho apresenta a busca da conversão intracavidade em frequências de lasers Raman, em uma configuração linear. Com dois comprimentos de onda de bombeamento de energia (797 nm e 872 nm), diodos semicondutores foram utilizados para acessar dois picos de absorção do cristal Nd:YLF. O bombeamento em 797 nm levou a emissão fundamental em 908 nm. E através do cristal KGW, com linhas de emissão Stokes, um novo comprimento de onda foi alcançado, em 990 nm. Com o cristal dobrador, BiBO, soma de frequência e segundo harmônico foram gerados, permitindo as emissões em uma região espectral azul bastante larga (450 500 nm). Com o bombeamento em 872 nm, uma emissão de três níveis no cristal Nd:YLF não foi possível, conseguindo apenas a emissão em 1064 nm, linha comum para cristais de neodímio. Uma outra cavidade foi estudada, porém com bombeamento em 880 nm e cristal de Nd:YVO4, conhecido por ser self-Raman. Com uma configuração linear semelhante à anteriormente citada, somente sua linha de emissão fundamental em 914 nm foi obtida, não sendo possível com as condições trabalhadas a emissão Stokes, que permitisse dar continuidade ao estudo. / The Raman lasers allow the exploration of new wavelenghts, not commonly avaliable, thanks to stimulated Raman scattering. Using non-linear convertion processes, the emission of wavelenghts in the region of the visible spectrum become possible. With the same cavity configuration, the use of different combinations of crystals allow the generation of multiple frequencies, transforming this type of laser in a compact and cheap device when compared to other existing technologies. This work presents our research for intracavity Raman conversion, in a linear cavity configuration. Two pumping wavelengths of 797 nm and 872 nm, supplied by semiconductor diodes were used to access two absorption peaks of the Nd: YLF crystal. The pumping at 797 nm led to fundamental emission at 908 nm. And through the KGW crystal, with Stokes shift of 901 cm-1, a new wavelength was obtained at 990 nm. With the doubling crystal, BiBO, sum frequency and second harmonic were generated, allowing the emissions in a fairly broad blue spectral region (450 - 500 nm). With the pumping at 872 nm, a three levels emission in the Nd: YLF crystal could not be obtained, achieving only emission at 1064 nm, a common line for Neodymium crystals. An another cavity was studied, but with pumping at 880 nm and using a Nd:YVO4 crystal, known for being self-Raman. With a similar linear configuration to the above mentioned, only its fundamental, three-level emission line at 914 nm was obtained.

Os lasers Raman permitem a exploração de novos comprimentos de onda, não comumente acessíveis, graças ao Espalhamento Raman Estimulado. Unidos a processos de conversão não linear, abrem-se campos para emissão de comprimentos de onda na região do visível no espectro eletromagnético. Com uma mesma configuração, diversas combinações de cristais possibilitam a geração de múltiplas frequências, transformando esse tipo de laser em um dispositivo compacto e barato quando comparado com outras tecnologias existentes. Este trabalho apresenta a busca da conversão intracavidade em frequências de lasers Raman, em uma configuração linear. Com dois comprimentos de onda de bombeamento de energia (797 nm e 872 nm), diodos semicondutores foram utilizados para acessar dois picos de absorção do cristal Nd:YLF. O bombeamento em 797 nm levou a emissão fundamental em 908 nm. E através do cristal KGW, com linhas de emissão Stokes, um novo comprimento de onda foi alcançado, em 990 nm. Com o cristal dobrador, BiBO, soma de frequência e segundo harmônico foram gerados, permitindo as emissões em uma região espectral azul bastante larga (450 500 nm). Com o bombeamento em 872 nm, uma emissão de três níveis no cristal Nd:YLF não foi possível, conseguindo apenas a emissão em 1064 nm, linha comum para cristais de neodímio. Uma outra cavidade foi estudada, porém com bombeamento em 880 nm e cristal de Nd:YVO4, conhecido por ser self-Raman. Com uma configuração linear semelhante à anteriormente citada, somente sua linha de emissão fundamental em 914 nm foi obtida, não sendo possível com as condições trabalhadas a emissão Stokes, que permitisse dar continuidade ao estudo. / The Raman lasers allow the exploration of new wavelenghts, not commonly avaliable, thanks to stimulated Raman scattering. Using non-linear convertion processes, the emission of wavelenghts in the region of the visible spectrum become possible. With the same cavity configuration, the use of different combinations of crystals allow the generation of multiple frequencies, transforming this type of laser in a compact and cheap device when compared to other existing technologies. This work presents our research for intracavity Raman conversion, in a linear cavity configuration. Two pumping wavelengths of 797 nm and 872 nm, supplied by semiconductor diodes were used to access two absorption peaks of the Nd: YLF crystal. The pumping at 797 nm led to fundamental emission at 908 nm. And through the KGW crystal, with Stokes shift of 901 cm-1, a new wavelength was obtained at 990 nm. With the doubling crystal, BiBO, sum frequency and second harmonic were generated, allowing the emissions in a fairly broad blue spectral region (450 - 500 nm). With the pumping at 872 nm, a three levels emission in the Nd: YLF crystal could not be obtained, achieving only emission at 1064 nm, a common line for Neodymium crystals. An another cavity was studied, but with pumping at 880 nm and using a Nd:YVO4 crystal, known for being self-Raman. With a similar linear configuration to the above mentioned, only its fundamental, three-level emission line at 914 nm was obtained.

Lasers operando nas regiões espectrais do azul e do amarelo-laranja foram recentemente requisitados pelo mercado de aplicações quer para melhorar as tecnologias já conhecidas ou para possibilitar a criação de novas. Isso é devido às propriedades destas regiões espectrais, com o azul trazendo características tais como fótons de alta energia e feixes limitados por difração menores, enquanto a faixa do amarelo-laranja é ainda uma região espectral difícil de se atingir e não foi totalmente acessada ou nem mesmo acessada por fontes de luz laser eficientes. Aplicações dos lasers azuis são encontradas em tecnologias de alta densidade de armazenamento, displays a laser, sistemas LIDAR, pinças ópticas e uma longa série de aplicações que exigem alta precisão. Os lasers amarelo-laranja também têm aplicações importantes, destacando-se aplicações em cirurgia oftalmológica a laser, em displays de cores reais e como estrela guia (excitando linhas de sódio na atmosfera). A investigação de lasers de quase três níveis e laser Raman de Nd:YLF foi realizada neste trabalho. A finalidade é de propor fontes laser de alta potência e eficientes emitindo no azul e no amarelo para suprir as aplicações. Eficiência e potências de saída da ordem de Watt foram demonstradas para um laser de Nd:YLF emitindo em 908 nm assim como no segundo harmônico em 454 nm. Além disso, lasers Raman de Nd:YLF/BaWO4 e Nd:YLF/KGW foram demonstrados atingindo alguns Watts de potência de saída em regime quasi-CW e CW, com boas qualidades de feixe (M2 2) e em oito comprimentos de onda diferentes: 1147 nm, 1163 nm, 1167 nm , 549 nm, 552 nm, 573 nm, 581 nm e nm 583. Por fim, uma luminescência azul originada em alguns cristais Raman, durante a oscilação Stokes, teve sua origem e seus efeitos colaterais para lasers (perdas e calor adicionais) minuciosamente caracterizados. / Lasers operating in the blue and yellow-orange spectral regions are sought after by the applications market either to improve well known technologies or to enable new ones. Blue lasers bring features such as high energy photons and smaller diffraction limited beams, while the yellow-orange range is a hard to reach spectral region where there is a considerable shortage of efficient laser light sources. Applications of the blue lasers are found in high density storage technologies, laser displays, LIDAR systems, optical tweezers and a long range of high precision demanding applications. The yellow-orange lasers also have important applications, with highlights in ophthalmologic laser surgery (photocoagulation), in true color displays and as a guide star (exciting sodium lines in the atmosphere). The investigation of Nd:YLF quasi-three level lasers and Nd:YLF Raman lasers was further studied in this work in order to provide high power and efficient blue and yellow lasers sources. Demonstrations of efficient and multi-Watt operation of a 908 nm laser and its respective second harmonic laser at 454 nm are described. Also, Nd:YLF/BaWO4 and Nd:YLF/KGW Raman lasers were demonstrated reaching Watt levels in quasi-CW and CW regime with very good beam qualities (M2 2) at eight different wavelengths: 1147 nm, 1163 nm, 1167 nm, 549 nm, 552 nm, 573 nm, 581 nm and 583 nm. Finally, a blue luminescence originating in some Raman crystals, during Stokes oscillation, has been studied in considerable detail. Its origin and consequences for laser operation (extra loss and heat load) have been identified.

Lasers Raman são dispositivos que proporcionam uma maneira prática de transformar comprimentos de onda fundamentais em novas linhas espectrais via Espalhamento Raman Estimulado (Stimulated Raman Scattering - SRS). Quando combinados com outros processos de conversão não lineares, os lasers Raman fornecem acesso a comprimentos de onda na região do visível no espectro eletromagnético, que de outra maneira seriam de difícil acesso, como o laranja-amarelo, verde-limão e diversas linhas no azul. A grande vantagem dos lasers Raman é a possibilidade de geração de múltiplas frequências a partir de uma mesma combinação de cristais, tornando esse tipo de laser dispositivos baratos e compactos quando comparados a tecnologias como OPO. Neste trabalho um cristal de Nd:YVO4 foi bombeado por diodo, em configuração transversal, sendo o cristal o responsável pela emissão laser e pelo espalhamento Raman. Na primeira parte do trabalho, a cavidade utilizada apresentava alto fator de qualidade para o comprimento de onda fundamental (1064 nm) e foi estudada a operação laser do 1º Stokes (1176 nm) em regimes de operação quase contínua (q-cw) e contínua (cw). Foi explorada a configuração com uma dobra do feixe laser em ângulo rasante na superfície de bombeamento, bem como a configuração com duas dobras nesta mesma superfície (double beam mode controlling - DBMC). Na segunda parte do trabalho, um cristal LBO foi utilizado para a geração do segundo harmônico (SHG) em 588 nm, o que corresponde a um laser laranja-amarelo. Foi utilizada a configuração com uma dobra e operação cw,com a qual a cavidade apresentava alto fator de qualidade tanto para o 1064 nm quanto 1176 nm. Com a configuração de uma dobra, foi demonstrado que o laser Raman opera em multimodo, com uma variedade de modos de Hermite-Gauss que puderam ser selecionados através apenas do alinhamento da cavidade, incluindo o modo TEM00. Com configuração DBMC, o laser apresentou operação estável oscilando o modo TEM00. Em 1176 nm em regime q-cw, foi obtida a potência máxima de 8,2 W por pulso (multimodo) e 11,7% de eficiência óptica de conversão (diodo para o 1º Stokes), e operando em modo TEM00 a potência máxima de 3,7 W por pulso e eficiência de 5,4% foi obtida com a configuração de duas dobras, de maneira que a tecnologia DBMC se mostrou eficiente para geração de um laser robusto e estável operando com o modo TEM00. Em regime cw o melhor resultado em termos de potência e eficiência foi obtido com a configuração de uma dobra, correspondendo a 1,8 W e 7,3% de eficiência com o laser operando em multimodo. Com o laser laranja, foi demonstrada a operação do modo TEM00 para potências de bombeamento abaixo de 14,5 W. A potência máxima obtida em multimodo foi 820 mW correspondendo a 4% de eficiência óptica de conversão. / Raman lasers are devices that provide practical means to shift fundamental laser wavelengths into new spectral lines via Stimulated Raman Scattering (SRS). When combined with other nonlinear conversion processes, Raman lasers permit access to hard-to-reach regions of the visible electromagnetic spectrum, for example, orange-yellow, lime-green and several blue lines. The great advantage of Raman lasers is the possibility of generating multiple wavelengths using the same set of crystals, which make these devices compact and practical when compared to other technologies as OPOs. In this work, the Nd:YVO4 crystal was laterally pumped by a diode laser and this crystal was responsible for laser generation as well as SRS. In the first part of this work, the laser cavity presented a high Q factor for the fundamental laser wavelength (1064 nm) and the laser operation at the first Stokes (1176 nm) was characterized under quasi-continuous wave operation (q-cw) and in continuous wave (cw) operation. The grazing incidence geometry of the cavity with a single bounce of the laser beam at the pumped facet of the crystal was exploited, as well as with the double bounce (double beam mode controlling - DBMC) of the laser beam at this same crystal facet. In the second part of this work, a LBO crystal was utilized for the second harmonic generation (SHG) at 588 nm, which corresponds to an orange-yellow laser. The single bounce cavity configuration was utilized under cw operation, which presented high Q factor at 1176 nm and at 1064 nm. With the single bounce configuration, the laser operated in a variety of Hermite- Gaussian transversal modes that could be selected simply by cavity alignment, including the TEM00 mode. With the DBMC technology, the laser presented stable operation of the TEM00 mode. At 1176 nm, under q-cw regime, the maximum output peak power of 8.2 W (multimode) was achieved, corresponding to an optical conversion efficiency (diode to 1st Stokes) of 11.7%, and operation of the TEM00 mode yielded a maximum output peak power of 3.7 W and 5.4% efficiency with the double bounce configuration, hence the DBMC technology showed to be an efficient method for the generation of a stable and robust laser operating with TEM00 mode. Under cw regime, the best result in terms of power and efficiency was obtained with the single bounce geometry, yielding 1.8 W (multimode) corresponding to 7.3% efficiency. For the orange-yellow laser, operation of the TEM00 laser mode was demonstrated for low pump powers up to 14.5 W. The maximum output power achieved in multimode operation was 820 mW and 4% optical conversion efficiency.

Lasers Raman são dispositivos que proporcionam uma maneira prática de transformar comprimentos de onda fundamentais em novas linhas espectrais via Espalhamento Raman Estimulado (Stimulated Raman Scattering - SRS). Quando combinados com outros processos de conversão não lineares, os lasers Raman fornecem acesso a comprimentos de onda na região do visível no espectro eletromagnético, que de outra maneira seriam de difícil acesso, como o laranja-amarelo, verde-limão e diversas linhas no azul. A grande vantagem dos lasers Raman é a possibilidade de geração de múltiplas frequências a partir de uma mesma combinação de cristais, tornando esse tipo de laser dispositivos baratos e compactos quando comparados a tecnologias como OPO. Neste trabalho um cristal de Nd:YVO4 foi bombeado por diodo, em configuração transversal, sendo o cristal o responsável pela emissão laser e pelo espalhamento Raman. Na primeira parte do trabalho, a cavidade utilizada apresentava alto fator de qualidade para o comprimento de onda fundamental (1064 nm) e foi estudada a operação laser do 1º Stokes (1176 nm) em regimes de operação quase contínua (q-cw) e contínua (cw). Foi explorada a configuração com uma dobra do feixe laser em ângulo rasante na superfície de bombeamento, bem como a configuração com duas dobras nesta mesma superfície (double beam mode controlling - DBMC). Na segunda parte do trabalho, um cristal LBO foi utilizado para a geração do segundo harmônico (SHG) em 588 nm, o que corresponde a um laser laranja-amarelo. Foi utilizada a configuração com uma dobra e operação cw,com a qual a cavidade apresentava alto fator de qualidade tanto para o 1064 nm quanto 1176 nm. Com a configuração de uma dobra, foi demonstrado que o laser Raman opera em multimodo, com uma variedade de modos de Hermite-Gauss que puderam ser selecionados através apenas do alinhamento da cavidade, incluindo o modo TEM00. Com configuração DBMC, o laser apresentou operação estável oscilando o modo TEM00. Em 1176 nm em regime q-cw, foi obtida a potência máxima de 8,2 W por pulso (multimodo) e 11,7% de eficiência óptica de conversão (diodo para o 1º Stokes), e operando em modo TEM00 a potência máxima de 3,7 W por pulso e eficiência de 5,4% foi obtida com a configuração de duas dobras, de maneira que a tecnologia DBMC se mostrou eficiente para geração de um laser robusto e estável operando com o modo TEM00. Em regime cw o melhor resultado em termos de potência e eficiência foi obtido com a configuração de uma dobra, correspondendo a 1,8 W e 7,3% de eficiência com o laser operando em multimodo. Com o laser laranja, foi demonstrada a operação do modo TEM00 para potências de bombeamento abaixo de 14,5 W. A potência máxima obtida em multimodo foi 820 mW correspondendo a 4% de eficiência óptica de conversão. / Raman lasers are devices that provide practical means to shift fundamental laser wavelengths into new spectral lines via Stimulated Raman Scattering (SRS). When combined with other nonlinear conversion processes, Raman lasers permit access to hard-to-reach regions of the visible electromagnetic spectrum, for example, orange-yellow, lime-green and several blue lines. The great advantage of Raman lasers is the possibility of generating multiple wavelengths using the same set of crystals, which make these devices compact and practical when compared to other technologies as OPOs. In this work, the Nd:YVO4 crystal was laterally pumped by a diode laser and this crystal was responsible for laser generation as well as SRS. In the first part of this work, the laser cavity presented a high Q factor for the fundamental laser wavelength (1064 nm) and the laser operation at the first Stokes (1176 nm) was characterized under quasi-continuous wave operation (q-cw) and in continuous wave (cw) operation. The grazing incidence geometry of the cavity with a single bounce of the laser beam at the pumped facet of the crystal was exploited, as well as with the double bounce (double beam mode controlling - DBMC) of the laser beam at this same crystal facet. In the second part of this work, a LBO crystal was utilized for the second harmonic generation (SHG) at 588 nm, which corresponds to an orange-yellow laser. The single bounce cavity configuration was utilized under cw operation, which presented high Q factor at 1176 nm and at 1064 nm. With the single bounce configuration, the laser operated in a variety of Hermite- Gaussian transversal modes that could be selected simply by cavity alignment, including the TEM00 mode. With the DBMC technology, the laser presented stable operation of the TEM00 mode. At 1176 nm, under q-cw regime, the maximum output peak power of 8.2 W (multimode) was achieved, corresponding to an optical conversion efficiency (diode to 1st Stokes) of 11.7%, and operation of the TEM00 mode yielded a maximum output peak power of 3.7 W and 5.4% efficiency with the double bounce configuration, hence the DBMC technology showed to be an efficient method for the generation of a stable and robust laser operating with TEM00 mode. Under cw regime, the best result in terms of power and efficiency was obtained with the single bounce geometry, yielding 1.8 W (multimode) corresponding to 7.3% efficiency. For the orange-yellow laser, operation of the TEM00 laser mode was demonstrated for low pump powers up to 14.5 W. The maximum output power achieved in multimode operation was 820 mW and 4% optical conversion efficiency.

Lasers operando nas regiões espectrais do azul e do amarelo-laranja foram recentemente requisitados pelo mercado de aplicações quer para melhorar as tecnologias já conhecidas ou para possibilitar a criação de novas. Isso é devido às propriedades destas regiões espectrais, com o azul trazendo características tais como fótons de alta energia e feixes limitados por difração menores, enquanto a faixa do amarelo-laranja é ainda uma região espectral difícil de se atingir e não foi totalmente acessada ou nem mesmo acessada por fontes de luz laser eficientes. Aplicações dos lasers azuis são encontradas em tecnologias de alta densidade de armazenamento, displays a laser, sistemas LIDAR, pinças ópticas e uma longa série de aplicações que exigem alta precisão. Os lasers amarelo-laranja também têm aplicações importantes, destacando-se aplicações em cirurgia oftalmológica a laser, em displays de cores reais e como estrela guia (excitando linhas de sódio na atmosfera). A investigação de lasers de quase três níveis e laser Raman de Nd:YLF foi realizada neste trabalho. A finalidade é de propor fontes laser de alta potência e eficientes emitindo no azul e no amarelo para suprir as aplicações. Eficiência e potências de saída da ordem de Watt foram demonstradas para um laser de Nd:YLF emitindo em 908 nm assim como no segundo harmônico em 454 nm. Além disso, lasers Raman de Nd:YLF/BaWO4 e Nd:YLF/KGW foram demonstrados atingindo alguns Watts de potência de saída em regime quasi-CW e CW, com boas qualidades de feixe (M2 2) e em oito comprimentos de onda diferentes: 1147 nm, 1163 nm, 1167 nm , 549 nm, 552 nm, 573 nm, 581 nm e nm 583. Por fim, uma luminescência azul originada em alguns cristais Raman, durante a oscilação Stokes, teve sua origem e seus efeitos colaterais para lasers (perdas e calor adicionais) minuciosamente caracterizados. / Lasers operating in the blue and yellow-orange spectral regions are sought after by the applications market either to improve well known technologies or to enable new ones. Blue lasers bring features such as high energy photons and smaller diffraction limited beams, while the yellow-orange range is a hard to reach spectral region where there is a considerable shortage of efficient laser light sources. Applications of the blue lasers are found in high density storage technologies, laser displays, LIDAR systems, optical tweezers and a long range of high precision demanding applications. The yellow-orange lasers also have important applications, with highlights in ophthalmologic laser surgery (photocoagulation), in true color displays and as a guide star (exciting sodium lines in the atmosphere). The investigation of Nd:YLF quasi-three level lasers and Nd:YLF Raman lasers was further studied in this work in order to provide high power and efficient blue and yellow lasers sources. Demonstrations of efficient and multi-Watt operation of a 908 nm laser and its respective second harmonic laser at 454 nm are described. Also, Nd:YLF/BaWO4 and Nd:YLF/KGW Raman lasers were demonstrated reaching Watt levels in quasi-CW and CW regime with very good beam qualities (M2 2) at eight different wavelengths: 1147 nm, 1163 nm, 1167 nm, 549 nm, 552 nm, 573 nm, 581 nm and 583 nm. Finally, a blue luminescence originating in some Raman crystals, during Stokes oscillation, has been studied in considerable detail. Its origin and consequences for laser operation (extra loss and heat load) have been identified.