The design of high power lasers requires large mode areas to overcome various intensity driven nonlinear effects. Increasing the aperture size within the laser can overcome these effects, but typically result in multi-transverse mode output and reduced beam quality, limiting the brightness of the system. As one possible solution, the angular selectivity of a diffractive optical element is proposed as a spatial filter, allowing for the design of compact high brightness sources not possible with conventional methods of transverse mode selection. This thesis explores the angular selectivity of volume Bragg gratings (VBGs) and their use as spatial transverse mode filters in a laser resonator. Selection of the fundamental mode of a resonator is explored using transmission Bragg gratings (TBGs) as the spatial filter. Simulations and experimental measurements are made for a planar, 1 cm long resonator demonstrating near diffraction limited output (M2 < 1.4) for aperture sizes as large as 2.0 mm. Applications to novel fiber laser designs are explored. Single mode operation of a multi-mode Yb3+ doped ribbon fiber laser (core dimensions of 107.8 ?m x 8.3 ?m) is obtained using a single transmission VBG as the filter in an external cavity resonator. Finally, a novel method of selecting a pure higher order mode to oscillate within the gain medium while simultaneously converting this higher order mode to a fundamental mode at an output coupler is proposed and demonstrated. A multiplexed transmission VBG is used as the mode converting element, selecting the 12th higher order mode for amplifications in an Yb3+ doped ribbon fiber laser, while converting the higher order mode of a laser resonator to a single lobed output beam with diffraction limited divergence.

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées. / Raman spectroscopy is a useful and non-destructive tool for material characterization. It uses inelastic light scattering interaction with matter to investigate materials. The major part of the performances in a Raman spectroscopy system comes from two light filter units: the first shapes the light source (usually a laser) and the other attenuates the elastic scattered light in the signal beam. In resonant Raman spectroscopy (RRS), the excitation energy (wavelength) is tuned to match an electronic transition of the sample. When in resonance, the Raman cross section is increased by a factor up to 106. Current RRS setups are limited by filtering devices technology. RRS is a complex technique which, for the moment, remains tedious to implement. This master thesis presents the construction of a tunable Raman spectroscopy system based on volume Bragg gratings light filters. The setup is designed to operate in the near infrared region so as to study carbon nanotubes resonances. Steps leading to the operation of the system are described. They cover conceptualization, fabrication, characterization and optimisation of the setup. Collaboration with a local small company, Photon etc, led to the building of two new light filters that allow to tune easily the excitation wavelength. These filters have been adapted to work with a tunable titanium-sapphire laser (tunable from 700 to 1100 nm) and assembled with a homemade microscope and a detection system combining a CCD camera with a grating spectrometer. This document is arranged as follow: First are presented the theoretical aspects surrounding RRS. Carbon nanotubes (CNT) are than described to illustrate the relevance of such technique applied to material science. Principles behind the use of the Bragg filters are described to be followed by a scientific paper in which the main results of this work are presented. These include the optical characterisation of the filters and measurements with the system. Low frequency limits of the system are demonstrated using a sulphur powder where the 27 cm-1 line is clearly resolved. The tunability of the setup is also demonstrated using a bulk carbon nanotube sample. By changing the excitation wavelength, different nanotube chiralities become resonant, leading to different signals in the Raman spectra. Finally, clarifications regarding the alignment, optimisation and operation of the system are described. Low angular acceptance has been found to be the main drawback of the system leading to attenuation problems especially critical for the notch filter. Possible improvements on this limitation are discussed.

This thesis focuses on two topics: thermal limitations of volume Bragg gratings (VBGs) employed as laser-cavity mirrors and formation of color centers in KTiOPO4 and its isomorphs. To explore the mechanisms of the thermal limitations of VBGs in high power lasers, I designed and constructed a diode-pumped, solid‑state laser with a VBG as cavity mirror that had a significantly higher absorption than what is typical. Thereby I could study the limiting thermal effects by using only moderate intra-cavity power. Additionally, I designed a computer model to numerically investigate the thermal effects in VBGs. Both the experiments and the simulations showed that the laser became successively more unstable when the power was increased. Absorption of the reflected laser beam causes broadening of the grating spectrum accompanied by decreasing diffraction efficiency. The reduced reflectivity leads to a leakage of the radiation through the grating. Moreover, the simulations showed that this increased instability was due to a reshaping of the intensity distribution profile inside the grating, which, in turn, leads to a sharp reduction of the diffraction efficiency. High-intensity visible radiation induces color centers in KTiOPO4, which can lead to severe decrease in the performance of the crystal and can cause catastrophic breakdown. The formation of color centers was investigated by measuring picosecond, blue-light induced infrared absorption (BLIIRA) in periodically-poled KTiOPO4, Rb:KTiOPO4, RbTiOPO4, KTiOAsO4 and RbTiOAsO4 through thermal lens spectroscopy using a common-path interferometer. This setup is capable of measuring absorption as low as 10-5 cm-1. The dependence of the BLIIRA signal on blue light average power and intensity as well as on the crystal temperature was studied. The results show the presence of at least two different types of color centers. A higher level of remnant absorption was observed in the phosphates compared to that of the arsenates. The largest portion of the induced absorption is attributed to photo-generated electrons and holes being self-trapped in the proximity to the Ti4+ and O2- ions, respectively, forming polaron color centers. Stabilization of these centers is aided by the presence of mobile alkali metal vacancies in the crystal. / Denna avhandling fokuserar på både volymbraggitters (VBGs) termiska begränsningar, i tillämpning som speglar i laserkaviteter, och på bildandet av färgcentra i KTiOPO4 och isomorfa kristaller. För att undersöka de termiska effekterna i VBGer som medför begränsningar på högeffektlasrar utfördes både experiment och simuleringar. För experimenten konstruerades en diod-pumpad Yb:KYW laser med ett VBG som har betydligt högre absorption än vad som är typiskt. Därmed kunde de termiska effekterna studeras vid måttliga intrakavitetseffekter. Simuleringarna bestod av två delmodeller; gitterstrukturen modelerades med överföringsmatriser och värmeflödet med en tredimensionell modell baserad på finita elementmetoden. Både experimenten och simuleringarna visade att en laser blir successivt mer instabil när den optiska effekten ökar. Absorptionen av laserstrålen i VBGt förändrade dess spektrala egenskaper, vilket i sin tur påverkade laserns stabilitet och prestanda. De huvudsakliga effekterna var en breddning av gittrets spektrum med en minskad reflektans. Simuleringarna visade även att den ökade instabiliteten berodde på en förändring av strålningens intensitetsfördelning inuti gittret, vilket accelererade reduktionen av gittrets reflekterande förmåga. I termer av den effekt som faller in mot gittret, har lasern en tydlig övre effektgräns. När den gränsen har uppnåtts leder vidare ökning av pumpeffekten i huvudsak till ökat läckage genom volymbraggittret, i stället för till ökad uteffekt hos laserstrålen. Kortvågigt synlig ljus av hög intensitet inducerar färgcentra i KTiOPO4, vilket kan leda till kraftigt reducerad transparens och kan orsaka permanent skada i kristallen. För att undersöka skapandet av dessa färgcentra mättes den termiska lins som uppstår vid blå-ljus-inducerad infraröd absorption (Eng: blue-light induced infrared absorption = BLIIRA) inducerad av blåa laserpulser vid en våglängd av 398 nm och vid pulslängder i storlek av pikosekunder i periodiskt‑polad KTiOPO4, Rb:KTiOPO4, RbTiOPO4, KTiOAsO4 och RbTiOAsO4. Den termiska linsen mättes med en metod kallad gemensam-vägsträcka-interferometer (Eng: common-path interferometer), en metod känslig nog för att mäta absorption så låg som 10-5 cm-1. Dessutom undersöktes hur nivån av BLIIRA beror på medeleffekten och intensiteten hos den blåa laserstrålen samt på kristalltemperaturen. Resultaten visar att det bildas minst två typer av färgcentra med olika livslängder. Vidare observerades en högre grad av långsamt avklingande absorption i fosfaterna jämfört med arsenaterna. Den största delen av den inducerade absorptionen tillskrivs fotogenererade elektroner och hål som ”självfångas” i närheten av Ti4+ respektive O2- joner, och bildar färgcentra av polaron karaktär. Stabilisering av dessa centra underlättas av lättrörliga alkalivakanser i kristallerna. / <p>QC 20150922</p>

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées. / Raman spectroscopy is a useful and non-destructive tool for material characterization. It uses inelastic light scattering interaction with matter to investigate materials. The major part of the performances in a Raman spectroscopy system comes from two light filter units: the first shapes the light source (usually a laser) and the other attenuates the elastic scattered light in the signal beam. In resonant Raman spectroscopy (RRS), the excitation energy (wavelength) is tuned to match an electronic transition of the sample. When in resonance, the Raman cross section is increased by a factor up to 106. Current RRS setups are limited by filtering devices technology. RRS is a complex technique which, for the moment, remains tedious to implement. This master thesis presents the construction of a tunable Raman spectroscopy system based on volume Bragg gratings light filters. The setup is designed to operate in the near infrared region so as to study carbon nanotubes resonances. Steps leading to the operation of the system are described. They cover conceptualization, fabrication, characterization and optimisation of the setup. Collaboration with a local small company, Photon etc, led to the building of two new light filters that allow to tune easily the excitation wavelength. These filters have been adapted to work with a tunable titanium-sapphire laser (tunable from 700 to 1100 nm) and assembled with a homemade microscope and a detection system combining a CCD camera with a grating spectrometer. This document is arranged as follow: First are presented the theoretical aspects surrounding RRS. Carbon nanotubes (CNT) are than described to illustrate the relevance of such technique applied to material science. Principles behind the use of the Bragg filters are described to be followed by a scientific paper in which the main results of this work are presented. These include the optical characterisation of the filters and measurements with the system. Low frequency limits of the system are demonstrated using a sulphur powder where the 27 cm-1 line is clearly resolved. The tunability of the setup is also demonstrated using a bulk carbon nanotube sample. By changing the excitation wavelength, different nanotube chiralities become resonant, leading to different signals in the Raman spectra. Finally, clarifications regarding the alignment, optimisation and operation of the system are described. Low angular acceptance has been found to be the main drawback of the system leading to attenuation problems especially critical for the notch filter. Possible improvements on this limitation are discussed.

The theory of stretching and compressing of short light pulses by the chirped volume Bragg gratings (CBG) is reviewed based on spectral decomposition of short pulses and on the wavelength-dependent coupled wave equations. The analytic theory of diffraction efficiency of a CBG with constant chirp and approximate theory of time delay dispersion are presented. Based on those, we performed comparison of the approximate analytic results with the exact numeric coupled-wave modeling. We also study theoretically various definitions of laser beam width in a given cross-section. Quality of the beam is characterized by the dimensionless beam propagation products (?x???_x)?? , which are different for each of the 21 definitions. We study six particular beams and introduce an axially-symmetric self-MFT (mathematical Fourier transform) function, which may be useful for the description of diffraction-quality beams. Furthermore, we discuss various saturation curves and their influence on the amplitudes of recorded gratings. Special attention is given to multiplexed volume Bragg gratings (VBG) aimed at recording of several gratings in the same volume. The best shape of a saturation curve for production of the strongest gratings is found to be the threshold-type curve. Both one-photon and two-photon absorption mechanism of recording are investigated. Finally, by means of the simulation software we investigate forced airflow cooling of a VBG heated by a laser beam. Two combinations of a setup are considered, and a number of temperature distributions and thermal deformations are obtained for different rates of airflows. Simulation results are compared to the experimental data, and show good mutual agreement.