Abstract Single frequency laser has the advantages of high stability in frequency and low noise. Therefore, single frequency laser is now widely used in applications, such as high precision measurement, holography and data storage. Attempts to generate second harmonic radiation using a linear cavity have typically resulted in significant amplitude fluctuations due to longitudinal mode coupling. Various techniques have been proposed for solving the so called ¡§green problem¡¨ to achieve single longitudinal mode operation, such as inserting optical component in the conventional linear cavity or use ring cavity instead of linear cavity. Uni-directional ring cavity has shown to be the most robust method for producing single frequency laser. The purpose of this study is to develop compact and low-cost single frequency IR and green lasers. A novel symmetrical two-mirror figure ¡§8¡¨ ring cavity is developed. Instead of using several laser mirrors for beam deflection, this ring laser system employs only two spherical mirrors to form the laser cavity for traveling wave oscillation and eliminates ¡§spatial hole burning¡¨ caused by the standing wave operation. In this thesis, we use two-mirror figure ¡§8¡¨ ring cavity for the generation of single frequency IR and green lasers. The polarization status is crucial for high efficient intracavity frequency doubling. The polarization evaluation in a nonplanar and reentrant ring cavity is characterized by measuring the thermally induced linear and circular birefringence and analyzing the polarization rotation due to cavity configuration. We have demonstrated a 2-mirror figure ¡§8¡¨ ring cavity which is compact and has few optical elements. The stable single frequency laser output of our ring cavity promises to make the design widely applicable to solid-state lasers.

I den här avhandlingen visas hur lasrar och optiska parametriska oscillatorer (OPO:er) kan styras spektralt med hjälp av volymbraggitter. Volymbraggitter utgörs av ett periodiskt varierande brytningsindex som skrivits i ett fototermorefraktivt glas. Gittret reflekterar därmed en specifik våglängd som bestäms av perioden hos modulationen, och kan tillverkas med smal bandbredd och hög reflektans beroende på modulationens längd och styrka. En teoretisk modell har utvecklats för reflektiva volymbraggitters egenskaper om den infallande strålen har en större vinkelspridning än gittrets vinkeltolerans. Detta kan bl.a. inträffa i en laserkavitet där gittret används vid snett infall, och en teoretisk beskrivning är därför ett viktigt redskap för att kunna designa sådana lasrar. Spektral kontroll av ett antal fasta tillståndslasrar med hjälp av volymbraggitter har i försök påvisats, och lasern har därvid både kunnat avstämmas spektralt samtidigt som en avsmalnad spektral bandbredd erhållits. Lasern kan göras väldigt enkel genom att byta ut en av kavitetsspeglarna mot gittret. Tack vare gittrets goda spektrala urvalsmekanism kan lasern låsas var som helst i förstärkningsspektrumet. De tekniker och lasrar som demonstrerats experimentellt är följande: Lasring i en enda longitudinell mod erhölls både för en diodpumpad ErYb:glas-laser vid 1553 nm med ca 10 mW:s effekt och 90 kHz linjebredd samt för en diodpumpad Nd:GdVO4-laser vid 1066 nm med 0.85 W:s effekt. Lasrarnas våglängd kunde avstämmas över större delen av gittrets bandbredd på ca. 30 GHz. Genom att bygga Nd:GdVO4-lasern med en monolitisk kavitet kunde även en spektralt synnerligen stabil laser erhållas med under 40 MHz bandbredd. Tillämpningar för dessa lasrar finns både inom spektroskopi samt som källor för intrakavitetsfördubbling till synliga våglängder. Genom att använda gittret som inkopplingsspegel går det även att framställa lasrar med en väldigt låg kvantdefekt, som därför får minskad värmeutveckling i lasermediet. Detta medger i sin tur att lasrar med höga medeleffekter kan konstrueras, som kan användas bl.a. för olika former av materialbearbetning. I detta arbete har lasrar med låg kvantdefekt byggts med Yb:KYW som laserkristall; både en laser vid 998 nm på 3.6 W som diodpumpades vid 982 nm och med en bandbredd på 10 GHz, samt en laser vid 990 nm på 70 mW som pumpades av en Ti:safir-laser vid 980 nm. Om volymbraggittret används vid snett infall kan den reflekterade våglängden avstämmas genom att gittret roteras. Denna princip användes i en diodpumpad Yb:KYW-laser till att erhålla en brett avstämbar laservåglängd mellan 996 nm och 1048 nm med en maximal effekt på 3 W och med 10 GHz bandbredd. Genom att placera gittret i en retroreflektor kunde avstämningen göras utan att kaviteten behövde linjeras om. En laser som denna kan exempelvis användas för olika typer av materialkarakterisering och spektroskopi. Med optiska parametriska oscillatorer (OPO:er) kan laserljus omvandlas till nya våglängder. Därmed kan OPO:er användas som koherenta ljuskällor där inga effektiva lasrar existerar. OPO-processen kan göras effektiv om en pulsad pump används, och den genererade våglängden kan enkelt styras med hjälp av periodiskt polade (PP) icke-linjära kristaller, såsom PP-KTiOPO4, som användes i detta arbete. En nackdel med OPO:er är att i allmänhet är den genererade signalen tämligen spektralt bredbandig. Signalens bandbredd kan dock avsmalnas betydligt om ett spektralt filter såsom ett volymbraggitter används. Genom att byta ut en av speglarna i OPO-kaviteten mot gittret kan utformningen av OPO:n göras väldigt enkel. I en OPO med en signalvåglängd på 975 nm kunde en avsmalning av bandbredden till 50 GHz påvisas med hjälp av ett braggitter. Detta motsvarar 20 gångers minskning jämfört med om en konventionell spegel används. Som mest erhölls en pulsenergi på 0.34 mJ i signalen. Genom att rotera gittret kunde våglängden avstämmas 21 THz. För att förenkla avstämningen konstruerades även en OPO med gittret i en retroreflektor, samtidigt som kaviteten var av ringtyp. I denna OPO vid en våglängd på 760 nm och med en pulsenergi i signalen på upp till 0.42 mJ erhölls en bandbredd på 130 GHz och ett avstämningsområde på 2.6 THz. Slutligen har en OPO vid 1 µm konstruerats med ett gitter med en transversellt varierande period, s.k. chirp. Därigenom kan våglängden avstämmas väldigt enkelt genom att bara flytta gittret transversellt. En tillämpning av dessa OPO:er är såsom ljuskällor i olika typer av laserbaserade sensorer, i vilka en specifik och stabil våglängd erfordras. Dessutom kan de smalbandiga OPO:erna användas som första steg i ickelinjära processer i flera steg. Smal bandbredd är då viktig för effektiviteten i den påföljande ickelinjära omvandlingen i nästa steg. / The object of this thesis is to explore the usage of reflective volume Bragg gratings in photo-thermo-refractive glass for spectral control of solid-state lasers and optical parametric oscillators, to build tunable and narrowband coherent light-sources. In order to provide a design tool for use of reflective volume Bragg gratings in laser cavities, a theory was developed that describes the performance of the gratings if the incident beam has finite width with an angular spectrum that is comparable to the grating's angular acceptance bandwidth. Spectral control was demonstrated in a number of cw solid-state lasers, in terms of narrow bandwidth and tunable wavelength, by use of a volume Bragg grating. The design could be made very simple by replacing one of the cavity mirrors with the grating. Thanks to the grating's strong spectral selectivity, the lasers could be locked anywhere in the gain spectrum, while the laser bandwidth was substantially narrowed. In particular, the following lasers were demonstrated: Single-longitudinal-mode lasing in ErYb:glass at 1553 nm with 90 kHz linewidth and in Nd:GdVO4 at 1066 nm with a linewidth below 40 MHz. Very low quantum defect in Yb:KYW lasers, diode-pumped at 982 nm and lasing at 998 nm with 10 GHz bandwidth, as well as Ti:sapphire-pumped at 980 nm and lasing at 990 nm. An Yb:KYW laser that was widely tunable from 996 nm to 1048 nm with 10 GHz bandwidth. In nanosecond pulsed optical parametric oscillators (OPOs) based on periodically poled KTiOPO4, narrowband operation and a tunable wavelength were demonstrated with a volume Bragg grating as a cavity mirror. At a signal wavelength of 975 nm, the bandwidth was 50 GHz, a reduction by 20 times compared to using a conventional mirror. A tuning range of 21 THz was also demonstrated. In another OPO at a signal wavelength of 760 nm, a ring-cavity design was demonstrated to provide convenient tuning. A tuning range of 2.6 THz and a bandwidth of 130 GHz was shown. Also, narrowband operation and tuning in an OPO around 1 µm was demonstrated by use of a transversely chirped Bragg grating. / QC 20100813

The subject of this thesis is the exploration of new concepts for compact solid-state lasers in the visible and near-infrared spectral range using new components such as volume Bragg gratings for wavelength stabilisation and wavelength tuning. Also single-walled carbon nanotubes for mode-locking and Q-switching of lasers have been studied.We have developed a new method for the tuning of solid-state lasers by replacing a dielectric mirror with a transversally chirped volume Bragg grating, which allows smooth wavelength tuning without additional elements inside the laser cavity. The result is a more compact laser, since the tuning mechanism and output coupler are incorporated in one component. Another benefit is an increased efficiency, since additional elements inside the cavity will always add to the total loss of the laser. This has been demonstrated for a broadband ytterbium laser around 1 µm and a single-longitudinal-mode Nd:YVO4 laser around 1.06 µm. A volume Bragg grating has also been used to construct an efficient, narrow-linewidth ytterbium fiber laser and the employment of a volume Bragg gratingas the pump mirror of a solid-state laser for frequency-doubling has been investigated. Both lasers represent a practical solution, eliminating the use of additional intracavity elements. Second-harmonic generation is an efficient way to access the visible spectral range using diode-pumped solid-state lasers. However, these lasers can suffer from large amplitude fluctuations, which has been analyzed in more detail for an optically-pumped semiconductor disk-laser and a volume Bragg grating locked ytterbiumlaser. The control of those amplitude fluctuations is very important, since many applications like fluorescence microscopy require a laser with a constant output power and as little noise as possible. In addition to this, we have demonstrated, that saturable absorbers based on quan-tum dots and carbon nanotubes can be used to mode-lock compact laser at a wavelength around 1.03 µm. Those lasers have many interesting applications incommunications, clock generation, metrology and life sciences. / <p>QC 20130507</p>