dc.contributor.author
Wang, Yicheng
dc.date.accessioned
2018-06-07T17:21:28Z
dc.date.available
2017-12-04T10:14:51.321Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/3727
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7927
dc.description
Glossary of abbreviations VII Chapter 1 Introduction 1 Chapter 2 Tm3+ and Ho3+
doped laser active materials 9 2.1 Energy level schemes of Tm3+ and Ho3+ ions
12 2.2 Host materials 15 2.2.1 YAG and LuAG 21 2.2.2 CALGO and CALYO 24 2.2.3
KLuW and MgW 27 2.3 Comparison of the Tm- and Ho-doped laser materials 31
Chapter 3 Saturable absorbers 35 3.1 Characteristics of SAs used in mode-
locked SSLs 35 3.2 SESAMs 39 3.3 SAs based on carbon nanostructures 42 3.3.1
SWCNT-SAs 43 3.3.2 Graphene-SAs 45 3.4 Comparison of different SAs employed
for mode-locking at 2 µm 47 Chapter 4 Fundamentals of passive mode-locking 49
4.1 Pulse shaping effects 51 4.1.1 Dispersion 51 4.1.2 Dispersion compensation
54 4.1.3 Self-phase modulation (SPM) 58 4.2 Haus master equation 59 4.3
Passive mode-locking mechanisms 62 4.4 Solitons 62 4.5 Mode-locking stability
64 4.5.1 Q-switched mode-locking (QSML) instabilities 64 4.5.2 Soliton break-
up 66 Chapter 5 Passively mode-locked 2-µm lasers: experimental results 69 5.1
Experimental set-up 70 5.2 Mode-locking of garnet ceramics 73 5.2.1 Tm:YAG
ceramics 73 5.2.2 Tm:LuAG ceramics 76 5.2.3 Tunable mode-locked Ho:YAG ceramic
laser 80 5.3 Sub-ps Tm:CALGO laser 87 5.4 Femtosecond Tm:MgW laser 91 5.4.1
SESAM mode-locked Tm:MgW laser 91 5.4.2 SWCNT-SA mode-locked Tm:MgW laser 93
5.4.3 Graphene-SA mode-locked Tm:MgW laser 96 5.4.4 Summary of the mode-locked
Tm:MgW laser results 101 5.5 Summary and comparison of the mode-locked laser
results 102 Chapter 6 Conclusion and outlook 105 References 109 List of
publications 119 Acknowledgements 123
dc.description.abstract
This thesis is devoted to the development of novel passively mode-locked
lasers around 2 micron based on the Tm and Ho trivalent ion stimulated
emission in this spectral range. The main objective of the experimental work
was to investigate the limits of ultrashort pulse generation with this kind of
solid-state lasers. To this aim, novel active media and novel saturable
absorbers were studied and the performance of the mode-locked lasers was
characterized. A fundamental prerequisite for the generation of femtosecond
pulses from a mode-locked laser is the available gain bandwidth. For the given
two ions which have no alternative in this spectral range this can be
optimized in terms of flat and broad spectral gain cross-sections only by
selection of suitable host materials. The materials which were exclusively
available for this research included ceramic samples of the isotropic garnets
Y3Al5O12 (YAG) and Lu3Al5O12 (LuAG), one uniaxial disordered crystal, CaGdAlO4
(CALGO), and one biaxial crystal with pronounced distortion of the crystal
field, MgWO4. The samples used were designed on the basis of careful
spectroscopic characterization of the relevant properties and in particular
the anisotropy which offers more options for selection of the proper
orientation. The saturable absorbers employed in the 2 micron spectral range
included novel GaSb-based semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs)
with faster relaxation times, as well as low-loss carbon nanostructures
(graphene and single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) deposited on transparent
substrates, which typically exhibit broadband nonlinear response. All of them
can be considered as being slow in their recovery compared to the pulse
durations achieved. Stable and self-starting SESAM mode-locking was achieved
with three garnet ceramics (Tm:YAG, Ho:YAG, and Tm:LuAG) generating picosecond
pulses. Sub-picosecond durations were obtained with the SESAM mode-locked
Tm:CALGO laser. Finally, all the saturable absorbers were compared with the
Tm:MgWO4 crystal and for a specific orientation, this laser generated for the
first time sub-100 fs pulses which were characterized by frequency-resolved
optical gating (FROG) measurements.
de
dc.description.abstract
Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung von neuartigen, passiv
modengekoppelten Lasern im 2-µm Wellenlängenbereich auf der Basis von Tm- und
Ho-dotierten aktiven Materialien. Das Hauptziel der experimentellen Arbeit war
es, die Grenzen der Ultrakurzpulserzeugung mit dieser Art von Festkörperlasern
zu erforschen. Zu diesem Zweck wurden neuartige aktive Medien und neuartige
sättigbare Absorber untersucht und deren Potential in modengekoppelten Laser
charakterisiert. Eine Grundvoraussetzung für die Erzeugung von Femtosekunden-
Impulsen mit einem modengekoppelten Laser ist die verfügbare spektrale
Verstärkungsbandbreite. Diese sollte ein breites und flaches
Verstärkungsprofil aufweisen, was nur durch die Auswahl geeigneter
Wirtsmaterialen optimiert werden kann. Für Tm3+- und Ho3+-Ionen, welche im
2-µm Spektralbereich alternativlos sind, standen folgende Wirtsmaterialien
exklusiv zur Verfügung: keramische Proben der isotropen Granate Y3Al5O12 (YAG)
und Lu3Al5O12 (LuAG), ein uniaxialer ungeordneter Kristall, CaGdAlO4 (CALGO)
und ein biaxialer Kristall mit ausgeprägter Verzerrung des Kristallfeldes,
MgWO4. Die verwendeten Laserkristalle wurden auf der Grundlage einer
sorgfältigen spektroskopischen Charakterisierung der relevanten Eigenschaften
konzipiert. Der Anisotropie wurde besonderes Augenmerk gewidmet, da sie
Auswahlmöglichkeiten für geeignete Kristallorientierungen bietet. Die
eingesetzten sättigbaren Absorber für den 2-µm Spektralbereich umfassten
neuartige, auf GaSb basierende, sättigbare Absorberspiegel (SESAMs) mit kurzen
Relaxationszeiten sowie verlustarme Kohlenstoff-Nanostrukturen (Graphen und
einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, SWCNTs). Letztere wurden auf
transparenten Substraten abgeschieden und weisen typischerweise eine
breitbandige nichtlineare Response auf. Die Relaxationszeiten aller
eingesetzten sättigbaren Absorber sind lang im Vergleich zu den erreichten
Laserimpulsdauern. Stabile und selbststartende Modenkopplung unter Verwendung
von SESAMs wurde mit drei Granatkeramiken erreicht (Tm:YAG, Ho:YAG und
Tm:LuAG). Die emittierten Pulsdauern lagen bei wenigen Pikosekunden. Kürzere
Pulse, im sub-Pikosekundenbereich, wurden mit dem gleichen Prinzip mit einen
Tm:CALGO Laser erzielt. Der Vergleich aller eingesetzter sättigbarer Absorber
wurde mit dem, hinsichtlich der spektroskopischen Eigenschaften,
vielversprechendsten aktiven Material, Tm:MgWO4, durchgeführt. Unter
Verwendung eines Graphen-basierten sättigbaren Absorbers und einer
spezifischen Kristallorientierung wurden erstmals Impulse mit sub-100 fs Dauer
für Festkörperlaser im 2-µm Spektralbereich erzeugt. Die Charakterisierung
dieser Pulse mittels frequenzaufgelöstem optischem Gating (FROG) lieferte eine
nahezu Fourier-limitierte Pulsqualität.
de
dc.format.extent
VIII, 124 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Tm- and Ho-doped laser materials
dc.subject
mode-locked solid-state lasers
dc.subject
femtosecond pulses
dc.subject
eye-safe 2-micron ultrafast lasers
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
dc.title
Passive mode-locking of 2-μm solid-state lasers
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Marcus Vrakking
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Ivan Buchvarov
dc.date.accepted
2017-11-06
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000105940-9
dc.title.subtitle
Towards sub-10 optical cycle pulse generation
dc.title.translated
Passive Modenkopplung von Festkörperlasern im Wellenlängenbereich um 2 µm
de
dc.title.translatedsubtitle
Schritte zur Erzeugung von Oszillator-Laserpulsen mit einer Dauer kürzer 10
optischer Zyklen der Lichtwelle
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000105940
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000022792
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free
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open access