Spectral Control of Functional Fiber Sources

This thesis is based on five projects aimed at spectral control of fiber-based laser architectures. Two of these concern electrically wavelength-tunable laser sources, namely a fiber amplifier system for CO2-monitoring and a novel tunable laser design for flexible pulsed operation. The remaining three projects are devoted to ultrafast systems; with the development of a testbed cavity for ultrafast fiber laser optimization and a numerical model for analyzing ultrafast fiber-based amplification, as well as a study of length optimization of anomalous dispersion fibers for supercontinuum generation. The first electrically tunable source, i.e. the CO2-monitoring system, was based on a narrow-band laser, with a tunable wavelength at 1572±1.5 nm., that was boosted to watt-level powers in a single fiber amplifier. This enabled the first demonstration of a new technique for atmospheric CO2-monitoring, which alleviates the laser requirements for such applications. The novel cavity design only comprised three standard components and had a tuning range of 35 nm. Despite the simple layout, it also supported versatile and controllable time-multiplexed multi-wavelength operation. Spectral control not only entails operating wavelength but also achievable bandwidths, which is crucial in ultrafast systems —as it dictates attainable pulse durations. The testbed cavity, incorporating an intra-cavity compressor for dispersion control, was thus developed to facilitate characterization of key parameters to reach target performance. This enabled the preparation of a saturable absorber that could support stable pulses in three different regimes, with pulses of 7–31 nm bandwidths and durations of a few picoseconds down to hundreds of femtoseconds. Stable operation of such lasers is typically obtained at low powers. They are thus often paired with amplifiers to reach power requirements. Fiber amplifiers are notably adapted for high repetition-rate sources, due to geometrically favorable heat-dissipation. Yet, high intensities and long interaction lengths require attention to nonlinear and dispersive effects. A numerical model accounting for these during amplification was thus developed. The accurately reproduced experimental results demonstrate the model’s utility, i.e. enabling studies of various design aspects, in system development. The achievable peak powers from such systems make them ideal for nonlinear interactions to extend the spectral coverage, e.g. supercontinuum generation in adapted fibers with anomalous dispersion —where light propagates faster for shorter wavelengths. Yet, such fibers are known for fluctuations owing to the onset of intricate nonlinear and dispersive dynamics. The last study in this thesis did however find that length optimization of such fibers is a viable technique for improving the stability, while still retaining broad spectra.Den här avhandlingen är baserad på fem projekt inriktade på spektral kontroll av fiberbaserade laserkällor. Två av dem avser elektriskt våglängdsavstämbara lasersystem, närmare bestämt ett förstärkarsystem för CO2-mätning och en ny avstämbar laserdesign för flexibla driftsätt. De tre andra projekten avser ultrasnabba system; med utveckling av en flexibel kavitet för optimering av ultrasnabba fiberlasrar och en numerisk modell för att analysera ultrasnabb fiberbaserad förstärkning, samt en studie av längdoptimering av fibrer med anomal dispersion för superkontinuumgenerering. Den elektriskt avstämbara källan i CO2-mätningssystemet baserades på en smalbandig laser, med en kontrollerbar våglängd mellan 1570.5–1573.5m, som förstärktes upp till watt-nivåer i en fiberförstärkare. Detta möjliggjorde den första realiseringen av en ny metod för atmosfärisk CO2-mätning, vilken minskar kraven på lasrarna i sådana tillämpningar. Den nya kavitetsdesignen bestod av tre standardkomponenter och hade ett avstämbart våglängdsspann på ~35 nm. Trots den enkla layouten så kunde lasern emittera versatila tidsmultiplexerade multipla våglängder. Spektral kontroll avser inte enbart laservåglängd utan även uppnåeliga bandbredder, vilka är av yttersta vikt i ultrasnabba system —då dessa avgör pulslängderna. En flexibel fiberlaserdesign, vilken inkluderade en intrakavitär kompressor för dispersionskontroll, utvecklades därav för att förenkla karaktäriseringen av nyckelparametrar för att på så sätt uppnå ideal prestanda. Preparering av en mättnadsbar absorbator som kunde stabilisera tre olika pulstyper, med bandbredder på 7–31 nm och pulslängder från fåtals pikosekunder ner till hundratals femtosekunder, var således möjlig. Den här sortens lasrar stabiliseras oftast bäst vid låga effekter. De åtföljs därav ofta av förstärkare för att uppnå effektkrav. Fiberförstärkares fördelaktiga värmeavledande geometri gör dem ideala för högrepetitionsljuskällor, men de höga intensiteterna och de långa interaktionssträckorna kräver att hänsyn tas till icke-linjära samt dispersiva effekter. Därav utvecklades en numerisk model som inkorporerade dessa i förstärkningsprocessen. De noggrant reproducerade experimentella resultaten påvisar modellens användbarhet i systemutveckling vad gäller analyser av diverse designaspekter. De höga toppeffekterna från sådana system gör dem ideala för spektralbreddning via icke-linjära effekter genom så kallad superkontinuumgenerering. Detta görs enkelt i specialdesignade fibrer som har anomal dispersion —där ljus propagerar snabbare ju kortare våglängden är. Sådana fibrer är dock kända för att bidra till fluktuationer till följd av intrikata icke-linjära och dispersiva effekter. Resultaten från den sista studien i den här avhandlingen visar dock att längdoptimering av sådana fibrer möjliggör breda spektrum med bra stabilite