Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4369
Main Title: Efficient frequency doubling of near infrared diode lasers using quasi phase matched waveguides
Translated Title: Effiziente Frequenzverdopplung von nah-infraroten Diodenlasern in quasi-phasenangepassten Wellenleitern
Author(s): Jedrzejczyk, Daniel
Advisor(s): Tränkle, Günther
Referee(s): Tränkle, Günther
Huber, Günter
Kneissl, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Frequenzverdopplung von nah-infraroten (NIR) Diodenlasern im einfachen Durchgang durch nichtlineare, periodisch gepolte Volumenkristalle stellt eine einfache Anordnung dar, um effiziente und kompakte, grün emittierende Laserstrahlquellen mit hoher Ausgangsleistung im Dauerstrichbetrieb und annähernd beugungsbegrenzter Strahlqualität zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Verwendung von Wellenleiterstrukturen anstelle von Volumenkristallen theoretisch und experimentell mit dem Ziel betrachtet, die Konversionseffizienz solcher Lasersysteme zu steigern. Insbesondere wird die Erzeugung der zweiten Harmonischen in periodisch gepolten Rippen- und Planarwellenleitern aus MgO-dotiertem Lithiumniobat (MgO:LN) ausführlich untersucht, um die Vorteile und Grenzen beider Strukturen bezüglich der maximalen Konversionseffizienz und der maximal erreichbaren Ausgangsleistung im grünen Spektralbereich zu finden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Frequenzverdopplung der Strahlung eines DBR-Rippenwellenleiterlasers in einem periodisch gepolten MgO:LN-Rippenwellenleiter betrachtet. Insbesondere wird dabei der Einfluss der Strukturinhomogenität, der optischen Absorption und der daraus resultierenden Wärmeentwicklung auf die Konversionseffizienz dieser nichtlinearen Wechselwirkung sowohl experimentell als auch durch numerische Simulationen ausführlich untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Frequenzverdopplung der Strahlung eines DBR-Trapezlasers in periodisch gepolten MgO:LN-Planarwellenleitern dargelegt. Zur Vorbereitung auf die Hochleistungsexperimente wird zunächst die normierte Konversionseffizienz in planaren Wellenleitern als Funktion von räumlichen Strahlparametern ausführlich untersucht, um die optimalen Werte und die dazugehörigen Toleranzen zu finden. Die Verwendung von periodisch gepolten MgO:LN-Wellenleiterstrukturen für die Frequenz-verdopplung von NIR-Diodenlasern führt in dieser Arbeit zu einer verbesserten opto-optischen Konversionseffizienz. Deren Erhöhung von ca. 20 % in Volumenkristallen auf hier nahezu 30 % in einem planaren Wellenleiter und auf ca. 40 % in einem Rippenwellenleiter wird beobachtet. Im Gegensatz zu Volumenkristallen ist die maximal erreichbare Ausgangsleistung in beiden Wellenleiterstrukturen jedoch begrenzt. In einem Rippenwellenleiter ist die maximale Leistung der zweiten Harmonischen auf nahezu 0,4 W begrenzt, und zwar durch die mit steigender NIR-Pumpleistung graduell auftretende Sättigung. Gleichzeitig wird eine Erhöhung der Ausbreitungsverluste beobachtet, die auf die nichtlineare Absorption zurückzuführen ist. Die nichtlineare Absorption beeinflusst den nichtlinearen Prozess der Frequenzverdopplung ab einer Intensität der zweiten Harmonischen von ca. 1,7 MW/cm2. Oberhalb einer Intensität der zweiten Harmonischen von ca. 3,1 MW/cm2 ist eine Sättigung der Leistung der zweiten Harmonischen zu beobachten. Für den Planarwellenleiter ergibt sich eine Leistungsgrenze für die zweite Harmonische von ca. 1,2 W, wiederum verursacht durch die mit steigender NIR-Pumpleistung graduell auftretende Sättigung. Jedoch kann im Gegensatz zum Rippenwellenleiter in den planaren Wellenleitern keine deutliche Erhöhung der Ausbreitungsverluste festgestellt werden. Des Weiteren wird hier die maximale Leistungsdichte der zweiten Harmonischen zu einem Wert von 0,3 MW/cm2 bestimmt, welcher im Vergleich zu der maximalen Intensität im Rippenwellenleiter um eine Größenordnung kleiner ist. Folglich ist die im Planarwellenleiter experimentell beobachtete Leistungsbegrenzung auf eine thermisch verursachte Störung der Quasi-Phasenanpassung zurückzuführen, die durch das für hohe Leistungen nicht geeignete Mantelmaterial des Wellenleiters verursacht wird. Höhere Ausgangsleistungen sind für optimierte planare Wellenleiterstrukturen zu erwarten. Die erzeugte Strahlung im grünen Spektralbereich ist durch ein einmodiges Emissionsspektrum und durch eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität gekennzeichnet. Sie ist deswegen für die Anwendungen im Bereich der Biomedizin, Biotechnologie und Spektroskopie gut geeignet.
Single-pass frequency doubling of near-infrared (NIR) diode lasers in quasi phase-matched nonlinear bulk crystals represents a straightforward approach to realize efficient and compact green emitting lasers in continuous-wave (CW) operation with a high output power and a nearly diffraction-limited beam quality. In this thesis, the application of waveguide structures, instead of bulk crystals, is investigated theoretically and experimentally with the objective of increasing the efficiency of such laser systems. In particular, a complemented study of second-harmonic generation (SHG) in periodically poled MgO-doped lithium niobate (MgO:LN) ridge and planar waveguides is conducted in order to identify all benefits and limitations for both geometries with respect to maximum conversion efficiency and accessible power in the green spectral region. In the first part of this work frequency doubling of a DBR ridge waveguide diode laser in a periodically poled MgO:LN ridge waveguide is studied. In particular, the influence of structural imperfection, optical absorption and subsequent heat generation on the conversion efficiency of the nonlinear interaction is investigated in-depth by means of experiments and numerical simulations. In the second part of this work frequency doubling of a DBR tapered diode laser in a periodically poled MgO:LN planar waveguide is investigated. Prior to high-power experiments, a comprehensive experimental study of the normalized SHG conversion efficiency in planar waveguides as a function of spatial diode laser beam parameters is carried out in order to provide optimum values with corresponding tolerances for subsequent experiments. The application of periodically poled MgO:LN waveguide structures for frequency doubling of NIR diode lasers results in this thesis in a distinct improvement of the opto-optical conversion efficiency. Its increase from approx. 20 % in a bulk crystal to almost 30 % in a planar waveguide and approx. 40 % in a ridge waveguide is achieved. However, unlike in a bulk crystal, the maximum generated power is limited in both waveguide geometries. In a ridge-waveguide the maximum second-harmonic (SH) power of nearly 0.4 W is limited due to its gradual saturation with increasing NIR pump power accompanied by an increase in the propagation loss, which is attributed to nonlinear absorption. The nonlinear absorption affects the SHG process starting from an SH wave intensity of approx. 1.7 MW/cm2. Above an SH wave intensity of approx. 3.1 MW/cm2 a saturation of the SH output power can be observed. In a planar waveguide the maximum generated SH power of approx. 1.2 W is limited due to its gradual saturation with increasing NIR pump power. However, unlike in case of the ridge waveguide, no distinct increase of loss in the investigated power range can be determined. In addition, the maximum SH wave power density is determined here to 0.3 MW/cm2, which is one order of magnitude lower compared to the maximum SH wave intensity in the ridge waveguide structure. Therefore, the experimentally observed power limitation in a planar waveguide is attributed to thermally induced quasi phase-matching distortion, caused by waveguide cladding material not suitable for high power operation. Higher maximum output power is expected for improved planar waveguide structures. The generated laser radiation in the green spectral range is characterized by a single-frequency spectrum and nearly diffraction-limited beam quality and is therefore well suited for applications in the fields of bio-medicine, bio-technology and spectroscopy.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-63766
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4666
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4369
Exam Date: 19-Dec-2014
Issue Date: 13-Mar-2015
Date Available: 13-Mar-2015
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Erzeugung der zweiten Harmonischen
Frequenzverdopplung
Wellenleiter
Diodenlaser
DBR-Spiegel
Trapezlaser
Second-harmonic generation
frequency doubling
waveguide
diode laser
distributed Bragg reflector
tapered laser
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