[論文レビュー] Directly diode-pumped, Kerr-lens mode-locked, few-cycle Cr:ZnSe oscillator

Nathalie Nagl, Sebastian Gröbmeyer+4 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 60被引用数 56

ひとこと要約

本論文は、1650 nmのInPレーザーダイオード1個を用いて直接ダイオード励起し、Kerrレンズモードロック（KLM）方式を採用した初のCr:ZnSeレーザーオシレーターを提案する。平均出力が500 mWを超えており、45 fsのパルス幅を達成した。これは2.4 µmにおける6未満の光学周期に相当し、従来のダイオード励起系に比べてピークパワーが60倍に増加した。また、ファイバーパンチング方式と同等の性能を達成した。

ABSTRACT

Lasers based on Cr$^{2+}$-doped II-VI material, often known as the Ti:Sapphire of the mid-infrared, can directly provide few-cycle pulses with super-octave-spanning spectra, and serve as efficient drivers for generating broadband mid-infrared radiation. It is expected that the wider adoption of this technology benefits from more compact and cost-effective embodiments. Here, we report the first directly diode-pumped, Kerr-lens mode-locked Cr$^{2+}$-doped II-VI oscillator pumped by a single InP diode, providing average powers of over 500 mW and pulse durations of 45 fs - shorter than six optical cycles at 2.4 $\mu$m. These correspond to a sixty-fold increase in peak power compared to the previous diode-pumped record, and are at similar levels with respect to more mature fiber-pumped oscillators. The diode-pumped femtosecond oscillator presented here constitutes a key step towards a more accessible alternative to synchrotron-like infrared radiation, and is expected to accelerate research in laser spectroscopy and ultrafast infrared optics.

研究の動機と目的

• ファイバーパンチング方式の中赤外フェムト秒レーザーの代替として、コンactでコスト効率が良く、効率の高いソリューションを開発すること。
• Cr:ZnSeレーザーにおける低出力・低輝度のダイオード励起の限界を克服し、高ビーム品質を実現する直接ダイオード励起を可能とすること。
• ダイオード励起増幅媒質を用いたKerrレンズモードロックにより、中赤外域で超短い数周期パルスを達成すること。
• 高精度分光法や周波数コンブ応用に適した、低アーモニックノイズ性能を実証すること。

提案手法

• 1650 nmのInPレーザーダイオードを用いて、5 mmの多結晶性Cr:ZnSe結晶を励起し、最大3.6 Wの出力が得られた。
• ダイオードビームを非球面レンズおよび円柱レンズを用いて整形し、結晶面での焦点径を約50 µm × 90 µmにした。
• 曲面ミラーとYAGプレートを組み合わせた非対称Xフォールドキャビティを採用し、収差を最小限に抑え、キャビティ分散を制御した。
• ソフトアパーチャーKerrレンズモードロックを、機械的ミラー移動によって開始させ、超短パルスの自己開始を実現した。
• 群速度遅延分散（GDD）は、ブレーズター角に配置した3 mmのサファイアプレートで補償し、三次分散（TOD）はカスタム設計の分散ミラーで補正した。
• アーモニックノイズは、低ノイズ電流源、InGaAsフォトダイオード、DCフィルタ付きRFスペクトラムアナライザーを用いて、周波数倍倍のパルス列から測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接ダイオード励起されたCr:ZnSeオシレーターは、ファイバーパンチング方式と同等のフェムト秒パルス幅を達成できるか？
• RQ2 単一発光素子レーザーダイオードを用いた直接ダイオード励起で、得られる最大平均出力およびパルス幅は何か？
• RQ3 ダイオード励起KLM方式のCr:ZnSeオシレーターのアーモニックノイズ性能は、既に確立されたファイバーパンチング方式と比べてどうか？
• RQ4 コンパクトでモノリシックなキャビティにおける分散管理は、高ビーム品質を維持しながら2.4 µm帯で数周期パルスを実現できるか？
• RQ5 ダイオードビームの非対称性および熱負荷が、モードロック安定性および効率に与える影響は何か？

主な発見

• オシレーターは、平均出力が500 mWを超えており、パルス幅は45 fsであり、2.4 µmにおける6未満の光学周期に相当する。
• これは、従来のダイオード励起記録に比べてピークパワーが60倍に増加したことを意味し、より成熟したファイバーパンチング方式と同等の性能を達成した。
• 20 Hz～1 MHz帯域における統合RMS相対強度ノイズ（RIN）は0.068%未満と測定され、優れた低ノイズ性能を示した。
• 3時間にわたる測定で、平均出力のRMS変動が0.12%未満に抑えられ、長期的な安定性が確認された。
• 単一発光素子ダイオードの使用により、高ビーム品質と効率的なモードロックが実現され、ダイオードバーの限界を克服した。
• サファイアプレートとカスタム設計の分散ミラーを用いた分散管理により、ソリトンモードロックと変換制限領域へのパルス圧縮が可能になった。