Femtosecond Ti : sapphire ring laser with a stabilized pulse repetition rate of 250 MHz

Abstract This thesis reports on the design, the development, and the characterisation of a femtosecond (fs) Ti:sapphire (Ti:Al2O3) laser in a ring configuration with a pulse repetition frequency of 250 MHz stabilised with respect to a Rubidium radio-frequency standard. The laser source operates in a self-starting passive mode-locking regime using the Kerr-lens effect in a 3.5-mm thick Ti:sapphire crystal. Pulse trains with a minimum duration of 20 fs, centred at a wavelength of 810 nm, and a maximum average output power of 550 mW were demonstrated with pump power threshold as low as 2.5 W. The stabilised pulse repetition rate shows a frequency stability of 0.1 mHz (4x10^(-13) in relative terms) for integration times longer than 100 s, which represents a significant stability improvement larger than 5 orders of magnitude with respect to the un-stabilised free-running condition. This source finds direct applications in the optical frequency comb field and high resolution spectroscopy. The first part of this work is focused on the realisation and optimisation of the mode-locked laser. The laser performance was completely characterised in both the continuous-wave and mode-locking regimes at different pump powers and output couplings. Particular attention was also devoted to the passive isolation of the laser cavity against environmental disturbances (vibration and air turbulence) and to the stabilisation of the active medium temperature. Effective compensation of the intra-cavity group-delay dispersion without the use of any intra-cavity prisms is obtained by using chirped mirrors. The second part is devoted to the design, development, and characterisation of the pulse repetition rate frequency stabilisation. By means of an optoelectronic phase-locked loop (PLL) acting on the laser cavity length by using a intra-cavity mirror glued on a piezoelectric transducer, the pulse repetition frequency was locked to a Rb standard. In particular, the fourth harmonic of the 250 MHz repetition frequency is locked against a low phase-noise 1 GHz voltage controlled oscillator, which is finally locked to a 10 MHz reference by a second PLL.

Questa tesi descrive la progettazione, lo sviluppo, e la caratterizzazione di un laser a Ti:zaffiro (Ti:Al2O3) in configurazione ad anello che emette un treno di impulsi con durata di alcune decine di femtosecondi (fs) e una frequenza di ripetizione di 250MHz stabilizzata rispetto a un campione di radiofrequenza a Rubidio. La sorgente laser opera in regime di mode-locking passivo sfruttando l'effetto Kerr (Kerr-lens mode-locking) nel cristallo di Ti:zaffiro e genera impulsi centrati alla lunghezza d'onda di 810 nm con una durata minima di 20 fs e una potenza di media massima di 550 mW. Quando la frequenza di ripetizione degli impulso è agganciata al campione a Rb presenta un minima instabilità di 0.1 mHz (4x10^-(13) in termini relativi) per tempi di integrazione più lunghi di 100 s. Tale livello rappresenta un miglioramento della stabilità superiore a 5 ordini di grandezza rispetto alla condizione in assenza di stabilizzazione (free-running). Questo laser trova importanti applicazioni nella sintesi di pettini di frequenze ottiche e nella spettroscopia ad alta risoluzione. La prima parte di questo lavoro si focalizza sulla realizzazione e sulla ottimizzazione del laser a Ti:zaffiro. L'oscillatore è stato completamente caratterizzato sia in regime di funzionamento continuo che impulsato al variare della potenza di pompa e dellaccoppiamento di uscita. Particolare attenzione è stata dedicata all'isolamento passivo della cavità laser rispetto ai disturbi ambientali (vibrazioni e turbolenza dell'aria) e alla stabilizzazione della temperatura del mezzo attivo. La compensazione della dispersione della velocità di gruppo all'interno della cavità è stata realizzata mediante limpiego di specchi chirpati. La seconda parte è invece dedicata alla progettazione, allo sviluppo e alla caratterizzazione del sistema di stabilizzazione della frequenza di ripetizione degli impulsi. Il sistema è basato su un anello di aggancio di fase (Phase-Locked-Loop) optoelettronico che agisce sulla lunghezza della cavità laser mediante un trasduttore piezoelettrico sul quale è incollato uno degli specchi della cavità laser. In particolare, la quarta armonica della frequenza di ripetizione è agganciata in fase ad un oscillatore a 1 GHz a basso rumore di fase, il quale è riferito mediante un secondo PLL al campione di frequenza a Rb.