Pump and laser mode-matching under thermal lensing in the Yb,Er:glass laser : study and optimization

Diode-pumped lasers have become increasingly popular because of their extremely desirable operating characteristics, such as single longitudinal and transverse mode operation, high efficiency, linear polarization, and enhanced stability. Moreover, the combination of this high performance and relatively low cost makes such lasers attractive for a variety of applications, including optical communications, fiber sensors, and spectroscopy. In this Thesis, we study the design and optimization of an Yb,Er: glass laser starting from the experiments and measurements done by our colleagues at the Optical and Electronic Measurements laboratory in the Department of Electronics, Information and Bioengineering of the Politecnico di Milano (POLIMI), also in collaboration with the Bauman Moscow State Technical University (BMSTU). In particular, we present a theoretical study on the thermal lensing effect and on mode-matching in an Yb,Er: codoped phosphate glass laser, with longitudinal optical pumping. Starting from the specific structure of the ytterbium and erbium energy levels, laboratory data, and scientific papers, we study the behaviour of the active medium under pumping conditions, deriving a theoretical model for the calculation of the absorbed pump power which is then useful for the theoretical estimation of the thermal focal length. We then analyze the stability of the laser cavity through ABCD matrix calculations and measure the variation of the laser beam waists in presence of a strong thermal lensing, in order to estimate the pump-to-laser mode-matching efficiency. Finally, various optimization techniques are presented with the goal of improving the laser performance. Our results show that in order to mitigate the thermal lensing effect, regardless on the input pump power, and therefore to achieve always a good pump-to-laser mode-matching, the best operating condition for a laser cavity requires a short radius of curvature of the second mirror and, consequently, a short cavity length.

Al giorno d'oggi i laser pompati a diodo sono sempre più popolari per le loro caratteristiche operative estremamente vantaggiose, come il funzionamento in singolo modo longitudinale e trasversale, alta efficienza, polarizzazione lineare e maggiore stabilità. Inoltre, la combinazione di queste ottime prestazioni e il costo relativamente basso, rende questi laser attraenti per una serie di applicazioni, tra cui le comunicazioni ottiche, i sensori in fibra e la spettroscopia. In questa Tesi studiamo la progettazione e l'ottimizzazione di un laser a vetro fosfato Yb,Er partendo dagli esperimenti e dalle misure effettuate dai nostri colleghi nel laboratorio di Misure Ottiche ed Elettroniche del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano (POLIMI), in collaborazione con la Bauman Moscow State Technical University (BMSTU). In particolare, presentiamo uno studio teorico sull'effetto di Thermal lensing e sul Mode-matching in un laser in vetro fosfato Yb,Er con pompaggio ottico longitudinale. Partendo dalla struttura specifica dei livelli energetici dell'itterbio e dell'erbio, da dati di laboratorio e da articoli scientifici, studiamo il comportamento del mezzo attivo in varie condizioni di pompaggio, ricavando un modello teorico per il calcolo della potenza di pompa assorbita nel materiale, utile poi per la stima teorica della lunghezza focale della lente termica. Si analizza, quindi, la stabilità della cavità laser tramite calcoli con matrici ABCD e si misura la variazione della larghezza del modo laser in presenza di forte Thermal lensing, al fine di stimare l'efficienza di Mode-matching tra il modo di pompa e il modo laser allo specchio piano del mezzo attivo. Infine, vengono presentate varie tecniche di ottimizzazione con l'obiettivo di migliorare le prestazioni del laser. I nostri risultati mostrano che per mitigare l'effetto di Thermal lensing, indipendentemente dalla potenza di pompa in ingresso, e quindi per ottenere sempre un buon Mode-matching tra il modo di pompa e il modo laser, la migliore condizione operativa per una cavità laser richiede l’utilizzo di un secondo specchio con un raggio di curvatura corto e, di conseguenza, una cavità relativamente piccola.