Characterization and optimization of a Kerr-lens mode-locked Cr:ZnSe laser

This work regards the optimization and the characterization of an ultrafast solid state laser, based on a Cr-doped ZnSe crystal, emitting in the mid-infrared around 2.4 µm exploiting the Kerr-lens effect. Light pulses of 42 fs time duration, with few optical cycles, were demonstrated in a specifically designed resonator for astigmatism compensation and dispersion management. A high purity spectral profile, with a maximum bandwidth of 9.07 THz, was obtained reducing the intracavity water absorption by nitrogen purging effect. Investigating the intensity noise transfer from the pump source to the laser output and in the transition from continuous wave (CW) to mode-locking (ML) regime, it was observed a resonant relaxation oscillations (RRO) suppression, ascribable to the inherent second-harmonic generation (SHG) in the Cr:ZnSe crystal. With a phase-locked loop control (PLL), the repetition frequency of the pulse train was stabilized, reducing the frequency fluctuations down to 130 µHz at 10 s of averaging time. Finally, combining the broad spectral emission with the Fourier Transform InfraRed spectroscopy (FTIR), the applicability of the laser source for high resolution gas spectroscopy was explored.

Il presente lavoro riguarda l’ottimizzazione e la caratterizzazione di un laser ultraveloce a stato solido, basato su un cristallo di seleniuro di zinco drogato con ioni di cromo, che emette nel medio infrarosso attorno a 2.4 µm sfruttando l’effetto lente Kerr. Sono stati dimostrati impulsi di luce della durata temporale di 42 fs, con pochi cicli ottici, in un risonatore specificatamente progettato per la compensazione dell’astigmatismo e per il controllo della dispersione. Riducendo l’assorbimento intracavità dell’acqua, per mezzo di epurazione con azoto, è stato ottenuto un profilo spettrale di elevata purezza, con una massima larghezza di banda di 9.07 THz. Investigando il trasferimento del rumore d’intensità dalla sorgente di pompa all’uscita del laser e nella transizione dal regime di onda continua a quello di mode-locking, è stata osservata una soppressione delle oscillazioni di rilassamento, ascrivibile alla generazione di seconda armonica, intrinseca del cristallo di cromo in seleniuro di zinco. Con un anello di controllo per l’agganciamento delle fasi, la frequenza di ripetizione del treno di impulsi è stata stabilizzata, riducendo le fluttuazioni di frequenza fino a 130 µHz ad un tempo di media di 10 s. Infine, combinando l’ampia banda spettrale di emissione con la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, è stata esplorata l’applicabilità della sorgente laser per spettroscopia sui gas ad alta risoluzione.