High-power Erbium doped WGM laser

Miniaturized high power lasers are greatly requested for future applications in several fields such as LIDAR, digital optical information processing and laser processing. A valid platform to achieve such goal are Whispering-Gallery-Mode (WGM) microresonators. These devices dimensionally ranging in the micrometer regime confine light through frustrated total internal reflection mechanism. Because of the high Q factor (>10^7), small modal volume and low threshold power, they are extremely effective platforms to achieve CW lasing. However, one of the challenges is indeed the attainment of high power lasing. For such reason, this study aims at facing the problem by providing a theoretical description, fabrication method, numerical analysis and lasing experiment on WGM resonators. Specifically, this is achieved in six chapters. The first chapter introduces the history and background of miniaturized and Er-doped lasers, applications and sets the objective of the thesis. The second chapter provides a theoretical description on WGM resonators, evanescent waves and WGM coupling. The third chapter focuses on Erbium, its deployment as a medium for obtaining lasing and on the Quasi-Three-level laser model. The fourth chapter explains the fabrication method of the resonators, the pumping setup design and its construction, and the laser characteristics obtained through the experiment. In chapter five a numerical analysis on the thermal distribution in cavities with different features is explored. In the sixth and last chapter, a summary of the whole work is given, along with an outlook and future developments. This study represents a first attempt on the realization of Er-doped disk resonator as a source of high power CW lasing. By pumping the cavity with a multi-mode laser diode in the 980 nm wavelength range and outcoupling with tapered fiber, orange-red emission was observed and output power in the 1600 nm range monitored. The highest achieved output power is extremely low due to the poor extraction efficiency of taper fiber setup, however the luminescence phenomenon and the trend of the output power versus input power represent strong evidence of a lasing cavity.

I laser miniaturizzati e ad alta potenza sono estremamente richiesti per applicazioni future quali LIDAR, digital optical information processing e laser processing. Una piattaforma valida per il raggiungimento di tale obiettivo sono i microrisonatori Whispering-Gallery-Mode (WGM). Questi dispositivi, dimensionalmente nel regime del micrometro, confinano la luce tramite il meccanismo di riflessione interna totale. Grazie agli alti valori di Q (>10^7), ridotti volumi modali e bassi valori di potenza di soglia, essi rappresentano piattaforme molto efficaci per l’ottenimento del laseraggio CW. Tuttavia, una delle difficoltà è proprio il raggiungimento di un’alta potenza in uscita. Pertanto, questo studio affronta tale problema descrivendo teoria, fabbricazione, simulazione numerica e esperimento per ottenere il laseraggio tramite i microrisonatori WGM. A tal fine, il lavoro è suddiviso in sei capitoli. Il primo capitolo introduce la storia e il background dei laser miniaturizzati e dopati in erbio, le applicazioni e infine viene stabilito l’obiettivo della tesi. Il secondo capitolo fornisce una descrizione teoretica sui risonatori WGM, le onde evanescenti e l’accoppiamento WGM. Il terzo capitolo introduce l’Erbio come materiale per ottenere laseraggio e il modello di laser a Quasi-Tre-livelli. Il quarto capitolo spiega il metodo di fabbricazione utilizzato per i risonatori, il design dello schema di pompaggio, la sua costruzione, e le caratteristiche del laser ottenute tramite l’esperimento. Nel quinto capitolo viene illustrata la simulazione numerica sulla distribuzione termica in diverse cavità. Il sesto ed ultimo capitolo riassume tutto il lavoro, fornisce una prospettiva generale sul tema e i suoi sviluppi futuri. Questo studio rappresenta un primo tentativo nella realizzazione di un risonatore a disco, dopato in Erbio, come fonte di CW lasing ad alta potenza. Pompando la cavità con un diodo multimodale a 980 nm e disaccoppiando tramite fibra conica, è stata osservata un’emissione di colore arancione-rosso e monitorata la potenza intorno 1600 nm. Il valore di potenza più alto misurato è estremamente basso a causa della scarsa efficienza di estrazione tramite fibra conica. Nonostante ciò, la luminescenza osservata e l’andamento della potenza in uscita versus quella in entrata rappresentano prove solide di una cavità in laseraggio.