Power-scaling of ultrafast thulium-doped fiber-laser systems

Ultrafast lasers have made possible and/or revolutionized many industrial and scientific applications, with prominent examples being materials processing, optical-frequency metrology, spectroscopy, atomic physics and laser-plasma acceleration. Most of these applications have been traditionally driven by high-power, ultrafast lasers operating at 1 μm wavelength that combine high peak-power with high pulse repetition-frequency. Some of these applications require laser-like radiation in exotic wavelength regions (e.g. the extreme ultraviolet, the mid-infrared or the THz-region), which are typically accessed through frequency conversion techniques, e.g. high-harmonic generation, optical-parametric down-conversion or two-color plasma THz-generation. Considering the inherent wavelength-scaling laws of these frequency-conversion schemes, it becomes clear that significant advances can be expected with the use of longer wavelength, ultrafast driving lasers. However, these advantages are currently unexploited due to the insufficient power levels achievable.
This thesis is dedicated to the power-scaling of ultrafast thulium-doped fiber laser systems (TDFLs) that operate at around 2 μm wavelength with the goal of developing them to the point at which they can address the requirements of these demanding applications. When this work started, ultrafast TDFLs were considered a laboratory curiosity. This was because, at the time, the emitted peak- and average-power levels were roughly two orders of magnitude lower than those achieved by state-of-the-art ytterbium-doped fiber laser systems (YDFLs) at 1 μm wavelength. Additionally, the difficulty of power scaling TDFLs was widely acknowledged. The severe challenges are associated with the complex energy-level structure and lower efficiency of thulium, the lack of high-power pump diodes and optical components as well as atmospheric water-vapor absorption. The lower efficiency leads to a significantly enhanced heatload upon amplification, which is the primary difficulty for average-power scaling. Despite these challenges, the longer operation wavelength is very attractive since it offers a hidden power scaling potential, as most common limitations in fiber lasers, such as nonlinearities or transverse-mode instability (TMI), scale favorably with this parameter. Furthermore, thulium-doped fused silica provides a very broad gain bandwidth that theoretically supports the amplification of <100 fs pulses.
The first part of this thesis deals with the peak-power scaling of ultrafast TDFLs. In analogy to the technology of ultrafast YDFLs, this involves the design and development of a chirped-pulse amplification system that incorporates an effective single-mode, rod-type fiber amplifier with a core diameter of 80 μm. Experiments and simulations have been carried out to analyze the impact on the achievable peak-power of atmospheric water-absorption, pulse-amplitude shaping and the average-power-dependent mode-field-area shrinking. The optimization of the system following the results of this analysis allowed for a peak power of 3.3 GW and a compressed pulse duration of 93 fs at a pulse repetition frequency of 100 kHz. The second part of this thesis investigates the average-power capabilities of ultrafast TDFL. In this context, an in-depth analysis of the amplification characteristics of TDFLs with regard to cooling conditions, fiber dimensions and energy-transfer processes has been performed. Based on these findings, an ultrafast TDFL delivering 1.06 kW of average-power and 265 fs pulses has been realized, representing the highest average-power delivered by any ultrafast fiber laser to date. Moreover, the effect of TMI has been observed in a TDFL for the very first time, providing experimental insight on the wavelength dependence of this effect. Additional high average-power experiments have been performed with short rod-type fibers and record average heatloads of 300 W/m have been observed without the onset of TMI. The findings from the high-power experiments together with an analysis of the amplification characteristics through simulations further unveil the great powerscaling potential of ultrafast TDFLs. It is predicted that a significant power-scaling of TDFLs beyond the current limitations of their ytterbium-doped counterparts is possible, undoubtedly answering the rising demand for high-power long-wavelength ultrafast lasers. Ultraschnelle Laser haben viele industrielle und wissenschaftliche Anwendungen ermöglicht und/oder revolutioniert. Prominente Beispiele sind die Materialbearbeitung, Messverfahren für optische Frequenzen, die Spektroskopie, die Atomphysik und die Laserplasmabeschleunigung. Die meisten dieser Anwendungen basieren auf ultraschnellen Hochleistungslasern, die traditionell bei einer Wellenlänge von 1 μm arbeiten und hohe Spitzenleistung mit hoher Pulswiederholrate kombinieren. Einige dieser Anwendungen erfordern jedoch laserähnliche Strahlung in exotischen Wellenlängenbereichen (z. B. im extremen Ultraviolett, im mittleren Infrarot oder im THz-Bereich), die typischerweise durch Frequenzumwandlung, z.B. mit der Erzeugung hoher Harmonischer, der optisch-parametrischen Abwärtskonvertierung oder der Zwei-Farben-Plasma-THz-Erzeugung, generiert wird. In Anbetracht der inhärenten Wellenlängenabhängigkeiten dieser Frequenzumwandlungsschemata wären mit der Verwendung von ultraschnellen, langwelligen Lasern signifikante Fortschritte zu erwarten. Diese Vorteile werden jedoch aufgrund der bislang unzureichenden Laserleistung nicht vollständig ausgenutzt.
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Leistungsskalierung von ultraschnellen Thulium-dotierten Faserlasersystemen (TDFL) bei einer Wellenlänge von etwa 2 μm, mit dem Ziel die steigende Nachfrage für diese anspruchsvollen Anwendungen zu beantworten. Als diese Arbeit begann, waren ultraschnelle TDFL nicht mehr als eine akademische Kuriosität. Zum einen waren die emittierten Spitzen- und Durchschnittsleistungen zu diesem Zeitpunkt ungefähr zwei Größenordnungen niedriger als der Stand der Technik mit Ytterbium-dotierten Faserlasersystemen (YDFL) bei 1 μm Wellenlänge erlaubte. Zum anderen war die Schwierigkeit der Leistungsskalierung von TDFL allgemein anerkannt. Die großen Herausforderungen sind mit der komplexen Energieniveausstruktur und der geringeren Effizienz von Thulium, mit dem Fehlen von Hochleistungspumpendioden und optischen Komponenten sowie mit der atmosphärischen Wasserdampfabsorption verbunden. Die niedrige Effizienz führt bei der Verstärkung zu einer deutlich erhöhten Wärmelast, was die Hauptschwierigkeit für die Skalierung der Durchschnittsleistung darstellt. Trotz dieser Herausforderungen ist die längere Betriebswellenlänge sehr attraktiv, da sie ein verborgenes Potenzial für die Leistungsskalierung bietet. Die typischen Einschränkungen bei Faserlasern, wie z.B. Nichtlinearitäten oder die transversale Modeninstabilität (TMI), skalieren günstig mit der Wellenlänge. Darüber hinaus bietet Thulium-dotiertes Quarzglas eine sehr große Verstärkungsbandbreite, die theoretisch die Verstärkung von <100 fs-Pulsen unterstützt.
Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Skalierung der Spitzenleistung ultraschneller TDFL. In Analogie zur Technologie von ultraschnellen YDFL umfasst dies den Entwurf und die Entwicklung eines gestreckten-Puls Verstärkungssystems (CPA), das einen effektiv einmodigen Stabfaserverstärker mit einem Kerndurchmesser von 80 μm enthält. Experimente und Simulationen wurden durchgeführt, um die Auswirkungen der atmosphärischen Wasserabsorption, der Pulsamplitudenformung und der durchschnittsleistungsabhängigen Verkleinerung der Modenfeldfläche auf die erreichbare Spitzenleistung zu analysieren. Die Optimierung des Systems nach den Ergebnissen dieser Analyse ermöglichte eine Spitzenleistung von 3,3 GW und eine komprimierte Pulsdauer von 93 fs bei einer Pulswiederholrate von 100 kHz. Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht die Skalierung der Durchschnittsleistung von ultraschnellen TDFL. In diesem Zusammenhang wurde eine tiefgründige Analyse der Verstärkungseigenschaften von TDFL hinsichtlich der Kühlbedingungen, der Faserdimensionen und der Energieübertragungsprozesse durchgeführt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein ultraschneller TDFL mit 1,06 kW Durchschnittsleistung und 265 fs Halbwertsdauer realisiert, was die höchste durchschnittliche Leistung darstellt, die bisher von einem ultraschnellen Faserlaser erreicht wurde. Darüber hinaus wurde der Effekt von TMI zum ersten Mal in einem TDFL beobachtet, was experimentelle Einblicke in die Wellenlängenabhängigkeit dieses Effekts ermöglicht. Weitere Experimente mit hoher Durchschnittsleistung wurden mit einer kurzen Stabfaser durchgeführt, und eine durchschnittliche Wärmelast von 300 W/m wurde ohne das Auftreten von TMI beobachtet. Die Ergebnisse der Hochleistungsexperimente zusammen mit einer Analyse der Verstärkungseigenschaften durch Simulationen zeigen das große Potenzial zur weiteren Leistungsskalierung ultraschneller TDF auf. Es wird vorausgesagt, dass eine signifikante Leistungsskalierung von TDFL über die derzeitigen Beschränkungen ihrer mit Ytterbium dotierten Gegenstücke möglich ist, was langfristig zweifellos die steigende Nachfrage nach leistungsstarken, langwelligen Ultrakurzpulslasern beantworten wird.