Faculté des sciences

Compact ultrafast frequency combs

Hakobyan, Sargis ; Südmeyer, Thomas (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2018.

Optical frequency combs provide a direct and phase-coherent link between the optical spectral region of the electromagnetic spectrum (i.e., hundreds of THz frequencies) and the radio-frequency domain (MHz-GHz frequencies). As a result, they constitute a unique and powerful tool for various applications such as broadband high-resolution molecular spectroscopy, optical metrology, astrophysics,... More

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    Résumé
    Les peignes de fréquences optiques fournissent un lien direct et cohérent entre les domaines optiques (fréquence de quelques centaines de THz) et micro-ondes (fréquence dans les MHz ou GHz) du spectre électromagnétique. Ils constituent un outil unique et puissant pour de nombreuses applications telles que la spectroscopie moléculaire à haute-résolution et à large spectre, la métrologie optique, l'astrophysique, les horloges atomiques, la physique fondamentale et de nombreux autres domaines de recherche. Les peignes de fréquence avec un haut taux de répétition sont d'un intérêt particulier pour les applications pouvant bénéficier d'une puissance modale élevée et d'une faible densité de modes, qui facilite la sélection et le filtrage des modes individuels et augmente le rapport signal sur bruit dans des mesures sensibles.
    Les lasers à verrouillage de mode à corps solide pompés par diode représentent une approche avantageuse pour la réalisation de peignes de fréquence de haute puissance et à taux de répétition élevé. Dans cette thèse, un peigne avec un taux de répétition de 1 GHz a été développé à partir d'un laser à verrouillage de mode émettant à une longueur d'onde de 1 μm. Le laser émet plus de 2 W de puissance moyenne dans des impulsions inférieures à 100 fs. Ce laser représente une étape importante vers la réalisation de peignes de fréquence compacts et économiquement avantageux puisqu'il est pompé par une diode laser multimode de bas coût. Le spectre du laser a été entièrement stabilisé par le verrouillage en phase simultané du taux de répétition sur une référence radiofréquence (RF) à l'aide d'un élément piézo-électrique contrôlant la longueur de la cavité, et du décalage de fréquence entre porteuse et enveloppe (carrier-envelope offset - CEO - en anglais) par la méthode traditionnelle de rétroaction sur le courant de la diode de pompe. Cela a été réalisé à l'aide d'une électronique de modulation spécifiquement développée pour atteindre une haute bande passante de modulation qui est requise pour réduire le bruit généralement élevé du battement CEO dans les lasers à haut taux de répétition. Une analyse détaillée des propriétés de bruit du peigne est présentée, qui a permis d'identifier les sources de bruit dominantes et de réduire leur impact. Ainsi, la limitation apparaissant à basses fréquences de Fourier dans le bruit de fréquence d'une raie optique, qui provient du plancher de bruit de la référence RF utilisée dans la stabilisation du taux de répétition, a été repoussée en stabilisant une raie optique du peigne sur une référence optique. La référence optique est un laser ultrastable avec une largeur de raie de quelques hertz. Ainsi, un peigne de fréquence avec un taux de répétition de 1 GHz, une puissance moyenne de 2.1 W et une largeur des raies optiques d'environ 150 kHz a été démontré. La méthode traditionnelle de stabilisation du battement CEO par rétroaction sur le courant de la diode de pompe est limitée en termes de bande passante par la dynamique de la cavité laser. Cela constitue une limitation majeure dans les peignes de fréquence à haut taux de répétition. Pour repousser cette limite, la première stabilisation du battement CEO dans un peigne de fréquence avec un taux de répétition dans la gamme du GHz par modulation opto-optique (OOM) d'un miroir saturable est présentée dans cette thèse. Avec cette méthode, la bande passante de stabilisation du laser Yb:CALGO a été augmentée d'un facteur 2 par rapport à l'approche traditionnelle utilisant une modulation du gain.
    Une autre technologie attractive pour la réalisation de peignes de fréquence GHz sont les lasers à guide d'onde. Comme premier pas dans cette direction, des lasers à guide d'onde dopés à l'ytterbium ont été étudiés en régime d'émission continue et en mode déclenché (Q-switched). Les lasers à guide d'onde constituent l'une des technologies les plus prometteuses pour la réalisation de lasers impulsionnels intégrés. Un laser à guide d'onde Yb:YAG de haute efficacité est démontré dans ce travail, délivrant des impulsions en mode déclenché avec une énergie de plusieurs μJ par impulsion et une puissance moyenne de 5.6 W. Ces performances ont été rendues possibles par les récents progrès réalisés dans les techniques de gravure de guides d'onde par lasers femtosecondes développées à l'université de Hambourg et dans la croissance de miroirs saturables à semiconducteurs à l'ETH Zürich. Les lasers développés constituent une source attractive pour de nombreuses applications telles que pour des processus non-linéaires, des lidars, ou pour le micro-usinage.
    Summary
    Optical frequency combs provide a direct and phase-coherent link between the optical spectral region of the electromagnetic spectrum (i.e., hundreds of THz frequencies) and the radio-frequency domain (MHz-GHz frequencies). As a result, they constitute a unique and powerful tool for various applications such as broadband high-resolution molecular spectroscopy, optical metrology, astrophysics, optical clocks, fundamental science and many other fields of research. Frequency combs with a high repetition rate are of particular interest for applications that can benefit from a high power per comb mode and a lower spectral density of comb modes, which makes the selection and filtering of a single optical line easier, and increases the signal-to-noise ratio in sensitive measurements.
    Modelocked diode-pumped solid-state lasers (DPSSLs) are a perfect solution to generate high-power high repetition rate frequency combs. In this thesis, a 1-GHz comb based on a 1-μm DPSSL has been developed, with multiwatt output power and sub-100 fs pulse durations. This laser is an important step towards the development of compact cost-efficient frequency combs since it is pumped by a low-cost highly multimode pump laser diode. The optical spectrum of the laser has been fully stabilized by phase-locking both the repetition rate frequency to a radio-frequency (RF) reference signal by means of a piezoelectrical transducer controlling the cavity length of the laser, and the carrier envelope offset (CEO) frequency using the traditional method of feedback to the pump current. This was achieved using a home-made high-bandwidth current modulator for fast control of the pump power, as CEO stabilization is particularly challenging in high-repetition rate combs and requires a large stabilization bandwidth to compensate for the generally larger CEO frequency noise.
    A detailed study of the noise properties of the comb is presented, enabling the identification of the dominant noise sources and their subsequent partial reduction. For instance, the limitation in the frequency noise of the comb lines arising at low Fourier frequencies from the noise floor of the RF reference signal used in the repetition rate stabilization was circumvented by locking a comb line to an optical reference, namely an ultra-stable Hz-level continuous-wave laser. As a result, a GHz frequency comb with ~150-kHz comb mode linewidth was obtained with 2.1 W of average output power from the oscillator. The standard CEO stabilization method by feedback to the pump power is typically limited in bandwidth by the laser cavity dynamics, becoming a significant limiting factor in high-repetition rate combs. To overcome this limitation, the first opto-optical modulation (OOM) of a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) in a GHz DPSSL comb is reported in this thesis. With this SESAM-OOM, the stabilization bandwidth of the Yb:CALGO DPSSL was twice as large than the traditional gain modulation.
    Another highly promising technology for GHz combs are waveguide lasers. As a first step towards such systems, Yb-doped waveguide lasers have been studied in CW and Q-switched operations. Waveguide lasers are one of the most attractive systems for fully integrated chip-based pulsed lasers. A highly-efficient Yb:YAG channel waveguide laser was demonstrated in this work, which can deliver Q-switched pulses with μJ pulse energies and an output power of up to 5.6 W. This achievement was made possible by recent progresses in fs-laser-written waveguide fabrication at Hamburg University and SESAM growth techniques at ETH Zurich with advanced structural designs. These lasers are very promising systems for various applications such as a seed source for nonlinear processes, Lidar systems, and micro-machining.