Development of a Versatile 76 MHz Fiber Based Source of 9-fs Pulses in the Near-Infrared and Phase-Stable ps Pulses in the Mid-Infrared

Pour développer les outils en infrarouge moyen de notre laboratoire en optique ultrarapide, une source pulsée de durée de l’ordre des picosecondes atteignant un niveau d’énergie de 2nJ a été construite. Les sources de cette région spectrale sont d’un intérêt particulier, car elles permettent de sonder par spectroscopie des processus dynamiques dans les molécules organiques. Le point de départ du travail présenté dans ce mémoire est un système de laser et d’amplificateur fibré émettant dans le proche infrarouge (longueur d’onde d’environ 1555nm) qui a été construit par un ancien étudiant du groupe. Ce genre de source est de plus en plus utilisé pour produire des impulsions à bande spectrale extrêmement large et elle sert donc de tremplin pour atteindre l’infrarouge moyen. Les premières tâches accomplies furent d’apporter plusieurs modifications à ce système pour optimiser sa performance, avec comme objectif de générer des procédés nonlinéaires. Entre autres, la puissance moyenne fut augmentée d’environ 10% grâce à une optimisation du procédé d’épissure de fibres optiques dissimilaires dans le système. Un travail méticuleux d’optimisation du spectre de sortie du système est aussi présenté dans ce mémoire, menant à l’obtention d’impulsions de durée d’environ 80fs. Le système amélioré a ensuite été utilisé pour générer du supercontinuum par propagation dans un assemblage de fibre monomode et de fibre hautement nonlinéaire. Les impulsions ainsi obtenues peuvent être facilement altérées en changeant la compression initiale des impulsions en sortie de l’amplificateur fibré. D’une part, des impulsions de durée inférieure à 9 femtosecondes ont été mesurées après compression dans un compresseur à prismes à base de verre SF10. Cela correspond à un paquet d’ondes centré à 1200nm qui comprend 2.2 cycles d’oscillation du champ électrique, un record pour notre laboratoire. D’autre part, une autre configuration du supercontinuum a été utilisée pour effectuer de la différence de fréquences (effet nonlinéaire d’ordre 2) avec une portion des impulsions initiales. De cette manière, un train d’impulsion de puissance moyenne de 150uW a été mesuré, centré à 2.8um, dans l’infrarouge moyen. Dans le but d’augmenter la puissance et de pouvoir utiliser cette source comme un outil de métrologie, le résultat de la différence de fréquences a été introduit dans un second amplificateur fibré commercial. Le résultat en sortie est une source à plus de 2nJ de niveau d’énergie, centré à 2780nm avec une durée d’impulsion de l’ordre de la picoseconde à un taux de répétition de 76MHz. Étant donné que ce sont le résultat d’une différence de fréquence entre deux parties d’une même impulsion, ces impulsions sont dites stables en phase. En d’autres mots, la relation de phase entre le champ électrique et l’enveloppe de l’impulsion est constante. Le résultat est donc une source stable très versatile qui peut opérer sur plusieurs plages de l’infrarouge.

Abstract

An Er:fibre-based laser amplifier system is demonstrated to produce sub-nJ 2-cycle pulses in the NIR and few-nJ ps pulses in the MIR, motivated by field-resolved sensing appli-cations. The system is developed based on an existing home-built Er:fibre laser amplifier system operating at 76 MHz repetition rate. Systematic improvements of laser fabrication and erbidum-doped fibre amplifier (EDFA) design allowed for generation of 80fs pulses with energies exceeding 4 nJ. Field resolved detection is a time-gating technique, requiring ultra-short, typically NIR pulses, to provide high time resolution. Toward this goal, one branch of the current system employs tailored supercontinuum generation designed with the help of numerical simulations and experimental characterization. These efforts resulted in an effi-cient generation of an octave-spanning supercontinuum, where the dispersive wave portion of the output centred at a wavelength of 1200nm was compressed to a duration of sub-9fs (2.2 cycles) with an average power of 15mW. This represents a milestone for our laboratory as be-ing the shortest recorded pulses. The experimental realization of this experiment was based on a leap-frog method of solution of a nonlinear Schrödinger equation and experimentally driven inputs, such as characterized input pulses and dispersion parameters of the fibres. This same supercontinuum, by a simple change in the initial chirp of the fibre laser, is also used to drive difference frequency generation at 2.8µm at an average power of 150µW inside a heated periodically-polled lithium niobate (PPLN) nonlinear crystal. Further improvements in the efficiency are discussed, with suggested improvements including using a multibranch EDFA and altering the beam size for the mixing process. The DFG pulses are then used to seed an erbium fibre based amplifier working at 2.8µm. At the output of the amplifier, phase-stable ps pulses at 2nJ-level energy were registered. Additional pulse characterization is required to understand amplitude and phase stability, however these tasks are impeded by a lack of suitable MIR equipment, and a subject for further studies. Future plans involve compressing the phase stable pulses and using them to exploit plasmonic enhancement at the tip of nanoantennae.