Advanced ultrafast fiber laser sources enabled by fiber nonlinearities

Abstract

Die Entwicklung von Ultrakurzpuls-Faserlasern mit hoher Leistung und Energie für Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung und Industrie ist eines der spannendsten Gebiete ultraschneller Optik und das Hauptthema dieser Dissertation. Diese Dissertation zeigt neue Mittel zur Verbesserung von zwei wesentlichen Eigenschaften eines Ultrakurzpuls-Faserlasersystems: die Energieskalierungsfähigkeit und Durchstimmbarkeit der Wellenlänge, die unentbehrlich für neue Anwendungen wie die Erzeugung höherer Harmonischer in Edelgasen (Englisch: High Harmonics Generation, HHG) und Multiphotonen-Mikroskopie (MPM) sind.

Ultrakurzpuls-Faserlaser Anwendungen, wie die von HHG erzeugte extreme Ultraviolett-Strahlungsquelle, erfordern Laserquellen die von hoher Leistung (>100 W) und hoher Pulswiederholrate (>1 MHz) gekennzeichnet sind. Um diese Parameter zu demonstrieren wurde ein Lasersystem basierend auf der Verstärkung mit gechirpten Pulsen (Englisch: Chirped Pulse Amplification, CPA) und Verwendung von Ytterbium-dotierten Fasern ein Hochleistungs-Oszillator-Verstärkersystem (Englisch: Master-Oscillator-Power-Amplifier, MOPA) aufgebaut. Dieses CPA-System, das ca. 200W Durchschnittsleistung produzieren kann, besteht aus einem monolithischen Ytterbium-Faser-Oszillator, einem Faserstrecker, einer Vorverstärkerkette, und einem single-modigen Großkernfaser-Hauptverstärker, sowie einem auf dielektrischen Beugungsgitter basiertem Kompressor.

Für viele wissenschaftliche Anwendungen, wie z.B. HHG, erfordern ultrakurze Pulse mit Dauern <60 fs. Wir haben eine neue Verstärkungstechnik vorgeschlagen und demonstriert, die wir als Vorchirp gesteuerte Verstärkung (pre-chirp managed amplification, PCMA) bezeichnen. Mit einem auf Ytterbium-Faser basierten PCMA-System konnten wir 60fs-Pulse bei 100 W durchschnittlicher Leistung und 75 MHz Pulswiederholungsrate erzeugen. Was die Laserquelle für die Erzeugung von HHG interessant macht.

Im zweiten Teil dieser Dissertation zeigen wir theoretisch und experimentell eine neue Methode, die Femtosekundenpulse mit breit durchstimmbarer Wellenlänge als Quelle für die Multiphotonen-Mikroskopie nutzbar macht. Die Multiphotonen-Mikroskopie ist ein vielfach verwendetes biomedizinisches Bildgebungsverfahren zur Untersuchung molecularer und morphologischer Information. Ein entscheidender Vorteil von MPM ist die Bildgebung mit großer Eindringtiefe. Die Entwicklung von angepassten durchstimmbaren faserbasierten Ultrakurzpulslasern führt zu einer entscheidenden Verbesserung in der MPM. Wir benutzen Selbstphasenmodulation, um das schmalbandige Spektrum zu verbreiten. Dann wählen wir die im verbreiterten Spektrum ins Blaue und Rote verschobenen Ränder mittels eines Bandpassfilters. Die entsprechenden Quellen sind von 800-1225nm durchstimmbar und generieren fast Fourier-limitierte Pulse mit Dauern von ca. 100fs. Mittels kurzen Fasern mit großem Modefelddurchmesser erhalten wir ultrakurze Pulse mit Energien von bis zu 20nJ. Mit dieser neuen Laserquelle wurden mittels MPM Krebszellen und Hautproben abgebildet.

Development of high power/energy ultrafast fiber lasers for scientific research and industrial applications is one of the most exciting fields in ultrafast optics. This thesis demonstrated new means to improve two essential properties—which are indispensable for novel applications such as high-harmonic generation (HHG) and multiphoton microscopy (MPM)—of an ultrafast fiber laser system: energy scaling capability and wavelength tunability.

High photon-flux extreme ultraviolet sources enabled by HHG desire high power (>100 W), high repetition-rate (>1 MHz) ultrafast driving laser sources. We have constructed from scratch a high-power Yb-fiber laser system using the well-known chirped-pulse amplification (CPA) technique. Such a CPA system capable of producing around 200-W average power consists of a monolithic Yb-fiber oscillator, an all-fiber stretcher, a pre-amplifier chain, a main amplifier constructed from rode-type large pitch fiber, and a diffraction-grating based compressor. To increase the HHG efficiency, ultrafast pulses with duration <60 fs are highly desired. We proposed and demonstrated a novel amplification technique, named as pre-chirp managed amplification (PCMA). We successfully constructed an Yb-fiber based PCMA system that outputs 75-MHz spectrally broadened pulses with >130-W average power. The amplified pulses are compressed to 60-fs pulses with 100-W average power, constituting a suitable HHG driving source.

MPM is a powerful biomedical imaging tool, featuring larger penetration depth while providing the capability of optical sectioning. Although femtosecond solid-state lasers have been widely accepted as the standard option as MPM driving sources, fiber-based sources have received growing research efforts due to their superior performance. In the second part of this thesis, we both theoretically and experimentally demonstrated a new method of producing wavelength widely tunable femtosecond pulses for driving MPM. We employed self-phase modulation to broaden a narrowband spectrum followed by bandpass filters to select the rightmost/leftmost spectral lobes. Widely tunable in 820-1225 nm, the resulting sources generated nearly transform-limited, around 100 fs pulses. Using short fibers with large mode-field-diameter for spectral broadening, we obtained ultrashort pulses with the pulse energies up to 20 nJ. We applied such an enabling source to drive MPM imaging of both cancer cells and skin samples.