Frequency doubling of high-power semiconductor laser diodes using a planar nonlinear crystal

Abstract

Semiconductor laser diodes are at the forefront of scientific research and are very important in everyday life. Wavelengths ranging from infrared to ultraviolet can be produced with the right semiconductor materials and careful planning. Some wavelengths on this bandwidth can not be produced with traditional semiconductor laser diodes with good enough efficiency.

One method of achieving these wavelengths is to use nonlinear materials that can convert some of the incident light to different frequencies. Frequency doubling, where the frequency of the incident light is doubled, is the most interesting nonlinear interaction considering this thesis.

Many nonlinear interactions require high optical intensities in order to occur. This condition sets requirements for both the power and the beam quality of the laser diode used. High-power laser diodes often suffer from less than ideal beam quality. This is hard to optimize but it can be improved with different structures in the laser. In this thesis, the focus was to experiment on how well laser diodes with less than ideal beam quality could be utilized with nonlinear waveguides.

In the theoretical part of this thesis, the focus is on the fundamentals of semiconductors and nonlinear interactions. The experimental side introduces the experimental setup and results that were achieved. The measurements in this thesis were successful in achieving frequency doubling with a high power laser operating at 1154 nm wavelength. The conversion to frequency doubled 577 nm yellow second harmonic beam with a planar nonlinear waveguide was measured to be 14.7 %/W/cm2 with coupling efficiency of 60 % to the waveguide. These results are very close to the optimum situation reported by the manufacturer of the waveguide. The experiments conducted in this thesis and the results point to future development in beam quality, nonlinear crystals and also in the methods of coupling light in the crystal.

Puolijohdelasereilla on valtava merkitys sekä nykypäivän tutkimuksessa että jokapäiväisessä elämässä. Huolellisella suunnittelulla ja oikeilla puolijohdemateriaaleilla voidaan saavuttaa aallonpituuksia infrapuna-alueelta aina ultravioletin alueelle. Joitakin aallonpituuksia tällä aallonpituuskaistalla on kuitenkin vaikea muodostaa perinteisillä puolijohdemateriaaleilla riittävän hyvällä hyötysuhteella.

Yksi mahdollisuus näiden aallonpituuksien saavuttamiseen on käyttää materiaaleja, joilla on epälineaarisia ominaisuuksia. Tällaisten materiaalien erikoisuus piilee niiden kyvyssä muuntaa osa niihin kohdennetusta valosta eri aallonpituuksille. Tämän opinnäytetyön kannalta kiinnostavin epälineaarinen vuorovaikutus on taajuuskahdennus, jossa valon taajuus kaksinkertaistuu eli aallonpituus puolittuu.

Monet epälineaariset vuorovaikutukset vaativat toimiakseen suurta valon intensiteettiä materiaalin sisällä. Kyseinen vaatimus asettaa käytettäville lasereille ehtoja sekä tehon että säteenlaadun kannalta. Korkeatehoiset laserit kuitenkin kärsivät usein heikosta säteenlaadusta. Tätä voidaan parantaa erilaisilla rakenteilla laserissa, mutta optimia on kuitenkin vaikea saavuttaa. Tämän opinnäytetyön painopisteenä on tutkia, miten korkeatehoisia ja säteenlaadultaan ei-ideaalisia puolijohdelasereita voidaan käyttää epälineaaristen materiaalien kanssa taajuuskahdennuksessa.

Työn kirjallisuusosiossa keskitytään sekä puolijohdelasereiden että epälineaaristen vuorovaikutusten toimintaperiaatteisiin. Kokeellisessa osiossa tutustutaan tutkimuksessa käytettyyn laitteistoon sekä esitellään sillä saatuja tuloksia. Tutkimuksissa onnistuttiin saavuttaman taajuuskahdennus suuritehoisella laserdiodilla, jonka aallonpituus on 1154 nm. Taajuuskahdennuksen normalisoitu hyötysuhde mitattiin olevan 14,7 %/W/cm2 ja kytkentähyötysuhde epälineaariseen planaariseen aaltojohteeseen 60 % . Nämä tulokset ovat hyvin lähellä epälineaarisen aaltojohteen valmistajan ilmoittamaa optimaalista tilannetta. Tässä opinnäytetyössä tehdyt kokeet ja niistä saadut tulokset nostavat esiin tulevat kehityskohteet käytettyjen laserien säteenlaadussa, lasersäteen kytkemisessä aaltojohteeseen sekä epälineaaristen aaltojohteiden kanssa.