Design of innovative photonic crystal fibers for high power lasers

Abstract

Grazie alle loro eccellenti caratteristiche in termini di potenza in uscita, efficienza, compattezza e dissipazione termica, i laser in fibra stanno rapidamente sostituendo le altre sorgenti allo stato solido in molti ambiti di applicazione. Per consentire ulteriori progressi di questa tecnologia, sono necessarie fibre ottiche innovative, in grado di consentire stabilmente la propagazione in regime singolo modo in un core di grandi dimensioni. Le fibre a cristallo fotonico (Photonic Crystal Fiber - PCF) rappresentano la soluzione più conveniente, in virtù della loro proprietà di guidaggio ampiamente flessibili e della tecnologia di fabbricazione largamente affermata. Lo scopo di questa Tesi è di presentare i risultati riguardanti la progettazione di fibre a cristallo fotonico doppio cladding innovative, ottenuti nel corso di Dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell'Università di Parma. Dopo avere illustrato i principali problemi relativi all'aumento della potenza nei sistemi laser in fibra e le caratteristiche più importanti delle fibre a cristallo fotonico, vengono mostrati i risultati dell'analisi e ottimizzazione di diverse tipologie di PCF, ricavando linee guida per la progettazione di fibre attive per sorgenti di prossima generazione.

Thanks to their superior properties in terms of output power, brightness, efficiency, compactness, and thermal management, fiber lasers are rapidly replacing other solid-state sources in many fields of application. In order to achieve further advancements of this technology, innovative active optical fibers are required, capable of allowing stable single-mode propagation in a large-area core. Photonic Crystal Fibers (PCFs) appear to be the most practical solution, thanks to their highly-tailorable guiding properties and well-established fabrication technology. The aim of this Thesis is to present the results on the design of innovative double cladding PCFs for high power fiber lasers, obtained during the Ph.D. course at the Information Engineering Department of the University of Parma. After a review of the most important issues related to power scaling of fiber laser systems and of the key features of photonic crystal fibers, the results of the analysis and optimization of different PCF designs are discussed, providing guidelines for the realization of active fibers for next-generation sources.