Design and Fabrication of Optical Fiber Sources in the Middle Infrared

In this thesis, the feasibility investigation of different fiber lasers for mid-IR applications is accurately performed via home-made computer codes. Different host glasses and pumping schemes are proposed. In particular, the thesis reports simulation results referring to: i) an optimized optical source exploiting a master oscillator power amplifier (MOPA) configuration, the MOPA pump and signal wavelengths being 1709 nm and 4384 nm, respectively; ii) the design of an efficient pumping scheme for a Dy3+:Ga5Ge20Sb10S65 fiber laser which provides an optical beam emission close to 4400 nm wavelength by employing two pump beams at 2850 nm and 4092 nm wavelengths; iii) the employment of the particle swarm optimization (PSO) technique to maximize the optical gain of an in-band pumped fiber amplifier based on a dysprosium-doped ZBLAN glass; iv) the design of a continuous-wave (CW) fiber laser based on the same dysprosium-doped ZBLAN glass; v) a time-dependent numerical model of a dysprosium-doped ZBLAN glass fiber developed in order to design a pulsed laser emitting at about 3 µm wavelength, by employing the gain switching technique. In all the cases, spectroscopic parameters measured on preliminary samples of chalcogenide and ZBLAN glasses are taken into account to fulfill realistic simulations. Chalcogenide glasses are extremely promising for innovative applications at longer wavelengths, but further technological efforts in terms of glass purification, fiber drawing and doping with rare earths are required. On the other hand, ZBLAN glasses offer the possibility to develop novel lasers by employing available-on-the-market optical fibers. For this reason, an experimental activity in collaboration with the research group led by Prof. Gianluca Galzerano of the Department of Physics of Polytechnic University of Milan has been started in order to realize the set-up of a CW dysprosium-doped ZBLAN fiber laser emitting at 3 µm.

In questa tesi viene svolto un accurato studio di fattibilità di diversi laser in fibra per applicazioni nel medio infrarosso tramite software fatti in casa. Vengono proposti diversi vetri drogati e schemi di pompaggio. In particolare, la tesi riporta i risultati di simulazioni riferite a: i) una sorgente ottica ottimizzata che sfrutta una configurazione MOPA (master oscillator power amplifier), con lunghezze d'onda di pompa e segnale pari a 1709 nm e 4384 nm, rispettivamente; ii) la progettazione di un efficiente schema di pompaggio per un laser in fibra Dy3+:Ga5Ge20Sb10Sb10S65 che fornisce un'emissione intorno alla lunghezza d'onda di 4400 nm, impiegando due fasci ottici di pompaggio a 2850 nm e 4092 nm; iii) l'impiego della tecnica di ottimizzazione PSO (particle swarm optimization) per massimizzare il guadagno ottico di un amplificatore in fibra, pompato in banda, basato su vetro ZBLAN drogato con disprosio; iv) la progettazione di un laser CW (continuous-wave) in fibra basato sullo stesso vetro ZBLAN drogato con disprosio; v) un modello numerico nel tempo di una fibra in vetro ZBLAN drogato con disprosio, sviluppato per progettare un laser impulsato che emette a circa 3 µm di lunghezza d'onda, utilizzando la tecnica della commutazione del guadagno. In tutti i casi, vengono presi in considerazione parametri spettroscopici misurati su campioni preliminari di vetri calcogenuro e ZBLAN per ottenere simulazioni realistiche. I vetri calcogenuri sono estremamente promettenti per applicazioni innovative a lunghezze d'onda più lunghe, ma sono necessari ulteriori sforzi tecnologici in termini di purificazione del vetro, tiraggio delle fibre e drogaggio con terre rare. D'altra parte, i vetri ZBLAN offrono la possibilità di sviluppare nuovi laser utilizzando fibre ottiche disponibili sul mercato. Per questo motivo, è stata avviata un'attività sperimentale in collaborazione con il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Gianluca Galzerano del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano per realizzare il set-up di un laser CW in fibra ZBLAN drogata con disprosio a 3 µm.