Esta tesis se centra en el estudio teórico y experimental del método de bloqueo de modos pasivo basado en espejos absorbentes saturables de semiconductor (SESAM). Este método se utiliza para desarrollar láseres de emisión pulsada ultracorta (duración de pulso desde femtosegundos hasta unos pocos picosegundos) en la banda de 1,5 $ \mu m $ que cubren una amplia gama de aplicaciones científicas e industriales. Los requisitos de frecuencia de repetición de pulsos son diversos para este tipo de láseres, en función de su aplicación. Bajas frecuencias de repetición, desde un solo disparo hasta varios kilohercios, se utilizan en aplicaciones de análisis de muestras donde los tiempos de respuesta son del orden de milisegundos, como la técnica de corriente transitoria de absorción de dos fotones. Frecuencias de repetición medias, desde megahercios hasta unos pocos cientos de megahercios, se utilizan típicamente en la generación de supercontinuo, generación de ondas de terahercios, microscopía multifotón y espectroscopía ultrarrápida. Finalmente, se requieren altas frecuencias de repetición, por encima del gigahercio, en aplicaciones de comunicación óptica como el radar fotónico, la conversión fotónica analógica a digital y la comunicación fotónica inalámbrica. En esta tesis se han desarrollado arquitecturas que permiten cubrir todo el rango de frecuencias de repetición, desde un solo disparo hasta gigahercios. Está estructurada en cinco capítulos. El primero, es una introducción que pone en contexto la investigación a través de un breve análisis del estado del arte. El segundo capítulo recoge los conceptos que se han utilizado para elaborar el modelo teórico que permite simular cavidades láser con el fin de diseñar osciladores que proporcionen los pulsos deseados con una estructura de bloqueo de modos. Los capítulos tercero y cuarto recogen las dos principales arquitecturas láser desarrolladas a lo largo de esta tesis: láseres de frecuencias de repetición en el rango de los gigahercios (capítulo tres) y láseres de frecuencia de repetición desde disparo único a decenas de megahercios (capítulo cuatro). Finalmente, el capítulo cinco habla de la proyección futura de la investigación realizada en este trabajo. La tesis ha sido llevada a cabo en el marco de un doctorado industrial en la empresa FYLA LASER S.L., dando como resultado prototipos láser que han sido, posteriormente, comercializados como productos de vanguardia tecnológica. La óptica ultrarrápida ha sido un campo de investigación en auge durante las últimas décadas y, en la actualidad, los sistemas láser de pulso ultracorto presentan numerosas aplicaciones en áreas de investigación fundamental, así como en medicina e industria. Los sistemas láser ultrarrápidos se utilizan para estudios de resolución temporal en química, metrología de frecuencia óptica, generación de terahercios, espectroscopía, microscopía no lineal, tomografía óptica de coherencia, técnicas de corriente transitoria de absorción de fotones, conversión fotónica de analógico a digital y comunicaciones inalámbricas fotónicas. Ejemplos de aplicación relacionada con la medicina son la cirugía ocular con láser y los taladros dentales. Por otro lado, en la industria, los láseres ultrarrápidos se utilizan para micro-mecanizado y marcado. La piedra angular de la óptica ultrarrápida es el láser de bloqueo de modos. A lo largo de las dos últimas décadas, el desarrollo de estos láseres ha sido un área de investigación en sí misma. Tradicionalmente, los láseres de estado sólido de bloqueo de modos (láseres basados en cristales no lineales como los láseres de titanio zafiro (Ti:Sapphire) o los de cristal de granate de aluminio de itrio dopado con neodimio (Nd:Yag)) han dominado el mercado. Sin embargo, este tipo de láser requiere entornos estables de laboratorio con mesas ópticas que minimicen las vibraciones y temperatura ambiente estabilizada. Además, los láseres de estado sólido tienen un alto consumo de energía y, a menudo, precisan un mantenimiento costoso. Para que la óptica ultrarrápida gane terreno en mercados comerciales mucho más amplios y pueda ser industrializada, es necesario encontrar soluciones a estas limitaciones. En comparación con los láseres de gas y de estado sólido, los láseres de fibra óptica son más compactos dado que las fibras ópticas se pueden doblar y enrollar fácilmente. El potencial de fabricar sistemas láser compactos y resistentes con bajo consumo de energía a un precio relativamente asequible hace que los láseres de fibra óptica amplificados sean una alternativa muy prometedora a los láseres de estado sólido clásicos. Las propiedades clave que hacen que las fibras dopadas de tierras raras sean atractivas como medios activos láser son: la elevada ganancia del medio activo debido a la sencillez de obtener un medio activo muy largo, el amplio ancho de banda de los espectros de emisión y absorción y la excelente calidad de haz. En los láseres de fibra óptica de bloqueo de modos, el medio activo es el núcleo de una fibra óptica dopada con iones de elementos de tierras raras. Dichos elementos (iones) son típicamente erbio (Er\textsuperscript{3 +}), neodimio (Nd\textsuperscript{3 +}), iterbio (Yb\textsuperscript{3 +}), tulio (Th\textsuperscript{3 +}) o praseodimio (Pr\textsuperscript{3 +}). En esta tesis, se estudian láseres cuyo medio activo se basa en fibra dopada con erbio, y en fibra co-dopada con erbio e iterbio. Los medios activos de láser de fibra pueden bombearse directamente mediante diodos láser de onda continua. El enorme progreso y desarrollo tecnológico de los láseres de diodo de alta potencia ofrece una ventaja competitiva en comparación con los láseres de estado sólido clásicos. En un sentido amplio, un láser de fibra es capaz de convertir la salida de baja calidad de un diodo láser de bombeo de onda continua en una luz temporal y espacialmente coherente de alta intensidad. Además, la salida del láser de fibra puede tomar varios formatos temporales, según el régimen de operación: Q-switch, onda continua o bloqueo de modos, siendo este último el régimen objeto de estudio en esta tesis. El bloqueo de modo de un láser se refiere al bloqueo de las relaciones de fase entre muchos modos longitudinales vecinos de la cavidad láser. El bloqueo de tales relaciones de fase permite una variación periódica de la potencia de salida del láser que es estable en el tiempo y tiene una periodicidad dada por el tiempo de ida y vuelta en la cavidad. Si se bloquean un número considerable de modos longitudinales individuales de forma que sus diferencias de fase sean suficientemente pequeñas, se produce un pulso corto que puede tener una potencia de pico significativamente mayor que la potencia media del láser. El origen del bloqueo de modos se comprende mejor en el dominio del tiempo. Un láser en estado estable es un sistema de retroalimentación, donde la ganancia de la señal óptica en el medio activo por viaje de ida y vuelta se equilibra con las pérdidas. Si se introduce en la cavidad un elemento que produce una mayor pérdida a menores potencias, el láser puede favorecer una superposición de modos longitudinales correspondientes a un pulso corto con alta potencia pico. Otro requisito para obtener un bloqueo de modos estable es que el pulso se reproduzca después de un viaje de ida y vuelta (dentro de un desplazamiento de fase total en todos los modos longitudinales). Las relaciones de fase entre los diferentes modos se ven afectadas por efectos como la dispersión, la ganancia de ancho de banda y los cambios de fase no lineales. Aunque se puede construir un número infinito de pulsos distintos como diferentes superposiciones de modos longitudinales, generalmente solo un pulso único especificado por su forma, duración, potencia máxima y fase es una solución estable de la cavidad y, por lo tanto, se pueden diseñar las características del pulso de salida controlando y adaptando los parámetros físicos de los elementos láser que los comprenden. Existen varios mecanismos, tanto activos como pasivos, para conseguir que los modos en la cavidad entren en fase y se produzca el bloqueo. Concretamente, en esta tesis se estudian láseres de bloqueo de modo pasivo basados en espejos absorbentes saturables de semiconductor (SESAM) como elemento de bloqueo de modos. \textbf{Ratios de repetición en el rango de los Gigahercios} Los láseres pulsados de femtosegundos y picosegundos con altas tasas de repetición (centenares de megahercios a decenas de gigahercios) son de interés en diferentes aplicaciones. Algunas de ellas son: conversión analógica-digital asistida por fotones (PADC), espectroscopía ultrarrápida, biomedicina óptica y comunicaciones de ultra alto ancho de banda en multiplexación por división de longitud de onda. En referencia a los PADC, se sabe desde la década de 1970 que se pueden usar pulsos ópticos cortos (de duración $ 1.0 W y tasa de repetición> 1 GHz, con resultados prometedores. Para mejorar aún más las aplicaciones de telecomunicaciones, también es importante centrar la longitud de onda central de la emisión láser alrededor de 1550 nm. Debido a la relación entre la absorción y la ganancia en el núcleo de las fibras activas, estas tienden a emitir a longitudes de onda más cortas cuanto más corta es la fibra activa. Las cavidades que emiten naturalmente con frecuencia de repetición de gigahercios tienen solo unos pocos centímetros de largo (10,3 cm a una frecuencia de repetición de 1 GHz y 4,7 cm a una frecuencia de repetición de 2,2 GHz), por lo que la longitud de onda central de emisión se desplaza hacia longitudes de onda cortas, en este caso, 1535 nm. Para lograr una emisión a longitudes de onda más largas, la solución más directa sería actuar sobre la función de reflexión de uno de los espejos, obligando a la cavidad a emitir a la longitud de onda deseada. Una primera aproximación es utilizar un espejo absorbente de semiconductor resonante (RSAM) cuyo espectro de reflexión sea más afilado alrededor de 1550 nm. Por otro lado, también es posible actuar sobre el espectro de reflectancia del segundo espejo de la cavidad centrando su función de reflexión en 1550 $ \pm $ 10 nm. Aunque es muy versátil, el láser presentado en la sección referente a frecuencias de repetición desde disparo único a decenas de megahercios se podría mejorar para proporcionar una estructura de fibra completa y pulsos más cortos. Esto aumentaría su aplicabilidad en la técnica de corriente transitoria basada en la absorción de dos fotones. La estructura “todo-fibra” simplificará el sistema de medición reduciendo el número de elementos ópticos entre la salida del láser y la muestra. Los pulsos más cortos producirán un aumento en la eficiencia de la absorción de dos fotones, aumentando el rango dinámico del sistema. Para lograr pulsos más cortos es necesario mantener la coherencia pulso a pulso a través de las etapas de estiramiento y amplificación para que el pulso pueda comprimirse hasta el límite de la transformada de Fourier de su espectro. Una propuesta que se está investigando actualmente en FYLA es reemplazar la etapa de estiramiento basada en una fibra de alta dispersión normal con un par de redes de Bragg dispersivas. Además, estas redes se pueden controlar por temperatura para ajustar la dispersión neta del sistema. Esta configuración se conoce como TPSR (reflector extensible de pulso sintonizable). Se espera que esta etapa de estiramiento mantenga la coherencia pulso a pulso mejor que el estiramiento producido por la fibra utilizada en esta tesis (PM2000D). En esta configuración, se evitan los empalmes entre diferentes fibras (PM2000D empalmada a PM1550-XP) y el camino óptico total recorrido por el pulso es mucho más corto (40 m vs 1-2 m). Por otra parte, la capacidad de sintonización del TPSR mueve el sistema hacia la solución totalmente de fibra, ya que esta configuración reemplaza al compresor de espacio libre y se puede calibrar para lograr variaciones en la duración del pulso entre 100 y 300 fs. Otra actualización que se está investigando para lograr un sistema más robusto es incluir un selector de pulsos acustoóptico con entrada y salida en fibra. Esto permitirá controlar la frecuencia de repetición del equipo después de la etapa de amplificación y también, cambiando la potencia de la señal de RF de control, modificar las pérdidas introducidas por el selector de pulsos, variando así la energía del pulso a la salida del láser. Estas mejoras harían posible eliminar el módulo de gestión de pulsos de espacio libre (LPM), dando como resultado un sistema más compacto, robusto y portátil.