Simulation, Design, and Implementation of a Narrow Linewidth Ytterbium Fiber MOPA System at 1087 nm

This thesis focuses on simulating, designing, and characterizing a narrow-linewidth continuous-wave (CW) Ytterbium (Yb) master oscillator fiber amplifier (MOFA) system. The primary goal was to achieve a watt-level output at 1087 nm with a narrow 1 GHz linewidth, making the MOFA well-suited for serving as a pump source in Terahertz (THz) generation experiments. This system can essentially be divided into two main parts: a narrow-linewidth Yb fiber seed laser (master oscillator), responsible for delivering a stable and narrow-linewidth signal power, and a Yb fiber amplifier for scaling this signal power.The all-fiber Yb seed laser produced a maximum output power of 11.31 mW at 1087.39 nm with a narrow linewidth of approximately 1.86 GHz. The narrow-linewidth operation was achieved by incorporating a fiber Bragg grating (FBG) as a resonator mirror and an intracavity FBG based Fabry-Perot interferometer as a bandpass filter, allowing only specific portion of the FBG reflected spectrum to pass through. A simulation was subsequently developed to identify the optimal Yb gain fiber lengths and pump powers required to realize an efficient Yb fiber amplifier with high gains. Finally, by employing a 10-meter Yb fiber amplifier, seed laser’s output power was boosted to 0.86 W, resulting in a 23.1 dB gain, achieved with a notable power conversion efficiency of 33 %. The final amplified spectrum exhibited a Gaussian-like profile centered at 1087.12 nm, with a bandwidth of less than 12.7 GHz. By further scaling the output power to watt-level range, this Yb MOFA system has the potential to be utilized as a pump source in Terahertz (THz) generation research.
I detta examensarbete presenteras simuleringar, konstruktion och karaktärisering av en kontinuerlig smalbandig Ytterbium (Yb) fiberlaser och förstärkare. Målet med arbetet är att uppnå en effekt runt en watt med en centervåglängd på 1087 nm och en bandbredd på 1 GHz som kan användas vid generation av terahertzstrålning (THz-strålning). Systemet kan delas in i två delar: en Yb fiberlaser som levererar en stabil och smalbandig signal och den andra är en Yb fiber baserad förstärkare för amplifikation av signalen. Yb fiberlasern hade en maxeffekt på 11.31 mW med en centervåglängd på 1087.39 nm och en bandbredd på 1.86 GHz. Den smalbandiga operationen var uppnådd genom att inkorporera en fiber bragg-gitter (FBG) som formade en resonator, med två ytterligare FBG element som agerade som en intra-kavitär Fabry-Perot interferometer vilket begränsar vilka våglängder som kan propagera. Ett program för att simulera den optimala längden på Yb fiberförstärkaren samt vilken pumpeffekt som maximerade den förstärkta signalen togs fram för projektet. Det resulterade i en förstärkare med en 10 m lång Yb fiber som kunde förstärka fiberlasern till 0.86 W, vilket motsvarade till en 23.1 dB förstärkning med en effektivitet på 33%. Den slutgiltiga signalen hade ett spektrum med gaussisk profil och en bandbredd under 12.7 GHz. Med ytterligare skalning på effekten genom fler förstärkare kan system som helhet användas vid generation av THz strålning.