NATIONAL INSTITUTE for LASER, PLASMA and RADIATION PHYSICS
   LABORATORY of SOLID-STATE QUANTUM ELECTRONICS


CONTRACT PD 63/01.04.2022 (PN-III-P1-1.1-PD-2021-0522); PLANUL NATIONAL DE CERCETARE, DEZVOLTARE SI INOVARE 2015-2020, PNIII
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

TIP PROIECT:                  Program 1 - Subprogram 1.1 - Resurse Umane - Proiecte de cercetare postDoctorală PD 2021

TITLU:                              DISPOZITIVE FOTONICE ACTIVE SI PASIVE TRIDIMENSIONALE REALIZATE PRIN TEHNICA DE SCRIERE DIRECTA CU PULSURI LASER CU DURATA

                                         DE ORDINUL FEMTOSECUNDELOR

                                         Acronim:  3D-FS-PHOTDEV
TITLE:                              ENGINEERING OF THREE-DIMENSIONAL ACTIVE AND PASSIVE PHOTONIC DEVICES BY WRITING WITH FEMTOSECONDS LASER PULSES

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________                               






FINANTARE :                         Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii şi Inovarii (UEFISCDI), Ministerul Cercetarii, Inovarii si Digitalizarii, Romania
FUNDED BY:                         UEFISCDI, Ministry of Research, Education and Digitization, Romania

DIRECTOR DE PROIECT:     Dr. CROITORU (SALAMU) Gabriela
PROJECT MANAGER:          Dr. CROITORU (SALAMU) Gabriela
Email:                                     gabriela.croitoru@inflpr.ro  

DURATA PROIECTULUI:       Aprilie 2022 - Martie 2024
PROJECT DURATION:          April 2022 - March 2024

CONDUCATOR PROIECT:    Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei, Magurele 077125, Ilfov, Romania
PROJECT LEADER:              National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics, Magurele 077125, Ilfov, Romania

Valoare contract:                   250.000 lei

Contract value:                      250.000 lei

Research team:                     CROITORU (SALAMU) Gabriela, PhD    CS

                                              PAVEL Nicolaie, PhD (Mentor)                 CS I
       
 

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


SUMMARY

Waveguide lasers present an increasing interest in optoelectronics because they possess some special features: highly-compact dimensions, low threshold of emission, good output performances and possibility to realize multi-dimensional architectures.These complex architectures can be integrated in photonic circuits as passive waveguides (splitters, couplers, switchers) for a number of applications: power splitters, multiplexers or waveguide lasers. More, their degree of compactness can be further increased by integrating in the laser resonator waveguide Bragg gratings.

The project’s main objective is to develop passive and active photonic devices using fs-laser direct writing technique (FS-DLW) and to generate laser emission from the waveguides at the fundamental wavelength with output powers of the order of kW as well as in the visible spectral range. Particularly, waveguides will be inscribed in Nd and Yb doped CLNGG disordered crystals and laser pulses will be generated using the passive Q-switching technique. Also, laser emission at 1 μm near-infrared wavelength as well as at 0.5 μm green wavelength through the self-frequency doubling process will be generated from waveguides realized in Nd and Yb doped LGSB crystals. Furthermore, waveguide architectures with complex configurations will be fabricated in a Nd:YAG crystal and laser emission from this structure will be generated. And, as a final step, waveguide Bragg grating will be fabricated using FS-DLW.

The project’s main objective is to develop passive and active photonic devices using fs-laser direct writing technique (FS-DLW) and to generate laser emission from the waveguides at the fundamental wavelength as well as in the visible spectral range.
Objective I. Waveguide fabrication using FS-DLW in Nd and Yb doped CLNGG crystal and generation of laser pulses at 1 μm using passive Q-switching with Cr4+:YAG SA.
Objective II. Waveguide fabrication in bifunctional Nd and Yb doped LGSB crystals and generation of laser pulses in the visible spectrum using passive Q-switching with Cr4+:YAG SA.
Objective III. Fabrication of 3D-beam splitting waveguides in Nd:YAG.Objective IV: Fabrication of passive waveguide Bragg gratings in crystalline media and glasses.

Expected results
- Generation of laser pulses at 1 μm using passive Q-switching with Cr4+:YAG SA from waveguide structures realized using FS-DLW in Nd and Yb doped CLNGG crystal.
- Generation of laser pulses at 1 μm using passive Q-switching with Cr4+:YAG SA from waveguide structures realized using FS-DLW in Nd and Yb doped LGSB crystal.
- Generation of efficient laser emission for 3D-beam splitting waveguides in Nd:YAG.
- Generation of laser emission from waveguide lasers integrating waveguide Bragg gratings.
- Dissemination of the estimated results (publishing of two manuscripts in ISI journals and participation at two international conferences).

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


REZUMAT

Laserii tip ghiduri de unda prezinta un interes crescut in opto-electronica deoarece poseda niste caracteristici speciale: dimensiuni foarte reduse, nivel de prag al emisiei scazut, performante laser foarte bune si permit realizarea de arhitecturi multi-dimensionale. Aceste arhitecturi pot fi integrate mai departe in circuite fotonice ca si dispozitive pasive (divizoare, cuplori sau comutatori) pentru multiple aplicatii : divizoare de putere, selectori sau laseri tip ghiduri de unda. Mai mult, daca se introduce in rezonator o retea Bragg tip ghid de unda, arhitectura va deveni si mai compacta.

Principalul obiectiv al proiectului este dezvoltarea de dispozitive fotonice active si pasive utilizand tehnica de scriere directa cu un fascicul laser in femtosecunde si generarea de emisie laser la 1 μm micron si la 0.5 μm microni in vizibil cu niveluri de putere de ordinul kW. Ca prim obiectiv, vor fi realizate ghiduri de unda in cristale de tip CLNGG dopate cu Nd si Yb si vor fi generate pulsuri laser folosind tehnica de comutare pasiva a factorului de calitate in rezonator. Mai departe, vor fi scrise ghiduri de unda in cristale LGSB dopate cu Nd si YB si va fi generata emisie la 1 μm si la 0.5 μm prin procesul de auto-dublare in frecventa. Apoi, vor fi realizate arhitecturi tridimensionale in cristale de Nd:YAG cu scopul de a genera emisie laser. Ca si obiectiv final, vor fi fabricate ghiduri de unda de tip retele Bragg folosind technica de scriere directa.

Obiectivul principal al proiectului este dezvoltarea de dispozitive fotonice active si pasive utilizand tehnica de scriere directa cu un fascicul laser in femtosecunde si generarea de emisie laser la 1 μm si la 0.5 μm in vizibil.
Obiectivul I. Realizarea de structuri tip ghid de unda in medii de Nd:CLNGG si Yb:CLNGG si generarea de emisie laser la 1 μm.
Obiectivul II. Realizarea de structuri tip ghid de unda in medii de Nd:LGSB si Yb:LGSB si generarea de emisie laser la 1 μm si la 0.5 μm .
Obiectivul III. Fabricarea unor structuri 3D de tip ghid de unda in medii de Nd:YAG.
Obiectivul IV. Realizarea unor structuri pasive de tip retele Bragg in medii amorfe (sticle) si in medii cristaline.

Rezultate estimate
- Fabricarea unor structuri tip ghid de unda in doua medii: Nd:CLNGG si Yb:CLNGG si generarea de emisie laser la 1 μm in regim de unda continua si in regim pulsat.
- Fabricarea unor structuri tip ghid de unda in doua medii: Nd:LGSB si Yb:LGSB si generarea de emisie laser la 0.5 μm si la 1 μm in regim de unda continua si in regim pulsat.
- Fabricarea un structuri 3D de tip ghid de unda in medii cristaline de Nd:YAG si generarea de emisie laser eficienta de la structuri 3D de tip ghid de unda in medii cristaline de Nd:YAG.
- Fabricarea unor retele Bragg in sticle de tip borosilicati si in medii cristaline de Nd:YAG si generarea de emisie laser de la rezonatori laser de tip ghid de unda cu retele Bragg integrate cu rol de oglinzi laser.
- Sinteza datelor in vederea diseminarii.
- Diseminarea rezultatelor (publicarea a doua manuscrise in reviste cotate ISI si doua comunicari la conferinte internationale).
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Etapa I (aprilie - decembrie 2022)
• Au fost realizate teste preliminare pentru a stabili conditiile de lucru pe care fascicolul laser trebuie sa le indeplineasca (energia pulsurilor laser, conditiile de focalizare, viteza de scriere) pentru a realiza modificari ale indicelui de refractie in medii cristaline Nd:CLNGG si Yb:CLNGG.
• Au fost crescute cristale de tip Nd:CLNGG si Yb:CLNGG prin metoda Czochralski .
• Au fost realizate mai multe tipuri de structuri tip ghid de unda (structuri tip ”doua linii”, structuri alungine pe axa Oy ”6 linii”, structuri de tip cladding de forma patrata, dreptunghiulara sau eliptica) in doua medii cristaline Nd:CLNGG si Yb:CLNGG.
• Dupa finalizarea procesului de scriere, au fost prelucrate optic cele doua elemente laser si au fost evaluate calitativ structurile tip ghid de unda la microscopul optic.
• Au fost determinate nivelurile de pierderi prin transmisie corespunzatoare fiecarei structuri realizate in cele doua medii cristaline.
• Au fost realizate experimente pentru generarea de emisie laser la 1 μm de la structurile tip ghid de unda realizate in mediile Nd:CLNGG si Yb:CLNGG si au fost caracterizate performantele emisiei laser.
 ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Etapa II (ianuarie - decembrie  2023) 
• Au fost crescute cristale de tip Nd:CLNGG şi Yb:CLNGG (cu calitate optică bună) prin metoda Czochralski.
• Au fost realizate teste preliminare pentru a stabili condiţiile de lucru pe care fasciculul laser trebuie să le indeplinească (energia pulsurilor laser, condiţiile de focalizare, viteza de scriere) pentru a realiza modificări ale indicelui de refracţie in medii cristaline Nd:CLNGG şi Yb:CLNGG.
• Au fost realizate structuri tip ghid de undă cu secţiune de formă circulară in două medii cristaline Nd:CLNGG şi Yb:CLNGG.
• Au fost realizate experimente pentru generarea de emisie laser la 1 μm de la structurile tip ghid de undă realizate in mediile Nd:CLNGG si Yb:CLNGG şi au fost caracterizate performanţele emisiei laser.
• Au fost crescute cristale de tip Nd:LGSB şi Yb:LGSB prin metoda Czochralski.
• Au fost realizate teste preliminare pentru a stabili condiţiile de lucru pe care fasciculul laser trebuie să le indeplinească (energia pulsurilor laser, condiţiile de focalizare, viteza de scriere) pentru a realiza modificări ale indicelui de refracţie in medii cristaline Nd:LGSB şi Yb:LGSB.
• Au fost realizate structuri de tip două linii in două medii cristaline Nd:LGSB şi Yb:LGSB.
• Au fost realizate experimentele pentru generarea de emisie laser la 1 μm in mediile Nd:LGSB şi Yb:LGSB şi au fost caracterizate performanţele emisiei laser.
• Au fost realizate teste preliminare pentru a stabili condiţiile de lucru pe care fasciculul laser trebuie să le indeplinească (energia pulsurilor laser, condiţiile de focalizare, viteza de scriere) pentru a realiza modificări ale indicelui de refracţie in mediul ceramic Nd:YAG.
• Au fost realizate structuri tip ghid de undă liniare cu secţiune de formă circulară, romb sau dreptunghiulară in mediul ceramic Nd:YAG.
• Au fost realizate structuri tip ghid de undă divizoare de fascicul cu secţiune de formă dreptunghiulară in mediul ceramic Nd:YAG.
• Au fost realizate experimente pentru generarea de emisie laser la 1 μm de la structurile tip ghid de undă realizate in mediul ceramic Nd:YAG şi au fost caracterizate performanţele emisiei laser.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Etapa III (ianuarie - martie  2024)
• Au fost realizate teste pentru a stabili condiţiile de lucru pe care fasciculul laser cu durata de ordinul ps trebuie să le indeplinească (energia pulsurilor laser, condiţiile de focalizare, viteza de scriere) pentru procesul de fabricare de reţele Bragg tip ghid de undă.
• Au fost realizate reţele Bragg in structuri tip ghid de undă (avand secţiune de formă circulară), in mediul ceramic de tip Nd:YAG.
• Au fost realizate reţele Bragg in ghiduri de undă de tip “două linii”, in sticlă de tip borosilicat.
• A fost obtinuta emisie laser de la cele două reţele Bragg de tip ghid de undă inscripţionate in mediul ceramic de tip Nd:YAG.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

● DISEMINAREA REZULTATELOR
- JOURNALS
1.  G. Croitoru, F. Jipa, N. Pavel, “Laser emission from buried depressed-cladding waveguides inscribed in Nd:YAG ceramics by picosecond-laser beam writing,“ Opt. Mater. 148, 114772 (2024).
2. G. Croitoru, F. Jipa, M. Greculeasa, A. Broasca, F. Voicu, L. Gheorghe and N. Pavel, “Buried depressed-cladding waveguides inscribed in Nd3+ and Yb3+ doped CLNGG laser crystals by picosecond-laser beam writing," Materials 17(8), 1784 (2024).

- CONFERENCES
1.  G. Croitoru, I. Anghel, F. Voicu, M. Greculeasa, A. Broasca, L. M. Gheorghe, N. Pavel, “Waveguides realized in RE3+:CLNGG laser crystals by direct writing with a fs-laser beam," The 9th Tiny Integrated Laser and Laser Ignition Conference 2022, 19-21 April 2023, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, presentation TILA-LICp-03.
2.  G. Croitoru, I. Anghel, F.-M. Voicu, M. Greculeasa, A. Broasca, L.-M. Gheorghe, N. Pavel, “ Buried Depressed-Cladding Waveguides Fabricated in RE3+:CLNGG Laser Crystals using Direct Laser Writing Technique,” 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe - European Quantum Electronics Conferences (CLEO/Europe-EQEC 2023), 26-30 June 2023, presentation CA-P.4. doi: 10.1109/CLEO/Europe-EQEC57999.2023.10232516.
3. G. Croitoru and N. Pavel, “Buried depressed-cladding waveguides lasers realized in Nd-doped laser media by direct writing with a fs-laser beam,” Markus Pessa International Summer School "New Frontiers in Optical Technologies," 7 – 11 August 2023, Tampere University, Finland (poster presentation).
4. G. Croitoru, F. Jipa, N. Pavel, “Buried depressed-cladding waveguides inscribed in Nd:YAG ceramics by picosecond-laser beam writing," The 10th Tiny Integrated Laser and Laser Ignition Conference 2024, 24-26 April 2024, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, presentation TILA-LICp-03 (poster presentation).
5.  G. Croitoru, F. Jipa, N. Pavel, “Buried depressed-cladding waveguides realized in Nd:YAG ceramics with high-repetition rate picosecond-laser pulses," The 2nd International Conference on Laser, Plasma and Radiation - Science and Technology, 16-21 June 2024, Danube Delta, Romania (oral presentation).
6. G. Croitoru, F. Jipa, M. Greculeasa, A. Broasca, F. Voicu, L. Gheorghe, N. Pavel, “Laser emission from depressed-cladding waveguides inscribed in Nd3+:CLNGG laser crystals by picosecond-laser beam writing," The 1st International Online Conference on Photonics, (IOCP 2024), 14-16 October 2024, Online (poster presentation). (to be presented)
7. G. Croitoru, F. Jipa, M. Greculeasa, N. Pavel, “Y-branch splitters inscribed in Nd3+:YAG ceramics by picosecond-laser beam writing," The 1st International Online Conference on Photonics, (IOCP 2024), 14-16 October 2024, Online (poster presentation). (to be presented)

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Laboratory of Solid-State Quantum Electronics