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 $ <100 $ $ ps $) para mejorar la velocidad de los interruptores de muestreo electrónicos a través de un diseño optoelectrónico. El pulso óptico proporciona una fluctuación pulso a pulso más baja que la electrónica y tiempos de subida más rápidos. Los láseres disponibles actualmente capaces de ofrecer tasas de repetición de pulsos en el rango de GHz no son muy robustos y proporcionan señales de baja calidad. Esto ha hecho imposible la implementación de sistemas PADC confiables, que ahora es una posibilidad abierta debido al tipo de láser presentado en esta tesis. Una solución interesante para obtener altas tasas de repetición en una configuración de modo bloqueado es utilizar cavidades lineales de Fabry-Pérot. Uno de los parámetros más importantes cuando se hace referencia a los peines láser basados en tecnología de bloqueo de modos en PADC es su estabilidad a largo plazo. Aunque se han logrado osciladores Fabry-Pérot de un gigahercio, el umbral de daño térmico del espejo absorbente saturable basado en semiconductor (SESAM) se alcanza produciendo un daño progresivo en la superficie del SESAM y eventualmente cambiando las propiedades del láser. En este punto, surge la necesidad de un modelo teórico para estudiar cavidades de láser de fibra de bloqueo de modos pasivo a frecuencias de GHz. En esta tesis doctoral se ha desarrollado un modelo teórico basado en la Ecuación de Schrödinger No Lineal (NLSE). Se han estudiado diferentes frecuencias de repetición cambiando la longitud total de la cavidad (1.0 GHz, 2.2 GHz, 5.0 GHz y 10.0 GHz). Algunos de los parámetros clave caracterizados para cada una de las frecuencias estudiadas son el umbral de potencia del bombeo de onda continua y las condiciones de ganancia para que se produzca la emisión de pulsos en régimen de bloqueo de modos estable. Además, también han sido incluidas en el modelo teórico las propiedades del absorbente saturable (tiempo de relajación, fluencia, absorbancia y longitud de onda de reflexión) que influyen directamente en la duración del pulso y su ancho espectral. La cavidad del oscilador se ha modelado utilizando una única fibra especialmente seleccionada para absorber la potencia de la señal óptica de bombeo de onda continua y la luz láser que llega al SESAM, lo que le permite trabajar por debajo de su umbral de daño térmico, $ <1 $ $ mJ / cm ^ 2 $. Para alcanzar los valores de absorción requeridos de cientos de decibelios por metro ($dB/m$), se ha utilizado una fibra codopada con erbio e iterbio que también proporciona las propiedades de dispersión necesarias para generar una solución solitónica de la ecuación de Schrödinger no lineal. Teniendo en cuenta todos estos parámetros, se ha conseguido modelizar una emisión de bloqueo de modos estable. Además, todas las etapas láser (bombeo y cavidad) tienen una configuración mantenedora de polarización (PM) compacta que, correctamente alineada, hace que el láser funcione en un régimen de polarización lineal, mejorando la estabilidad debido a la inexistencia de acoplamiento entre modos de polarización. Los láseres de fibra de 2 GHz y las cavidades con frecuencias superiores a 10 GHz se lograron anteriormente utilizando arquitecturas complejas o fibras ópticas especialmente diseñadas. Sin embargo, en esta tesis, el enfoque es obtener láseres de fibra de GHz optimizados, robustos, compactos y repetibles utilizando componentes comerciales. Al integrar láseres de fibra de modo bloqueado en aplicaciones prácticas como PADC, es necesario garantizar la estabilidad a largo plazo de la fuente láser en un entorno de condiciones no controladas (es decir, en un entorno de no laboratorio). Para confirmar experimentalmente la fiabilidad del modelo, se han conseguido fuentes de luz pulsadas robustas, estables y ultracortas para 1.0 y 2.2 GHz. Finalmente, se ha desarrollado un diseño mecánico para mejorar la estabilidad ambiental del láser, introduciendo un sistema de control de temperatura de la cavidad y un encofrado anti-vibratorio. \textbf{Frecuencias de repetición desde disparo único a decenas de Megahercios} Los láseres de femtosegundos de bajas frecuencias de repetición de pulsos, desde un solo disparo hasta decenas de megahercios, se utilizan en aplicaciones de inspección, como la técnica de corriente transitoria de absorción de dos fotones (TPA-TCT) donde se necesita una potencia de pico de pulso alta pero un tiempo prolongado entre pulsos. La técnica de corriente transitoria (TCT) es un método ampliamente utilizado para caracterizar detectores de radiación de semiconductores. Entre otras ventajas, permite determinar la eficiencia de recolección de carga, el voltaje de agotamiento total, el signo de la carga espacial y el tiempo efectivo de atrapamiento de los portadores en los defectos generados por radiación; lo que la ha posicionado como una de las técnicas preferidas a la hora de estudiar la degradación de detectores que operan en entornos de alta radiación. La técnica de corriente transitoria se ha establecido como una herramienta estándar para la caracterización de detectores de partículas de silicio irradiadas y no irradiadas. En esta técnica, la luz láser se utiliza para generar pares de huecos de electrones dentro del material del detector. Posteriormente, se mide la corriente de deriva resultante del movimiento de los portadores de carga generados en el detector de silicio polarizado. Con el objetivo de lograr una caracterización completamente tridimensional de los detectores de silicio, se puede utilizar la absorción de luz no lineal de dos fotones (TPA). Esta actualización de la técnica de corriente transitoria busca aprovechar el proceso de absorción de dos fotones manteniendo la longitud de onda de emisión de los pulsos del láser en la banda prohibida del silicio (por debajo de 1,12 eV). Sin embargo, la alta potencia de pico de los pulsos ultracortos permite poder hacer un mapeado preciso generando pares de hueco y electrón mediante la absorción instantánea de dos fotones tan sólo en el punto en el que se enfoque el haz láser. El punto focal del láser se puede mover dentro del detector de silicio en los tres ejes espaciales para lograr una resolución tridimensional. La técnica de corriente transitoria basada en la absorción de dos fotones se ha validado en detectores de silicio utilizando un láser de estado sólido de titanio - zafiro (Ti: Sapphire) como fuente de luz y un amplificador paramétrico óptico, OPA, para cambiar la longitud de onda de emisión a 1,3 $ \mu $ m. Sin embargo, el uso de esta fuente de luz tiene varias limitaciones y desventajas. En primer lugar, un láser de titanio - zafiro (la fuente de pulsos de femtosegundos más utilizada) no emite en longitudes de onda donde el silicio es transparente, lo que dificulta el mapeo 3D. Para cambiar la longitud de onda, se debe usar un OPA, lo que reduce la eficiencia del sistema y agrega complejidad a la configuración experimental. En segundo lugar, la energía por pulso es demasiado alta, sobredimensionada para los requisitos de energía de la TPA-TCT. Esto agrega el riesgo de causar daño térmico a los cristales del OPA y requiere, en la mayoría de los casos, que todo el sistema se enfríe con agua. En tercer lugar, para lograr una tasa de repetición lo suficientemente baja que permita analizar el efecto de un solo pulso en el detector de silicio, es necesario utilizar celdas Pockel que funcionan a alto voltaje, lo que introduce ruido eléctrico en las medidas realizadas. Finalmente, las fuentes láser de femtosegundos basadas en titanio - zafiro adaptadas con un OPA tienen altos costes, dificultades de alineación y mantenimiento debido a su estructura láser de espacio libre y vida útil limitada. En esta tesis se presenta el desarrollo y la aplicación de un láser de fibra a la técnica TPA-TCT, diseñado para superar las limitaciones que muestra el láser de estado sólido de titanio - zafiro. Esta fuente láser tiene todas las ventajas de una arquitectura de fibra óptica: robustez, excelente disipación térmica, alta eficiencia y salida de fibra. Su libertad de diseño permite cumplir con los requisitos del TPA-TCT. Al ser un láser con un medio activo dopado con erbio, la longitud de onda de emisión es de 1550 nm, dentro de la región de transparencia del silicio. Como ya se ha comentado, esto permite el mapeo 3D de las muestras. Los pulsos de salida tienen un ancho temporal de menos de 300 fs y más de 10 nJ de energía por pulso, lo que posibilita una excitación eficiente de dos fotones. El sistema completo no presenta ningún elemento que requiera de un alto voltaje, por lo que el ruido eléctrico en los equipos de medida es inexistente. Finalmente, el sistema láser presenta una desviación estándar en potencia promedio y amplitud pulso a pulso por debajo del 1 $ \% $, lo que facilita obtener medidas directas evitando correcciones matemáticas, reduciendo el error derivado en los datos finales. Adicionalmente, se ha desarrollado un módulo de gestión de pulsos para satisfacer las necesidades específicas de la TPA-TCT. El módulo incluye, en primer lugar, un selector de pulsos basado en tecnología de modulación acústoóptica. Este dispositivo permite disminuir la frecuencia de repetición de la señal pulsada, desde 8.0 MHz hasta disparo único, sin introducir ruido eléctrico ni alterar las propiedades del pulso óptico. En segundo lugar, un filtro de densidad neutra variable que hace posible una selección continua de energía de pulso desde 10 nJ hasta 10 pJ. Finalmente, un disparador de salida sincronizado, una señal fotodetectada con una amplitud proporcional a la energía del pulso de salida y un obturador electromecánico, para facilitar el procedimiento de medición. En el marco de esta tesis, se ha desarrollado un primer prototipo y se ha utilizado para realizar pruebas de validación como fuente de excitación en la TPA-TCT. \textbf{Doctorado Industrial} Un aspecto importante de esta tesis es su carácter industrial, lo que significa que los láseres que se desarrollan en ella deben poder ser industrializados y comercializables. Para lograr un producto industrializado, debe pasar todos los niveles de disponibilidad de la tecnología (TRL), que constituyen un método para estimar la madurez de la tecnología durante la fase de desarrollo de un producto. Estos niveles fueron creados por la NASA durante la década de 1970 y su uso permite discusiones consistentes y uniformes sobre la madurez técnica en diferentes tipos de tecnología. Los TRL se basan en una escala del 1 al 9, siendo 9 la tecnología más madura. Según la definición de la Comisión Europea, los niveles de disponibilidad de la tecnología son: TRL 1 - Principios básicos observados; TRL 2 - Concepto tecnológico formulado; TRL 3 - Prueba de concepto experimental; TRL 4 - Tecnología validada en laboratorio; TRL 5 - Tecnología validada en un entorno relevante (entorno industrialmente relevante en el caso de tecnologías habilitadoras clave); TRL 6 - Tecnología demostrada en un entorno relevante (entorno industrialmente relevante en el caso de tecnologías habilitadoras clave); TRL 7 - Demostración del prototipo del sistema en el entorno operativo; TRL 8 - Sistema completo y cualificado; TRL 9 - Sistema real probado en el entorno operativo (fabricación competitiva en el caso de tecnologías habilitadoras clave; o en el espacio). Por lo general, las tesis doctorales que estudian fenómenos experimentales o desarrollan soluciones para ser utilizadas en aplicaciones específicas avanzan tecnológicamente hasta el nivel TRL3, como máximo hasta el nivel TRL4. En esta tesis, los modelos láser presentados pasan por todos los niveles de TRL, alcanzando el nivel TRL9, lo que refleja el carácter industrial de la misma. Además, el desarrollo se centra en conseguir una nueva tecnología, adaptada a las aplicaciones, que sea a su vez robusta, reproducible y comercializable. \textbf{Trabajo Futuro} El desarrollo y los resultados del trabajo que se presenta en esta tesis plantean un conjunto de nuevas ideas y propuestas que podrían llevarse a cabo en un futuro próximo. Las propiedades de los láseres de fibra óptica estudiadas en la sección de frecuencias de repetición en el rango de los gigahercios son adecuadas para aplicaciones de baja potencia. Sin embargo, las aplicaciones más prometedoras desde el punto de vista de las perspectivas comerciales, como las comunicaciones fotónicas de larga distancia, las comunicaciones ópticas inalámbricas y la PADC, necesitan láseres de fibra que entreguen mayor potencia de pico, mayor potencia media y menor duración de pulso. En ese sentido, los conceptos y técnicas estudiados en este volumen para cavidades ultracortas podrían extenderse para implementar etapas amplificadoras de alta potencia utilizando fibras de dispersión y coeficiente no lineal que permitan ampliar el espectro y comprimir el pulso durante el proceso de amplificación. Trabajando en esta dirección, actualmente se ha conseguido construir un prototipo para lograr un haz emisor con las siguientes características: longitud de onda central de emisión de 1535 nm, pulsos de <100 fs, potencia promedio> 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.