Summary
En protokol til driften af en høj-energi, høj-effekt optisk parametrisk chirped pulsforstærkerpumpe kilde baseret på en Yb: YAG thin-disk regenerativ forstærker er præsenteret her.
Abstract
Dette er en rapport om en 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG tynddisk regenerativ forstærker. En hjemmelavet Yb: YAG tynddisk, Kerr-objektiv mode-låst oscillator med drejeknappen ydeevne og mikrojoule-puls energi bruges til at udså den regenerative chirped-puls forstærker. Forstærkeren er anbragt i lufttæt hus. Den virker ved stuetemperatur og udviser stabil drift ved en 5 kHz gentagelseshastighed med en puls-til-puls stabilitet mindre end 1%. Ved at anvende en 1,5 mm tykt beta-bariumboratkrystal fordobles laserproduktionens frekvens til 515 nm med en gennemsnitlig effekt på 70 W, hvilket svarer til en optisk-til-optisk effektivitet på 70%. Denne overlegne ydeevne gør systemet til en attraktiv pumpekilde for optiske parametriske chirped-pulsforstærkere i det nær-infrarøde og mid-infrarøde spektralområde. Kombination af turnkey-ydeevnen og den overordnede stabilitet i den regenerative forstærker, letter systemet til dannelse af et bredbånd, CEP-stabiltfrø. Tilvejebringelse af frø og pumpe af den optiske parametriske chirped-pulsamplifikation (OPCPA) fra en laserkilde eliminerer efterspørgslen efter aktiv tidslig synkronisering mellem disse impulser. Dette værk præsenterer en detaljeret vejledning til oprettelse og drift af en Yb: YAG tynddisk regenerativ forstærker baseret på chirped-pulse amplification (CPA) som en pumpe kilde til en optisk parametrisk chirped-puls forstærker.
Introduction
Frembringelsen af høj-energi, få-cyklus laserpulser ved en høj gentagelseshastighed er af stor interesse for anvendte felter, såsom attosecond science 1 , 2 , 3 , 4 og high-field physics 5 , 6 , som står direkte til gavn Fra tilgængeligheden af sådanne kilder. OPCPA repræsenterer den mest lovende rute til opnåelse af høje puls energier og store forstærkningsbåndbredder, der samtidigt understøtter få cykluspulser 1 . Til dato tillader OPCPA ultra-bredbåndsforstærkning, som genererer få cyklusimpulser 7 , 8 , 9 , 10 . En modificeret implementering af OPCPA-ordningen, som bruger korte pulsimpulser på picosecond-skalaen, indebærer dog lov forGør denne tilgang skalerbar for endnu højere puls energier og gennemsnitlige beføjelser i fåcyklusregimet 1 , 11 , 12 . På grund af den høje pumpeintensitet i kortpulseret OPCPA giver den høje single-pass-forstærkning mulighed for brug af meget tynde krystaller til understøttelse af store forstærkningsbåndbredder. Selvom den kortpulserede OPCPA har mange fordele, er realiseringen af denne tilgang afhængig af tilgængeligheden af lasere, som er specielt skræddersyet til dette formål. Sådanne pumpelaser er forpligtet til at levere høj-energi picosekundpulser med nær diffraktion begrænset strålekvalitet ved gentagelseshastigheder i kHz til MHz-området 13 , 14 , 15 .
Indførelsen af ytterbiumdoterede lasere i forskellige geometrier, der er i stand til at levere picosecond laserimpulser med høj energi og høj gennemsnitlig effekt, Er i færd med at ændre den aktuelle tilstand i feltet 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG har god termisk ledningsevne og en lang overstatstid, og den kan pumpes af omkostningseffektive diode lasere. Dens ydeevne, når den anvendes i tynddisk geometri, er fremragende på grund af den effektive afkøling af forstærkningsmediet til samtidig at skala top og gennemsnitskraft. Endvidere undertrykkes forekomsten af selvfokusering i forstærkningsmediet under amplifikationsprocessen på grund af slankheden af tyndskiven i sammenligning med andre forstærkningsmedier geometrier, hvilket resulterer i fremragende tidsmæssige og rumlige profiler af de amplificerede impulser. Kombinere dette koncept med CPA holder løfte om at generere picosecond pulser med hundredvis af millijoules energi og hundredvisAf watt med gennemsnitlig effekt 19 , 20 .
Formålet med dette arbejde er at demonstrere en Yb: YAG tynddisk regenerativ forstærker med fremragende daglige ydeevne som en passende kilde til pumpning af OPCPAs 21 . For at opnå dette mål anvender denne undersøgelse en Yb: YAG tynddiskoscillator 22 med adskillige mikrojoleer af pulsenergi for at frøere forstærkeren for at minimere den akkumulerede, ikke-lineære fase under amplifikationsprocessen. Denne protokol indeholder opskriften til opbygning og drift af lasersystemet, som er beskrevet andetsteds 21 . Detaljer om komponentimplementerings- og styringssoftware er præsenteret, og systemets justeringsproces beskrives.
Protocol
Forsigtig: Vær opmærksom på alle sikkerhedsforskrifter, der er relevante for lasere, inden du bruger dette udstyr. Undgå udsættelse for øjne eller hud for direkte eller spredte laserstråler. Brug venligst passende beskyttelsesbriller i hele processen.
Figur 1 : Skematisk layout af Yb: YAG tynddisk regenerativ forstærker. ( A ) Yb: YAG tynddisk Kerr-objektiv-låst oscillator. Oscillatorens 13 m lineære hulrum består af en 13% transmissionsudgangskobler, tre højdispersionsspejle med GDD på -3000 fs 2 , 1 mm safir Kerr-medium og en kobberhårdåbning. En pulsvælger, der indeholder en 25 mm tykk BBO-krystal, anvendes til at reducere gentagelseshastigheden til 5 kHz. ( B ) CPA. Første blok: Pulseringsopsætningen indeholderG to antiparallelle guldgitter (1.740 linjer / mm), hvor frøpulserne straks strækkes til ca. 2 ns. Anden blok: Den regenerative forstærker, hvor frøpulsen er begrænset i forstærkerhulrummet til amplifikation, når højspændingen i Pockels-cellen, som indeholder en BBO-krystal med en tykkelse på 20 mm, påføres. Tredje blok: Pulskompressoren indeholdende to parallelle dielektriske gitter (1.740 linjer / mm), hvor de forstærkede pulser trykkes midlertidigt ned til 1 ps. Denne figur er blevet modificeret fra Fattahi et al. , Med tilladelse fra reference 21 . Klik her for at se en større version af denne figur.
| Komponent | ROC | Afstand |
| (mm) | (Mm) | |
| OC | ∞ | 0 |
| TD | -17000 | 600 |
| M 1 | -1000 | 5000 |
| BP | ∞ | 510 |
| M 2 | -1000 | 510 |
| EM | ∞ | 800 |
Tabel 1: Oscillatorens hulrumsdesign. ROC: Krumningsradius, OC: Udgangskobling, TD: Tynddisk, M: Spejl, BP: Brewsterplade, EM: Endespejl.
Figur 2 : Oscillatorhulrumsdesign. Beregnet tilstandsradius på hulrumskomponenterne. OC: Udgangskobling, TD: Tynddisk, M: Spejl, BP: Brewster plaTe, EM: ende spejl. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Komponent | ROC | Afstand |
| (Mm) | (Mm) | |
| EM 1 | ∞ | 0 |
| PC | ∞ | 200 |
| M 1 | -5000 | 525 |
| M 2 | 1500 | 1500 |
| TD | -2000 | 1050 |
| EM 2 | -2000 | 2350 |
Tabel 2: Kavitetsdesign af den regenerative forstærker. ROC: krumningsradius, EM: end mirRor, pc: Pockels celle, M: spejl, TD: tynd disk.
Figur 3 : Regenerativ forstærker hulrumsdesign. Beregnet tilstandsradius på hulrumskomponenterne. EM: ende spejl, PC: Pockels celle, M: spejl, TD: tynd disk. Klik her for at se en større version af denne figur.
1. Oscillator
- Tænd kølevandet til oscillatoren ( figur 1a ).
- Tænd kølekylerne for at afkøle pumpedioderne, tyndskivehovedet og brødbrættet. Indstil temperaturen på begge kølere til 20 ° C.
- Tænd for strømforsyningen til pumpediodenheden (se Materialebordet , nr. 1), og klik på "OUT"PUT ON / OFF "-knappen.
BEMÆRK: En laser hulrumsimuleringssoftware (se Materialebordet nr. 113) blev brugt til at simulere og designe oscillator- og regenerativ forstærkerhulrum (tabel 1 og tabel 2, figur 2 og figur 3 ) 23 . - Pump tynddisken (se Materialebordet nr. 14) via den koblede fiber ved en bølgelængde på 940 nm ved at indstille "nuværende" knappen på strømforsyningen til 26,2 A, svarende til 210 W-udgangen til Start lasing i oscillatoren i kontinuerlig bølge (CW) mode.
- For at observere udgangsspektret i CW-tilstanden skal du forbinde en fiber til spektrometeret og placere den før pulsvalgeren efter brug af en passende dæmpning.
- I spektrometer software skal du vælge fanen "Spectrometer" og derefter klikke på "Scan igen enheder".
- Højreklik på spektrometernavnetOg vælg "Spectrum Graph."
- Klik på knappen "Accept" i vinduet "Vælg mål".
- Når du har blokeret laserstrålen, skal du klikke på knappen "Store mørke spektrum" på værktøjslinjen og klikke på "Scope Minus Dark" -knappen for at trække baggrundsspektret.
- Fjern blokering af laserstrålen for at observere spektret.
- Vær opmærksom på udgangseffekten i CW-tilstanden på effektmåleren før pulsvælgeren.
- For at betjene oscillatoren i pulserende tilstand og for at indlede mode-låsning, forstyrre højreflektivitetsspejlet inde i laserhulrummet (på et oversættelsestrin) ved mekanisk at skubbe scenen fra bagsiden Figur 1a ).
BEMÆRK: Højreflektivitetsspejle med høj skadesgrænse blev anvendt i oscillatoren og det regenerative forstærkerhulrum (se Materialebeskrivelsen , nr. 24 og 28). - Overhold spektret og udgangseffekten af den pulserende mOde før pulsvælgeren ved hjælp af henholdsvis et spektrometer og en effektmåler.
BEMÆRK: Oscillatorudgangen har 25 W med gennemsnitlig effekt ved en bølgelængde på 1.030 nm, en 11 MHz gentagelseshastighed og en 4 nm spektral båndbredde (FWHM). Hvis oscillatoroptimering ikke er nødvendig, spring over trin 1.9-1.14. - Stig lidt strømmen på strømforsyningen, indtil en CW-spids kommer frem i spektret målt af spektrometeret.
- Juster den hårde blænde i oscillatoren (se figur 1a ) ved at indstille mikrometerskruerne lodret og vandret for at maksimere CW-spidsen.
- Overhold udtømningen af pumpestråleprofilen på tynddisken.
- Kør disk kamera program og vælg "Monochrome" fra "vælg tilstand" vinduet.
- Klik på knappen "Åbn kamera" på værktøjslinjen for at observere strålefladen på tynddisken.
- Indstil de piezo lineære aktuatorer af ende spejlet (Motoriserede knapper) ved at trykke på "+" eller "-" knappen på den lodrette eller vandrette motor fra håndbetjeningspuden for at justere denne udtømning til midten af pumpestråleprofilen.
- Lidt reducere strømmen på strømforsyningen, indtil CW-spissen forsvinder i spektret.
- Gentag trin i 1.9-1.13 indtil et spektrum og en udgangseffekt svarende til de opnåede referenceniveauer opnås (se det målte spektrum i figur 4a (rød kurve) ved 25 W gennemsnitlig effekt).
- For at observere udgangspulstoget og for at bestemme puls-til-pulsstabiliteten, skal du tilslutte en hurtig fotodiode til et oscilloskop og placere det før pulsvælgeren (efter brug af en passende dæmpning).
- Vælg et passende udløsningsniveau ved at indstille "trigger level" -knap på oscilloskopet for at stabilisere de gentagne bølgeformer og observere udgangspulstoget på oscilloskopskærmen.
- Fra th E "Mål" -menuen, vælg "Peak to Peak Amplitude" for at bestemme pulsen til pulsstabiliteten.
- Overhold udgangsbjælkeprofilen før pulsvælgeren og bestem de strålepegende udsving.
- Kør beam profiler software og klik på "Gå, start capture" knappen fra værktøjslinjen for at observere stråleprofilen.
- Fra værktøjslinjen skal du åbne "beam wander" dialogen og derefter klikke på "Clear" -knappen for at starte en ny strålepunktstabilitetsmåling.
BEMÆRK: Udsvingene i strålen eller en forvrænget stråleprofil (forårsaget af optisk skade, strålingsklipning osv. ) Kan forringe systemets stabilitet.
- Mål pulslængden ved hjælp af frekvensopløst optisk gating baseret på anden harmonisk generation (SHG-FROG) 21 , 24 .
2. Pulse Picker og Pulse Stretcher
Indhold "> BEMÆRK: Vær forsigtig med at være opmærksom på alle relevante elektriske sikkerhedsforskrifter, inden du anvender højspændingen på pulsvælgeren. Brug passende højspændingsisolering. Fjern diagnosen fra strålebanen, inden du fortsætter med dette afsnit. Hvis du justerer pulsvælgeren Og dens indstilling er ikke påkrævet, spring over trin 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 og 2.11.- Brug to spejle inden pulsopsætningsopsætningen til at justere udgangsstrålen fra oscillatoren gennem pulsvalgerenheden (se Materialebordet nr. 5 og 7) og dens 25 mm tykke beta bariumborat (BBO) krystal (se Materialebord , nr. 12) ved hjælp af infrarød seeren og laserkortet ( figur 1a ).
- Kør pulseringsprogrammet på oscillatorcomputeren.
- Vær opmærksom på polsspjældets koblingssignal og oscillatorens pulstog på oscilloskopet (se trin 1.15) ved hjælp af en hurtig fotodiode.
- Indstil forsinkelsestidspunktet (forsinkelse A) i dialogboksen "Definer forsinkelsesparametre" for at synkronisere koblingssignalet og pulstoget ved pulsvalgskrystalet i pulsvalgsprogrammet.
- Indstil skiftetidsvinduet (forsinkelse B) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametre" for at vælge en puls fra pulstoget.
- Indstil den interne udløsertid (hæmmer) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametre" til 200 μs for at vælge en puls hver 5 kHz.
- Reducer gentagelseshastigheden for oscillatoren fra 11 MHz til 5 kHz ved at skifte strømforsyningen til pulsvalgdriveren til "on" for at anvende højspænding til krystallen.
- Vælg de valgte pulser fra pulstoget ved hjælp af en tyndfilmspolarisator (TFP) (se Materialebordet , nr. 31) efter pulsvælgeren og dump de resterende pulser ind i en stråledump.
- Forbedre kontrasten af de valgte pulser ved at justere halvbølgepladen (seE Materialebordet , nr. 32) før pulsvælgeren.
- Reducer laserpulsens højdeffekt ved at sende de valgte pulser gennem bøjningsindstillingen for at strække pulserne i en varighed på 2 ns (se figur 1a- b ).
- Brug to spejle efter pulsopsætningsopsætningen til at justere de valgte pulser gennem bøjningsopsætningen, hvis det kræves.
BEMÆRK: Bøjlen indeholder to antiparallelle guldgitter (se Materialebordet nr. 20 og 21) med en linjetæthed på 1.740 linjer / mm for at strække pulserne i en varighed på 2 ns for at undgå at beskadige optikken under amplifikationsprocessen I den regenerative forstærker på grund af en høj topintensitet. Disse impulser anvendes til at udså den regenerative forstærker som beskrevet i næste afsnit ( figur 1b , top).
3. Regenerativ forstærker
Advarsel; Vær opmærksom på alleRelevante elektriske sikkerhedsforskrifter, inden du anvender højspændingen til Pockels-cellen. Brug passende højspændingsisolering. Fjern diagnosen fra strålebanen, inden du fortsætter med dette afsnit. Frøpulser leveres fra Yr: YAG tynddisk Kerr-objektiv-låst oscillator. Andre frøstrategier kan anvendes til at frøere forstærkeren, såsom fiberforstærkere.
- Tænd kølevandet til den regenerative forstærker ( figur 1b , midten).
- Tænd kølekylerne for at afkøle pumpedioderne, tynddisken, laserhovedet og Pockels-cellen. Indstil temperaturen på kølerne til 28 ° C, 17 ° C og 18 ° C, og aktiver derefter interlocksystemet.
BEMÆRK: Ukorrekt frøstråle kan forringe forstærkerens stabilitet. Hvis det ikke er nødvendigt at justere den regenerative forstærker, skal du springe trin 3.3-3.13 og 3.25. - Tænd for strømforsyningen til pumpediodenheden (se Materiets tabelAls, nr. 2), og klik derefter på knappen "OUTPUT ON / OFF".
- Pump tyndskiven via den koblede fiber ved en bølgelængde på 940 nm ved at indstille "nuværende" knappen på strømforsyningen til tærsklen.
- Vær opmærksom på pumpestråleprofilen på disken ved hjælp af diskkameraet (se trin 1.11) og vælg "Cirkel geometri" på "Draw" -menuen på diskkameraprogrammet for at markere bjælkens position i kameraprogrammet.
- Reducer strømforsyningsstrømmen til nul, og klik derefter på knappen "OUTPUT ON / OFF". Sluk for strømforsyningen til pumpedioden.
- Brug to spejle før den regenerative forstærker til at justere udgangsstrålen fra bøjlen (frøpulser) gennem inkoblingsoptikken i den regenerative forstærker for at nå det første ende spejl (bag Pockels-cellen). Brug stråleprofileren, den infrarøde seer og laserkortet til at hjælpe med dette.
- Luk forstærkerhulrummet ved at dreje kvartenEr-bølgeplade (se Materialebordet , nr. 33) bag Pockels-cellen, hvilket eliminerer laserstrålen inde i hulrummet.
- Indstil de motoriserede knapper i første ende spejlet ved at trykke på "+" eller "-" knappen på den vertikale eller vandrette motor (driver 1) fra håndbetjeningspuden for at justere udkoblingsstrålen.
- Åbn forstærkerhulrummet ved at dreje kvartbølgepladen (bag Pockels-cellen), indtil den maksimale laserstråleintensitet er nået inde i hulrummet. Bloker den reflekterede stråle fra det andet ende spejl.
- Overhold strålingsprofilen af frøpulserne på diskkameraprogrammet og overlappe bjælken med den markerede position ved at indstille knapene på et af hulrumspejle før tynddisken.
- Fjern blokering af den reflekterede stråle og observer dens plads på diskkameraprogrammet.
- Indstil de motoriserede knapper i det anden ende spejl ved at trykke på knappen "+" eller "-" for lodret eller vandretMotor (fører 2) på håndbetjeningspuden for at overlappe refleksionen med den markerede position.
- Fra Pockels celledatabase skal du køre Pockels-celleprogrammet.
BEMÆRK: Hvis indstillingen af Pockels-cellen ikke er påkrævet, skal du springe over trin 3.15-3.18. - Vær opmærksom på Pockels-cellens koblingssignal (se Materialebordet nr. 6 og 8) og frøpulserne på oscilloskopet (se trin 1.15) ved hjælp af en hurtig fotodiode ( figur 1b , midten).
- I Pockels-celleprogrammet skal du indstille forsinkelsestiden (forsinkelse A) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametre" for at synkronisere omskiftningen af Pockels-cellen og frøpulserne ved Pockels-cellekrystallen.
- Indstil skiftetidsvinduet (forsinkelse B) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametre" for at begrænse en puls inde i den regenerative forstærkeres kavitet til 4 μs, svarende til 87 runde ture af pulsen.
- Indstil det indre triggeR tid (hæmmer) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametre" til "200 μs" for at begrænse frekvensen til en puls hver 5 kHz.
- Tænd for strømforsyningen til Pockels celledriver for at anvende højspændingen på krystallen.
- Tænd for strømforsyningen til pumpedioden, og klik på knappen "OUTPUT ON / OFF".
- For at forstærke frøpulserne i den regenerative forstærker, pump tynddisken ved at indstille "nuværende" knappen på strømforsyningen til 57,7 A, svarende til 280 W.
BEMÆRK: Den forstærkede stråle er adskilt fra frøstrålen ved kombinationen af en Faraday rotator (se Materialetabellen , nr. 19) og en TFP. Yb: YAG-oscillatoren er beskyttet mod den forstærkede stråles refleksion af en isolator (se Materialebordet , nr. 18).
BEMÆRK: Hold driften af Pockels-cellen og pumpedioden i ovennævnte rækkefølge for at undgå at beskadige optikken ved Q-switching. - Vær opmærksom på spektret og udgangseffekten (se trin 1.5 og 1.6) før kompressoren.
BEMÆRK: Forstærkerens udgang har 125 W gennemsnitlig effekt ved en bølgelængde på 1.030 nm, en 5 kHz gentagelseshastighed og en 1 nm spektral båndbredde (FWHM). - Overhold udgangspulstoget før kompressoren på oscilloskopskærmen og bestemm puls-til-pulsstabiliteten ved hjælp af en hurtig fotodiode (se trin 1.15).
- Overhold udgangsbjælkeprofilen før kompressoren og bestem de strålebøjede udsving (se trin 1.16).
- Finjustér motorens drejeknapper i det andet endespejl ved at trykke på knappen "+" eller "-" på den lodrette eller vandrette motor (driver 2) fra håndbetjeningspuden for at forbedre den regenerative forstærkers funktion, hvis det er nødvendigt.
- Karakteriserer forstærknings-indsnævringseffekten.
- Overvej forstærkningen for forskellige frøenerginiveauer ved at justere frøenergien med neutraL-densitetsfiltre.
- Skift antal runde ture for at opnå den højeste udgangseffekt for en fast pumpeffekt på 300 W.
- Overhold udgangsspektret for hvert tilfælde.
4. Pulskompressor, strålejustering og stabiliseringssystem
BEMÆRK: Fjern diagnosen fra strålebanen, inden du fortsætter med dette afsnit. Hvis det ikke er nødvendigt at justere kompressoren og stråle stabilisatorenheden, skal du springe over trin 4.3 og 4.6.
- Drej motorbremseplaceringen af halvbølgerpladen (i udgangsstien) ved at trykke på "+" eller "-" knappen på motor A (driver 5) fra håndbetjeningspuden for at sende nogle watt af forstærkerens udgang Til kompressoren ( figur 1b , bund).
- Komprimer laserpulsen ned til 1 ps ved at sende den forstærkede stråle gennem kompressoropsætningen.
- Brug to spejle efter den regenerative forstærker opsætning til at justere forstærkerenD pulser gennem kompressor opsætning, hvis det kræves.
BEMÆRK: Kompressoren indeholder to parallelle dielektriske gitter (se Materialebordet nr. 22 og 23) med en linjetæthed på 1.740 linjer / mm. - Tænd for strømforsyningen til stråle stabilisatorenheden (se Materialebordet , nr. 98). Kør stråle stabiliseringsprogrammet på stråle stabilisator computeren.
- Brug to spejle før detektorens opsætning af stråle-stabilisatoren til at justere nul-ordningsdiffraktionen fra det første gitter i kompressoren til stråle stabilisator detektorer.
- Tryk på "regulering" knappen på stråle stabilisator program for at låse laserstrålen for at undgå stråle drift efter kompressoren. Drej den motoriserede halvbølgeplade igen for at passere forstærkerens fulde udgangseffekt gennem kompressoren. Juster forstærkningen af stråle stabilisator detektorer ved hjælp af et filter med neutraltæthed.
- Karakteriserer tidsvarigheden af den komprimerede pUlses ved anvendelse af SHG-FROG 21 , 24 .
5. Pumpekilde til OPCPA-systemet
BEMÆRK: Fjern diagnosen fra strålebanen, inden du fortsætter med dette afsnit.
- Fra OPCPA-computeren skal du køre bjælkeprofilens program.
- Collimér og juster laserstrålestørrelsen efter kompressoren ved hjælp af et passende teleskop for at nå topintensiteten på 80 GW / cm 2 . Brug stråleprofileren, infrarød seeren og laservisningskortet.
BEMÆRK: En 1,5 mm tykk BBO-krystal blev valgt for SHG baseret på resultaterne af simuleringen udført på SISYFOS-kode 25 (Simulation System for Optical Science). - Styr den grundlæggende stråle (1,030 nm) gennem en ikke-lineær krystal (1,5 mm tykt BBO, se Materialetabellen , nr. 54) for at generere den anden harmoniske (SH) ved 515 nm.
- Separat SH strålen fra unconveRted fundamental beam ved at placere en harmonisk separator ved 45 o (se Materialetabellen , nr. 56) efter krystallen.
BEMÆRK: SH-strålen afspejles fra den harmoniske separator, mens den ukonverterede grundlæggende stråle transmitteres igennem. - Juster fasesammenligningsvinklen på SH ved at justere knap på krystalholderen for at opnå den højeste konverteringseffektivitet af SH (70% svarende til 70 W).
- Overhold kraften i SH og de ukonverterede fundamentale bjælker på effektmålere (se trin 1.6).
- Overhold den gaussiske stråleprofil af SH og de ukonverterede fundamentale bjælker (se trin 1.16).
- Karakteriserer den temporale form af SH-pulserne ved brug af korrelationsfrekvensopløst optisk gating (XFROG) 21 , 24 .
Representative Results
Oscillatoren leverer 350 fs, 2 μJ, 25-W pulser med en repetitionshastighed på 11 MHz med en puls-til-pulsstabilitet på 1% (rms) og strålebøjningsfluktuationer på mindre end 0,6% i løbet af 1 time ( Figur 4 ).
Figur 4 : Yb: YAG tynddisk, Kerr-objektiv-låst oscillator. ( A ) Spektret (rødt), den hente temporale intensitetsprofil (blå) og den rumlige profil (indgang) af oscillatorpulserne. ( B ) Målt og hentet SHG-FROG spektrografi af oscillatoren. Denne figur er blevet modificeret fra Fattahi et al. , Med tilladelse fra reference 21 .> Klik her for at se en større version af denne figur.
Frøpulserne amplificeres i den regenerative forstærker til 125 W, mens de pumpes med en CW-fiberkoblet diode ved en bølgelængde på 940 nm ved 280 W svarende til en optisk til optisk effektivitet på 47%. Pulser-til-pulsstabiliteten af forstærkeren er mindre end 1%, og forstærkeren udviser fremragende langvarig stabilitet efter 10 timers kontinuerlig drift. Den forstærkede stråle har en fremragende rumlig profil med en M 2 på 1 (M 2 x = 1,08 og M 2 y = 1,07) og en fremragende temporal profil efter kompression til 1 ps (ved FWHM) ( Figur 5 ).
Figur 5 : Karakterisering af den regenerative forstærkerOutput og gain-indsnævring effekten. ( A ) Stabiliteten af den gennemsnitlige effekt af den regenerative forstærker efter 10 timers kontinuerlig drift. Inset: ( a-1 ) Normaliseret effekt til dens middelværdi i et tidsvindue på 0,5 h; ( A-2 ) Udgangsstråleprofil for den regenerative forstærker. ( B ) Forstærkerens udgangsspektrum (grøn) og den hente temporære intensitet (blå) af laserimpulserne ved 100 W gennemsnitlig effekt efter gitterkompressoren. ( C ) Seed energi versus spektral båndbredde (FWHM) af forstærkerens udgang og de krævede runde ture for samme udgangseffekt ved 300 W pumpeffekt. Denne figur er blevet modificeret fra Fattahi et al. , Med tilladelse fra reference 21 . Klik her for at se en større version af denne figur.
25 . To forskellige krystaller med følgende parametre blev betragtet: 1) et type I, 6 mm tykt lithiumtriborat (LBO) med en fasevariationsvinkel på 13,7 ° og en ikke-lineær koefficient på 0,819 pm / V og 2) a Type-I, 3 mm tykt BBO med en fase matching vinkel på 23,4 ° og en ikke-lineær koefficient på 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps, 20-mJ pulser ved 1.030 nm og en top intensitet på 100 GW / cm2 blev betragtet som input af simulationen. Simuleringsresultaterne viste, at BBO-ydeevnen var bedre end den for LBO for SHG ( figur 6 ).
Figur 6 : Anden harmonisk generation. ( A ) Simuleret SHG enRgy for en 6 mm tykk LBO krystal og en 3 mm tykk BBO krystal. ( B ) Eksperimentel SHG-effektivitet i forhold til indgangspumpens topintensitet i en 1,5 mm tykk BBO-krystal ved anvendelse af 0,5 mJ (sort) og 20 mJ (grøn) af forstærkerens udgang. ( C ) Den hentede spektralintensitet og ( d ) gruppens forsinkelse af XFROG-målinger for forskellige SHG-effektiviteter svarende til punkterne A, B og C i (b). Denne figur er blevet modificeret fra Fattahi et al. , Med tilladelse fra reference 21 . Klik her for at se en større version af denne figur.
Discussion
Oscillatorens dreje nøgleoperation opnås ved optimal varmebehandling af de forskellige komponenter i laseren. Oscillatorens output kan reproduceres dagligt uden behov for ekstra justering eller optimering. Derudover opfylder puls-til-puls-energistabiliteten og rumlig pegestabilitet af frølaseren forudsætningerne for at opnå den stabile drift af den regenerative forstærker.
Andre energikilder med lav energi, som f.eks. Fiberforstærkere, kan bruges til at frøere forstærkeren. I denne undersøgelse blev en KLM-oscillator på 2 μJ Yb: YAG brugt til at hjælpe forstærkningen af den regenerative forstærker ved at reducere væksten af de akkumulerede ikke-lineære faser, da det krævede antal runde ture er reduceret for højere input-frøenergi . Derudover påvirker den højere frøenergi amplifikationsprocessen og reducerer forstærkningsminskningen. Den målte spektrale båndbredde af den amplificerede pulserEs for forskellige frøenergier ved en fast pumpeffekt er vist i figur 5c . Forstærket spektral båndbredde falder for lavere frøenergier på grund af forstærkning af forstærkningen. For 10 pJ frøenergi opererer laseren i perioden fordobling, og det er ikke muligt at nå stabil drift, selv ved at øge antallet af runde ture. Ud over den omhyggelige optimering af kølesystemerne og diodernes strømforsyning spiller funktionen af den regenerative forstærker ved mætning en stor rolle i forstærkerens opnåede stabilitet.
Den grundlæggende eller anden harmoniske af laseren kan bruges til at pumpe et OPCPA-system. For SHG blev sammenligningerne af en LBO og en BBO-krystal sammenlignet, da de giver en høj, ikke-lineær koefficient og skadegrænse, på trods af den større rumlige afgang og den begrænsede tilgængelige blænde i tilfælde af BBO. Da den ikke-lineære koefficient for BBO er næsten dobbelt så stor som for LBO, er en kortere krystal sufTilstrækkelig til at nå mætningsgrænsen for SHG ( figur 6a ). Derfor er BBO det mere egnede valg, da den akkumulerede ikke-lineære fase er mindre 28 .
Pulshændelserne for SH-pulserne karakteriseres eksperimentelt ved forskellige konverteringseffektiviteter. Det blev observeret, at SHG-spektret ved høje konverteringseffekter udvides, og en højere-spektralfase vises ( Figur 6 ). Derfor vælges sag B med konverteringseffektiviteten på 70%, hvor SH og de ukonverterede grundlæggende bjælker opretholder fremragende kvalitet.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Vi vil gerne takke prof. Ferenc Krausz for diskussionerne og Najd Altwaijry for hendes støtte til færdiggørelse af manuskriptet. Dette arbejde er blevet finansieret af Center for Advanced Laser Applications (CALA).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Electrooptics | |||
| Fiber-Coupled Diode Laser Module | Dilas Diodenlaser GmbH | M1F8H12-940.5-500C-IS11.34 | |
| Fiber-Coupled Diode Laser Module | Laserline GmbH | LDM1000-500 | |
| Power Supply for Diode Laser | Delta Elektronika B.V. | SM 15-100 | |
| Power Supply for Diode Laser | Delta Elektronika B.V. | SM 35-45 | |
| Pulse Picker's Driver | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Pockels Cell's Driver | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Pulse Picker's Driver Power Supply | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | PCD8m7 | |
| Pockels Cell's Driver Power Supply | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | PCD8m7 | |
| Delay Generator PCI | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | BME_SG08p | |
| Splitter Box | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Resonant Preamplifier | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | BME_P03 | |
| Pulse Picker's crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 12*12*20 mm³ |
| Pockels Cell's crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 12*12*20 mm³ |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optics | |||
| Thin-disk | TRUMPF Scientific Lasers | N/A, customized | |
| Thin-disk Head | TRUMPF Scientific Lasers | N/A, customized | |
| Fiber | Frank Optic Products GmbH | N/A, customized | |
| Fiber Objective | Edmund Optics GmbH | N/A, customized | |
| Faraday Isolator | Electro-Optics Technology, Inc | EOT.189.12231 | |
| Faraday Rotator | Electro-Optics Technology, Inc | EOT.189.22040 | |
| Stretcher's Grating 1 | Horiba Jobin Yvon GmbH | N/A, customized | 60*40*10 mm³ |
| Stretcher's Grating 2 | Horiba Jobin Yvon GmbH | N/A, customized | 350*190*50 mm³ |
| Compressor's Grating 1 | Plymouth Grating Laboratory, Inc. | N/A, customized | 40*40*16 mm³ |
| Compressor's Grating 2 | Plymouth Grating Laboratory, Inc. | N/A, customized | 300*100*50 mm³ |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 0° | Layertec GmbH | 108060 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 0° | Laseroptik GmbH | B-09965, S-04484 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 45° | Layertec GmbH | 108063 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 45° | Laseroptik GmbH | B-09966, S-04484 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), curved | Layertec GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 2" (1030nm), flat, 0° | Laseroptik GmbH | B-09965, S-05474 | |
| HR Mirror, 2" (1030nm), flat, 45° | Laseroptik GmbH | B-09966, S-05474 | |
| Thin Film Polarizer (1030nm), 2" | Layertec GmbH | 103930 | |
| Waveplate L/2 (1030nm) | Layertec GmbH | 106058 | Ø=25mm |
| Waveplate L/4 (1030nm) | Layertec GmbH | 106060 | Ø=25mm |
| AR Window (1030nm), wedge | Laseroptik GmbH | B-00183-01, S-00988 | Ø=38mm |
| Output Coupler, 1" (1030nm) | Layertec GmbH | N/A, customized | PR = 88 % |
| High-dispersion Mirror (1030nm) | UltraFast Innovations GmbH | N/A, customized | GDD = -3000 fs² |
| Lens, 1" (1030nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 1" (1030nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 2" (1030nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 2" (1030nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 0° | Layertec GmbH | 129784 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 0° | Eksma Optics | 042-0515-i0 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 45° | Layertec GmbH | 110924 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 45° | Eksma Optics | 042-0515 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), curved | Layertec GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 1" (515nm), curved | Eksma Optics | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 2" (515nm), flat, 0° | Eksma Optics | 045-0515-i0 | |
| HR Mirror, 2" (515nm), flat, 45° | Eksma Optics | 045-0515 | |
| Thin Film Polarizer (515nm), 2" | Layertec GmbH | 112544 | |
| Waveplate L/2 (515nm) | Layertec GmbH | 112546 | Ø=25mm |
| Lens, 1" (515nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 1" (515nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Kerr Medium | Meller Optics, Inc. | N/A, customized | Sapphire, 1mm |
| BBO Crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 7*7*1.5 mm³ |
| Harmonic Separator, 1", 45° | Eksma Optics | 042-5135 | |
| Harmonic Separator, 2", 45° | Eksma Optics | 045-5135 | |
| Silver Mirror, 1", flat | Thorlabs GmbH | PF10-03-P01 | |
| Silver Mirror, 1", curved | Eksma Optics | N/A, customized | set |
| Filter - Absorptive Neutral Density | Thorlabs GmbH | NE##A | set |
| Filter - Reflective Neutral Density | Thorlabs GmbH | ND##A | set |
| Filter - Round Continuously Variable | Thorlabs GmbH | NDC-50C-4M | |
| Filter - Edgepass Filter (Longpass) | Thorlabs GmbH | FEL#### | set |
| Filter - Edgepass Filter (Shortpass) | Thorlabs GmbH | FES#### | set |
| Wedge | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optomechanics & Motion | |||
| Mirror Mount 1" (small) | S. Maier GmbH | S1M4-##-1” | |
| Mirror Mount 1" (large) | S. Maier GmbH | S3-## | |
| Mirror Mount 1" | TRUMPF Scientific Lasers | 1" adjustable | |
| Mirror Mount 2" | S. Maier GmbH | S4-## | |
| Mirror Mount 2" | TRUMPF Scientific Lasers | 2" adjustable | |
| Rotation Mount 1” | S. Maier GmbH | D25 | |
| Rotation Mount 1” | Thorlabs GmbH | RSP1/M | |
| Rotation Mount 2” | Thorlabs GmbH | RSP2/M | |
| Precision Rotation Stage | Newport Corporation | M-UTR120 | |
| Four-Axis Diffraction Grating Mount | Newport Corporation | DGM-1 | |
| Translation Stage | OptoSigma Corporation | TADC-651SR25-M6 | |
| Pockels cell stage | Newport Corporation | 9082-M | |
| Pockels Cell Holder | Home-made | N/A, customized | |
| Picomotor Controller/Driver Kit | Newport Corporation | 8742-12-KIT | |
| Picomotor Piezo Linear Actuators | Newport Corporation | 8301NF | |
| Picomotor Rotation Mount | Newport Corporation | 8401-M | |
| Hand Control Pad | Newport Corporation | 8758 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Light Analysis | |||
| Beam Profiling Camera | Ophir Optronics Solutions Ltd | SP620 | |
| Beam Profiling Camera | DataRay Inc. | WCD-UCD23 | |
| Photodiodes (solw) | Thorlabs GmbH | DET10A/M | |
| Photodiodes (fast) | Alphalas GmbH | UPD-200-SP | |
| Thin-disk Camera | Imaging Development Systems GmbH | UI-2220SE-M-GL | |
| Oscilloscope | Tektronix GmbH | DPO5204 | |
| Oscilloscope | Teledyne LeCroy GmbH | SDA 760Zi-A | |
| Spectrometer | Avantes | AvaSpec-ULS3648-USB2 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4C1769 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4C3762 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4D464 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4D466 | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | L50(150)A-PF-35 | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | FL500A | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | 3A-P-V1 | |
| Power and Energy Meter | Ophir Optronics Solutions Ltd | Vega | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Systems | |||
| Laser Beam Stabilization System | TEM-Messtechnik GmbH | Aligna | |
| Laser M² Measuring System | Ophir Optronics Solutions Ltd | M²-200s | |
| FROG | Home-made | N/A, customized | |
| XFROG | Home-made | N/A, customized | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Miscellaneous | |||
| Cooling Chiller | H.I.B Systemtechnik GmbH | 6HE-000800-W-W-R23-2-DI | |
| Cooling Chiller | Termotek GmbH | P201 | |
| Cooling Chiller | Termotek GmbH | P208 | |
| Laser Safety Goggles | Protect - Laserschutz GmbH | BGU 10-0165-G-20 | |
| Infra-red Viewer | FJW Optical Systems | 84499A | |
| Laser Viewing Card | Thorlabs GmbH | VRC4 | |
| Laser Viewing Card | Thorlabs GmbH | VRC5 | |
| Laser Viewing Card | Laser Components GmbH | LDT-1064 BG | |
| Flowmeter | KOBOLD Messring GmbH | DTK-1250G2C34P | |
| Pressure Gauge | KOBOLD Messring GmbH | EN 837-1 | |
| Temperature Sensor | KOBOLD Messring GmbH | TDA-15H* ***P3M | |
| WinLase Software | Dr. C. Horvath & Dr. F. Loesel | WinLase Version 2.1 pro. | Laser Cavity Software |
References
- Fattahi, H. Third-generation femtosecond technology. Optica. 1 (1), 45-63 (2014).
- Hentschel, M.
- Cavalieri, A. L. Intense 1.5-cycle near infrared laser waveforms and their use for the generation of ultra-broadband soft-x-ray harmonic continua. New J Phys. 9 (7), 242 (2007).
- Schweinberger, W. Waveform-controlled near-single-cycle milli-joule laser pulses generate sub-10 nm extreme ultraviolet continua. Opt Lett. 37, 3573-3575 (2012).
- Buck, A. Real-time observation of laser-driven electron acceleration. Nature Phys. 7 (7), 543-548 (2011).
- Zhong, H., Karpowicz, N., Zhang, X. C. Terahertz emission profile from laser-induced air plasma. Appl Phys Lett. 88 (26), 261103 (2006).
- Herrmann, D. Generation of sub-three-cycle, 16 TW light pulses by using noncollinear optical parametric chirped-pulse amplification. Opt Lett. 34 (16), 2459-2461 (2009).
- Adachi, S., et al. 1.5 mJ, 6.4 fs parametric chirped-pulse amplification system at 1 kHz. Opt Lett. 32 (17), 2487-2489 (2007).
- Adachi, S. 5-fs, multi-mJ, CEP-locked parametric chirped-pulse amplifier pumped by a 450-nm source at 1 kHz. Opt express. 16 (19), 14341-14352 (2008).
- Yin, Y. High-efficiency optical parametric chirped-pulse amplifier in BiB3O6 for generation of 3 mJ, two-cycle, carrier-envelope-phase-stable pulses at 1.7 µm. Opt Lett. 41 (6), 1142-1145 (2016).
- Deng, Y. Carrier-envelope-phase-stable, 1.2 mJ, 1.5 cycle laser pulses at 2.1 µm. Opt Lett. 37 (23), 4973-4975 (2012).
- Rothhardt, J., Demmler, S., Hädrich, S., Limpert, J., Tünnermann, A. Octave-spanning OPCPA system delivering CEP-stable few-cycle pulses and 22 W of average power at 1 MHz repetition rate. Opt express. 20 (10), 10870-10878 (2012).
- Heckl, O. H., et al. Ultrafast Thin-Disk Lasers.Ultrashort Pulse Laser Technology. Nolte, S., Schrempel, F., Dausinger, F. 195, Springer International Publishing. 93-115 (2016).
- Zapata, L. E., et al. Cryogenic Yb:YAG composite-thin-disk for high energy and average power amplifiers. Opt. Lett. 40 (11), 2610-2613 (2015).
- Schulz, M., et al. Yb:YAG Innoslab amplifier: efficient high repetition rate subpicosecond pumping system for optical parametric chirped pulse amplification. Opt Lett. 36 (13), 2456-2458 (2011).
- Roeser, F. Millijoule pulse energy high repetition rate femtosecond fiber chirped-pulse amplification system. Opt Lett. 32 (24), 3495-3497 (2007).
- Russbueldt, P., et al. 400 W Yb:YAG Innoslab fs-amplifier. Opt Express. 17 (15), 12230-12245 (2009).
- Baumgarten, C., et al. 0.5 kHz repetition rate picosecond laser. Opt Lett. 41 (14), 3339-3342 (2016).
- Klingebiel, S., et al. 220mJ, 1 kHz Picosecond Regenerative Thin-Disk Amplifier. European Conference on Lasers and Electro-Optics - European Quantum Electronics Conference , , Optical Society of America. Paper CA_10_1 (2015).
- Nubbemeyer, T., et al. 1 kW, 200 mJ picosecond thin-disk laser system. Opt Lett. 42 (7), 1381-1384 (2017).
- Fattahi, H., et al. High-power, 1-ps, all-Yb:YAG thin-disk regenerative amplifier. Opt Lett. 41 (6), 1126-1129 (2016).
- Brons, J., et al. Energy scaling of Kerr-lens mode-locked thin-disk oscillators. Opt Lett. 39 (22), 6442-6445 (2014).
- Horvath, C., Loesel, F. WinLase home. , http://www.winlasecom/index.html (2016).
- Trebino, R., et al. Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating. Rev Sci Instrum. 68 (9), 3277-3295 (1997).
- Arisholm, G. General numerical methods for simulating second-order nonlinear interactions in birefringent media. J Opt Soc Am B. 14 (10), 2543-2549 (1997).
- Zhang, D. X., Kong, Y. F., Zhang, J. Y. Optical parametric properties of 532-nm-pumped beta-barium-borate near the infrared absorption edge. Opt Commun. 184 (5), 485-491 (2000).
- Kato, K. Temperature-tuned 90o phase-matching properties of LiB3O5. IEEE J Quant Electron. 30 (12), 2950-2952 (1994).
- Fattahi, H. Third-generation femtosecond technology. , Springer International Publishing. (2016).
