Summary
Viene presentato un protocollo per l'azionamento di una sorgente ottica ad alta potenza e ad alta potenza della pompa ad amplificatore a impulsi a impulsi parametrici basati su un amplificatore rigenerativo a disco rigido Yb: YAG.
Abstract
Si tratta di un rapporto su un amplificatore rigenerativo a disco sottile da 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG. Un sottile disco Yb: YAG in forma casalinga, l'oscillatore bloccato in modalità Kerr a obiettivo con prestazioni a chiave e energia a impulsi a micro-jusle viene utilizzato per seminare l'amplificatore rigenerativo a impulsi a chirped. L'amplificatore è collocato in un alloggiamento ermetico. Funziona a temperatura ambiente e presenta un funzionamento stabile a una frequenza di ripetizione di 5 kHz, con una stabilità impulso-impulso inferiore all'1%. Utilizzando un cristallo di borato di beta borato di spessore di 1,5 mm, la frequenza dell'uscita laser è raddoppiata a 515 nm, con una potenza media di 70 W, che corrisponde ad un'efficienza ottica-ottica del 70%. Questa prestazione superiore rende il sistema una sorgente attraente della pompa per gli amplificatori parametrici a impulsi a impulsi ottici nell'intervallo spettrale a infrarossi ea medio infrarossi. Combinando le prestazioni del turn-key e la stabilità superiore dell'amplificatore rigenerativo, il sistema facilita la generazione di una banda larga, stabile CEPseme. Fornire la sorgente e la pompa dell'amplificazione ottica parametrica a impulsi a chirped (OPCPA) da una sorgente laser elimina la richiesta di sincronizzazione temporale attiva tra questi impulsi. Questo lavoro presenta una guida dettagliata per l'impostazione e l'azionamento di un amplificatore rigenerativo a disco sottile Yb: YAG, basato su amplificazione a impulsi a chirpaggio (CPA), come sorgente della pompa per un amplificatore ottico a impulsi parametrici ottici.
Introduction
La generazione di impulsi laser ad alta energia, a pochi cicli ad elevata frequenza di ripetizione, è di grande interesse per i campi applicati, come la scienza attosecond 1 , 2 , 3 , 4 e la fisica alta 5 , 6 , Dalla disponibilità di tali fonti. OPCPA rappresenta la via più promettente per ottenere energie ad impulso elevate e ampie larghezze di banda di amplificazione che supportano contemporaneamente impulsi a pochi cicli 1 . Ad oggi, OPCPA consente l'amplificazione ultra-banda larga, che genera impulsi a pochi cicli 7 , 8 , 9 , 10 . Tuttavia, un'implementazione modificata dello schema OPCPA, che utilizza impulsi corti della pompa sulla scala di picosecondi, è promessa perRendendo questo approccio scalabile per energie di impulso ancora più elevate e potenze medie nel regime a pochi cicli 1 , 11 , 12 . A causa dell'elevata intensità della pompa in OPCPA pompato a breve impulso, l'elevato guadagno a singolo passaggio consente l'utilizzo di cristalli molto sottili per supportare ampie larghezze di banda di amplificazione. Sebbene l'OPCPA pompato a impulsi corti abbia molti vantaggi, la realizzabilità di questo approccio è soggetta alla disponibilità di laser adatti a questo scopo. Questi laser di pompaggio sono necessari per fornire impulsi picosecondi ad alta energia con qualità del fascio limitato vicino a diffrazione a velocità di ripetizione nella gamma da kHz a MHz 13 , 14 , 15 .
L'introduzione di laser a base di itterbium a diverse geometrie, in grado di fornire impulsi laser a picosecondi ad alta energia e ad alta potenza media, Stanno per cambiare lo stato attuale del campo 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG ha una buona conducibilità termica e una lunga durata di stato superiore, e può essere pompata da laser a diodo a basso costo. La sua prestazione quando viene utilizzata in geometria a disco sottile è eccezionale a causa del raffreddamento efficiente del mezzo di guadagno per scalare simultaneamente il picco e la potenza media. Inoltre, il fenomeno dell'autofocusione all'interno del mezzo di guadagno durante il processo di amplificazione viene soppresso a causa della maneggevolezza del disco sottile rispetto ad altre geometrie del medium di guadagno, con conseguente profili temporali e spaziali eccellenti degli impulsi amplificati. Combinando questo concetto con CPA promette di generare impulsi picosecondi con centinaia di million di energia e centinaiaDi watt di potenza media 19 , 20 .
Lo scopo di questo lavoro è quello di dimostrare un amplificatore rigenerativo a disco rigido Yb: YAG con eccezionali prestazioni quotidiane come una fonte adatta per il pompaggio di OPCPA 21 . Per raggiungere questo obiettivo, questo studio utilizza un oscillatore 22 a disco Yb: YAG con microspi di energia a impulsi per seminare l'amplificatore per minimizzare la fase non lineare accumulata durante il processo di amplificazione. Questo protocollo fornisce la ricetta per la costruzione e il funzionamento del sistema laser, descritto altrove 21 . Sono mostrati dettagli sul software di implementazione e controllo dei componenti e viene descritto il processo di allineamento del sistema.
Protocol
Attenzione: Tenere presente tutte le norme di sicurezza relative ai laser prima di utilizzare questa apparecchiatura. Evitare l'esposizione degli occhi o della pelle a raggi laser diretti o sparsi. Si prega di indossare adeguati occhiali di protezione laser durante tutto il processo.
Figura 1 : Schema dell'amplificatore rigenerativo Yb: YAG. (A) Yb: YAG Kerr-lente sottile disco oscillatore modo bloccato. La cavità lineare di 13 m dell'oscillatore è costituita da un accoppiatore di uscita di trasmissione del 13%, tre specchi ad alta dispersione con GDD di -3000 fs 2 , 1 mm di zaffiro Kerr e un'apertura dura in rame. Un selettore di impulsi, contenente un cristallo BBO di 25 mm di spessore, viene utilizzato per ridurre la frequenza di ripetizione a 5 kHz. B ) CPA. Primo blocco: il contenitore della barella dell'impulsoG due griglie d'oro antiparallene (1.740 linee / mm), dove gli impulsi di semi sono allungati temporaneamente a circa 2 ns. Secondo blocco: l'amplificatore rigenerativo, dove l'impulso di semi è limitato nella cavità dell'amplificatore per l'amplificazione quando viene applicata l'alta tensione della cellula Pockels, che contiene un cristallo BBO con uno spessore di 20 mm. Terzo blocco: il compressore a impulsi contenente due griglie dielettriche parallele (1.740 linee / mm), in cui gli impulsi amplificati vengono temporaneamente compressi fino a 1 ps. Questa cifra è stata modificata da Fattahi et al. , Con permesso di riferimento 21 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Componente | ROC | Distanza |
| (mm) | (Mm) | |
| OC | ∞ | 0 |
| TD | -17.000 | 600 |
| M 1 | -1000 | 5000 |
| BP | ∞ | 510 |
| M 2 | -1000 | 510 |
| EM | ∞ | 800 |
Tabella 1: Disegno di cavità dell'oscillatore. ROC: raggio di curvatura, OC: accoppiatore di uscita, TD: sottile, M: specchio, BP: piastra Brewster, EM: specchio finale.
Figura 2 : Design della cavità dell'oscillatore. Raggio di modo calcolato sui componenti della cavità. OC: accoppiatore di uscita, TD: disco sottile, specchio M: BP: Brewster plaTe, EM: fine specchio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Componente | ROC | Distanza |
| (Mm) | (Mm) | |
| EM 1 | ∞ | 0 |
| PC | ∞ | 200 |
| M 1 | -5000 | 525 |
| M 2 | 1500 | 1500 |
| TD | -2000 | 1050 |
| EM 2 | -2000 | 2350 |
Tabella 2: Disegno della cavità dell'amplificatore rigenerativo. ROC: raggio di curvatura, EM: fine fineRor, PC: cellula Pockels, M: specchio, TD: disco sottile.
Figura 3 : Disegno rigenerativo della cavità dell'amplificatore. Raggio di modo calcolato sui componenti della cavità. EM: specchio finale, PC: cellula Pockels, M: specchio, TD: disco sottile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
1. Oscillatore
- Accendere l'acqua di raffreddamento per l'oscillatore ( Figura 1a ).
- Accendere i refrigeratori di raffreddamento per raffreddare i diodi della pompa, la testa del disco sottile e il pannello. Impostare la temperatura su entrambi i refrigeratori a 20 ° C.
- Accendere l'alimentatore per l'unità diodo a pompa (vedi tabella dei materiali , n. 1) e fare clic su "OUT"PUT ON / OFF ".
NOTA: Per simulare e progettare l'oscillatore e la cavità rigenerativa dell'amplificatore (Tabella 1 e Tabella 2, Figura 2 e Figura 3 ) 23 è stato utilizzato un software di simulazione a cavità laser (vedi tabella dei materiali , n. - Pompare il disco sottile (vedi tabella dei materiali , n. 14) tramite la fibra accoppiata a una lunghezza d'onda di 940 nm impostando la manopola "corrente" sull'alimentatore a 26,2 A, corrispondente all'uscita 210-W, a Avviare la lente nell'oscillatore nella modalità continua (CW).
- Per osservare lo spettro di uscita della modalità CW, collegare una fibra allo spettrometro e posizionarla prima del selettore di impulsi dopo aver utilizzato una adeguata attenuazione.
- Nel software dello spettrometro, selezionare la scheda "Spectrometer" e quindi fare clic su "Rescan Devices".
- Fare clic con il pulsante destro del mouse sul nome dello spettrometroE selezionare "Grafico dello spettro".
- Fai clic sul pulsante "Accetta" nella finestra "Scegli destinazione".
- Dopo aver bloccato il fascio laser, fai clic sul pulsante "Memorizza spettro scuro" sulla barra degli strumenti e fai clic sul pulsante "Scope Minus Dark" per sottrarre lo spettro di fondo.
- Sbloccare il fascio laser per osservare lo spettro.
- Osservare la potenza di uscita della modalità CW sul misuratore di potenza prima del selettore dell'impulso.
- Per azionare l'oscillatore in modalità pulsata e per avviare la chiusura del modo, perturbare lo specchio ad alta riflessione all'interno della cavità laser (in uno stadio di traduzione) spingendo meccanicamente lo stadio dalla parte posteriore Figura 1a ).
NOTA: Gli specchi ad alta riflettività con elevata soglia di danno sono stati utilizzati nell'oscillatore e nella cavità rigenerativa dell'amplificatore (vedere la tabella dei materiali , n. 24 e 28). - Osservare lo spettro e la potenza di uscita del m pulsatoOde prima del selettore di impulsi utilizzando uno spettrometro e un misuratore di potenza, rispettivamente.
NOTA: L'uscita dell'oscillatore ha 25 W di potenza media a una lunghezza d'onda di 1.030 nm, una frequenza di ripetizione di 11 MHz e una larghezza di banda spettrale a 4 nm (FWHM). Se non è richiesta l'ottimizzazione dell'oscillatore, saltare le fasi 1.9-1.14. - Aumenta leggermente la corrente sull'alimentazione fino a quando non compare uno spillo CW nello spettro misurato dallo spettrometro.
- Allineare l'apertura duro nell'oscillatore (vedere la Figura 1a ) regolando le viti del micrometro verticalmente e orizzontalmente per massimizzare la punta CW.
- Osservare l'esaurimento del profilo del fascio della pompa sul disco sottile.
- Esegui il programma della fotocamera e seleziona "Monocromatico" dalla finestra "scelta".
- Fare clic sul pulsante "Apri fotocamera" sulla barra degli strumenti per osservare il punto del fascio sul disco sottile.
- Regolare gli attuatori lineari piezo dello specchio finale (Manopole motorizzate) premendo il pulsante "+" o "-" sul motore verticale o orizzontale dal pannello di comando manuale per allineare questa esaurimento al centro del profilo del fascio della pompa.
- Riducete leggermente la corrente sull'alimentatore fino a scomparire nello spettro.
- Ripetere i passaggi nel 1.9-1.13 fino a raggiungere uno spettro e una potenza di uscita simile ai livelli di riferimento ottenuti (vedere lo spettro misurato nella figura 4a (curva rossa) a 25 W di potenza media).
- Per osservare il treno dell'impulso di uscita e per determinare la stabilità impulsi-impulsi, collegare un fotodiodo veloce ad un oscilloscopio e posizionarlo prima del selettore dell'impulso (dopo aver utilizzato una adeguata attenuazione).
- Selezionare un livello di trigger appropriato sintonizzando la manopola "trigger level" sull'oscilloscopio per stabilizzare le forme d'onda ripetute e osservare il treno dell'impulso di uscita sulla schermata dell'oscilloscopio.
- Da th E "Misura", selezionare "Peak to Peak Amplitude" per determinare la stabilità impulsi-impulsi.
- Osservare il profilo del fascio di uscita prima del selettore dell'impulso e determinare le fluttuazioni del fascio.
- Esegui il software di profilazione del fascio e fai clic sul pulsante "Vai, inizia la cattura" dalla barra degli strumenti per osservare il profilo del fascio.
- Dalla barra degli strumenti, aprire la finestra di dialogo "fasciame" e quindi fare clic sul pulsante "chiaro" per avviare la nuova misurazione stabilità del raggio.
NOTA: Le fluttuazioni del fascio o un profilo di fascio distorto (causate da danni ottici, taglio del fascio, ecc. ) Possono deteriorare la stabilità del sistema.
- Misurare la durata dell'impulso usando il gating ottico risolto in frequenza sulla seconda generazione armonica (SHG-FROG) 21 , 24 .
2. Selettore di impulsi e barella a impulsi
Contenuto "> NOTA: Attenzione, prendere atto di tutte le norme di sicurezza elettriche pertinenti prima di applicare l'alta tensione sul selettore di impulsi Utilizzare l'appropriato isolamento ad alta tensione Eliminare la diagnostica dal percorso del fascio prima di procedere con questa sezione Se allineando il selettore di impulsi E la sua impostazione non è necessaria, saltare i passaggi 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 e 2.11.- Utilizzare due specchi prima dell'impostazione del selettore di impulsi per allineare il fascio di uscita dall'oscillatore attraverso l'unità di selezione dell'impulso (vedere la tabella dei materiali , n. 5 e 7) e il relativo cristallo di borato di beta-borato (BBO) di 25 mm di spessore (vedere il Tabella dei materiali , n. 12) con l'aiuto del visualizzatore a infrarossi e della scheda di visualizzazione del laser ( Figura 1a ).
- Eseguire il programma di selezione dell'impulso sul computer dell'oscillatore.
- Osservare il segnale di commutazione del selettore di impulsi e il treno a impulsi dell'oscillatore sull'oscilloscopio (vedi passo 1.15) con l'aiuto di un fotometro veloceodiode.
- Nel programma di selezione impulsi, impostare il tempo di ritardo (ritardo A) dalla finestra di dialogo "definire i parametri di ritardo" per sincronizzare il segnale di commutazione e il treno a impulsi al cristallo del selettore di impulsi.
- Impostare la finestra di tempo di commutazione (ritardo B) dalla finestra di dialogo "parametri di ritardo di definizione" per selezionare un impulso dal treno a impulsi.
- Impostare il tempo di innesco interno (inibizione) dalla finestra di dialogo "parametri di ritardo di definizione" a 200 μs per scegliere un impulso ogni 5 kHz.
- Ridurre la frequenza di ripetizione dell'oscillatore da 11 MHz a 5 kHz commutando l'alimentazione del driver di selezione dell'impulso su "on" per applicare l'alta tensione al cristallo.
- Selezionare gli impulsi selezionati dal treno a impulsi utilizzando un polarizzatore a film sottile (TFP) (vedere la tabella dei materiali , n. 31) dopo il selettore di impulsi e scaricare gli impulsi rimanenti in un dump di fascio.
- Migliora il contrasto degli impulsi selezionati regolando la piastra a mezza onda (seE la tabella dei materiali , n. 32) prima del selettore dell'impulso.
- Ridurre la potenza di picco dell'impulso laser passando gli impulsi raccolti attraverso la configurazione della barella per allungare gli impulsi ad una durata di 2 ns (vedi Figura 1a- b ).
- Utilizzare due specchi dopo l'impostazione del selettore di impulsi per allineare gli impulsi selezionati attraverso la configurazione della barella, se necessario.
NOTA: La barella contiene due griglie antiparallate in oro (vedi tabella dei materiali n ° 20 e 21) con una densità di linea di 1.740 righe / mm per allungare gli impulsi a una durata di 2 ns per evitare di danneggiare l'ottica durante il processo di amplificazione Nell'amplificatore rigenerativo dovuto ad un'alta intensità di picco. Questi impulsi sono usati per seminare l'amplificatore rigenerativo, come descritto nella sezione successiva ( figura 1b , in alto).
3. Amplificatore rigenerativo
Attenzione; Essere consapevoli di tuttiPrima di applicare l'alta tensione alla cella Pockels. Usare un appropriato isolamento ad alta tensione. Rimuovere la diagnostica dal percorso del fascio prima di procedere con questa sezione. Gli impulsi di semi vengono consegnati dal oscillatore bloccato a modalità Kerr a labbro sottile Yb: YAG. Altre tecniche di semi possono essere utilizzate per seminare l'amplificatore, come gli amplificatori a fibre.
- Accendere l'acqua di raffreddamento per l'amplificatore rigenerativo ( figura 1b , centrale).
- Accendere i refrigeratori di raffreddamento per raffreddare i diodi della pompa, il disco sottile, la testa laser e la cella Pockels. Impostare la temperatura dei refrigeratori a 28 ° C, 17 ° C e 18 ° C e quindi attivare il sistema di bloccaggio.
NOTA: una fasciatura semilavorata può deteriorare la stabilità dell'amplificatore. Se non è necessario allineare l'amplificatore rigenerativo, saltare i passaggi 3.3-3.13 e 3.25. - Accendere l'alimentazione dell'unità diodo della pompa (vedere la tabella del materialeAls, No. 2) e quindi fare clic sul pulsante "OUTPUT ON / OFF".
- Pompare il disco sottile tramite la fibra accoppiata ad una lunghezza d'onda di 940 nm impostando la manopola "corrente" sull'alimentazione elettrica alla soglia.
- Osservare il profilo del fascio della pompa sul disco utilizzando la videocamera a disco (vedere la fase 1.11) e selezionare "Geometria del cerchio" dal menu "Disegna" sul programma della videocamera per contrassegnare la posizione del fascio nel programma della fotocamera.
- Ridurre la corrente di alimentazione a zero e quindi fare clic sul pulsante "OUTPUT ON / OFF". Spegnere l'alimentazione dell'unità diodo della pompa.
- Utilizzare due specchi prima dell'amplificatore rigenerativo per allineare la trave di uscita dalla barella (impulsi di semi) attraverso l'ottica di disinserimento nell'amplificatore rigenerativo per raggiungere lo specchio di prima scelta (dietro la cella Pockels). Utilizza il profilatore del fascio, lo spettatore a infrarossi e la scheda di visualizzazione laser per aiutarti.
- Chiudere la cavità dell'amplificatore ruotando il quarto(Vedi tabella dei materiali , n. 33), dietro la cella Pockels, eliminando il fascio laser all'interno della cavità.
- Regolare le manopole motorizzate dello specchio di prima scelta spingendo il pulsante "+" o "-" sul motore verticale o orizzontale (driver 1) dal pannello di controllo manuale per allineare la trave di fuoriuscita.
- Aprire la cavità dell'amplificatore ruotando la piastra dell'onda trimestrale (dietro la cella Pockels) fino a raggiungere l'intensità massima del fascio laser all'interno della cavità. Bloccare il fascio riflesso riflesso dal secondo specchio finale.
- Osservare il profilo del fascio degli impulsi del seme sul programma della fotocamera e sovrapporre la trave con la posizione contrassegnata regolando le manopole di uno degli specchietti di cavità prima del disco sottile.
- Sblocca il fascio riflesso e osserva il suo punto sul programma della fotocamera.
- Regolare le manopole motorizzate del secondo specchio finale premendo il pulsante "+" o "-" per il verticale o orizzontaleMotore (driver 2) sul pannello di comando manuale per sovrapporsi alla riflessione posteriore con la posizione contrassegnata.
- Dal computer cellulare Pockels, eseguire il programma di celle Pockels.
NOTA: se l'impostazione della cella Pockels non è necessaria, ignorare i passaggi 3.15-3.18. - Osservare il segnale di commutazione della cella Pockels (vedi tabella dei materiali , n. 6 e 8) e gli impulsi di seme sull'oscilloscopio (vedi punto 1.15) con l'aiuto di un fotodiodo veloce ( figura 1b , centrale).
- Nel programma delle celle Pockels, impostare il tempo di ritardo (ritardo A) dalla finestra di dialogo "definire i parametri di ritardo" per sincronizzare la commutazione della cella Pockels e gli impulsi di semi nel cristallo delle cellule Pockels.
- Impostare la finestra di tempo di commutazione (ritardo B) dalla finestra di dialogo "parametri di ritardo di definizione" per confinare un impulso all'interno della cavità dell'amplificatore rigenerativo a 4 μs, corrispondente a 87 giri al tornio dell'impulso.
- Impostare il trigger internoR (inibizione) dalla finestra di dialogo "parametri di ritardo di definizione" a "200 μs" per limitare la frequenza ad un impulso ogni 5 kHz.
- Accendere l'alimentazione del driver della cella Pockels per applicare l'alta tensione sul cristallo.
- Accendere l'alimentazione dell'unità diodo della pompa e fare clic sul pulsante "OUTPUT ON / OFF".
- Per amplificare gli impulsi del seme nell'amplificatore rigenerativo, pompare il disco sottile impostando la manopola "corrente" sull'alimentatore a 57,7 A, corrispondente a 280 W.
NOTA: Il fascio amplificato viene separato dalla traiettoria del seme mediante la combinazione di un rotatore Faraday (vedi tabella dei materiali n. 19) e un TFP. L'oscillatore Yb: YAG è protetto dalla riflessione posteriore del fascio amplificato da un isolatore (vedi tabella dei materiali , n. 18).
NOTA: Tenere il funzionamento della cella Pockels e dell'unità diodo della pompa nell'ordine indicato in precedenza per evitare di danneggiare l'ottica tramite Q-switching. - Osservare lo spettro e la potenza di uscita (vedere i punti 1.5 e 1.6) prima del compressore.
NOTA: L'uscita dell'amplificatore ha 125 W di potenza media a una lunghezza d'onda di 1.030 nm, una frequenza di ripetizione a 5 kHz e una larghezza di banda spettrale di 1 nm (FWHM). - Osservare il treno dell'impulso di uscita prima del compressore sulla schermata dell'oscilloscopio e determinare la stabilità impulsi-impulsi con l'ausilio di un fotodiodo veloce (vedi punto 1.15).
- Osservare il profilo del fascio di uscita prima del compressore e determinare le oscillazioni del fascio (vedere punto 1.16).
- Regolare perfettamente le manopole motorizzate del secondo specchio finale spingendo il pulsante "+" o "-" sul motore verticale o orizzontale (driver 2) dal pad di controllo manuale per migliorare il funzionamento dell'amplificatore rigenerativo, se necessario.
- Caratterizza l'effetto di restringimento del guadagno.
- Si consideri l'amplificazione per i diversi livelli di energia delle sementi regolando l'energia del seme con neutraFiltri a densità l.
- Modificare il numero di giri andati per ottenere la massima potenza di uscita per una potenza fissa della pompa di 300 W.
- Osservare lo spettro di uscita per ogni caso.
4. Compressore ad impulsi, allineamento del fascio e sistema di stabilizzazione
NOTA: Rimuovere la diagnostica dal percorso del fascio prima di procedere con questa sezione. Se non è necessario allineare il compressore e l'unità di stabilizzazione del fascio, saltare i passaggi 4.3 e 4.6.
- Ruotare il supporto di rotazione motorizzato della piastra half-wave (nel percorso di uscita) premendo il pulsante "+" o "-" sul motore A (driver 5) dal pad di controllo manuale per inviare qualche watt dell'uscita dell'amplificatore Al compressore ( figura 1b , fondo).
- Comprimi l'impulso laser fino a 1 ps passando il fascio amplificato attraverso l'impostazione del compressore.
- Utilizzare due specchi dopo l'impostazione dell'amplificatore rigenerativo per allineare l'amplificatoreD impulsi attraverso la configurazione del compressore, se necessario.
NOTA: Il compressore contiene due griglie dielettriche parallele (vedi tabella dei materiali , n. 22 e 23), con una densità di linea di 1.740 linee / mm. - Accendere l'alimentatore dell'unità di stabilizzazione del fascio (vedere la tabella dei materiali , n. 98). Eseguire il programma di stabilizzazione del fascio sul computer di stabilizzazione del fascio.
- Utilizzare due specchi prima della configurazione del rivelatore dello stabilizzatore del fascio per allineare la diffrazione dell'ordine zero dalla prima grata del compressore ai rivelatori del stabilizzatore del fascio.
- Premere il pulsante "regolazione" sul programma di stabilizzazione del fascio per bloccare il fascio laser per evitare la deriva del fascio dopo il compressore. Girare nuovamente la piastra motorizzata a mezza onda per passare la potenza di uscita completa dell'amplificatore attraverso il compressore. Regolare il guadagno dei rivelatori del fascio stabilizzatore con l'aiuto di un filtro a densità neutrale.
- Caratterizzare la durata del p compressoUsando SHG-FROG 21 , 24 .
5. Sorgente della pompa del sistema OPCPA
NOTA: Rimuovere la diagnostica dal percorso del fascio prima di procedere con questa sezione.
- Dal computer OPCPA, eseguire il programma del profilatore del fascio.
- Collimare e regolare la dimensione del fascio laser dopo il compressore, utilizzando un telescopio appropriato per raggiungere l'intensità di picco di 80 GW / cm 2 . Utilizzare il profilo del fascio, il visualizzatore a infrarossi e la scheda di visualizzazione laser.
NOTA: Per SHG è stato selezionato un cristallo BBO di 1,5 mm in base ai risultati della simulazione eseguita sul codice di Simulazione per il codice ottico (SISYFOS) 25 . - Guidare il raggio fondamentale (1,030 nm) attraverso un cristallo non lineare (BBO da 1,5 mm, vedere la tabella dei materiali , n. 54) per generare la seconda armonica (SH) a 515 nm.
- Separare la fasciatura SH dalla disconnessioneFascio fondamentale posizionando un separatore armonico a 45 ° (vedi tabella dei materiali , n. 56) dopo il cristallo.
NOTA: Il fascio SH viene riflesso dal separatore armonico, mentre il fascio fondamentale non convertito viene trasmesso attraverso. - Precisamente ottimizza l'angolo di corrispondenza di fase dello SH impostando la manopola del supporto a cristallo per raggiungere l'efficienza di conversione più elevata dello SH (70%, corrispondente a 70 W).
- Osservare la potenza degli SH e delle travi fondamentali non convertite sui contatori di potenza (vedere passo 1.6).
- Osservare il profilo del fascio Gaussian dello SH e le traverse fondamentali non convertite (vedere passo 1.16).
- Caratterizza la forma temporale degli impulsi SH usando la ghiera ottica risolta in frequenza cross-correlation (XFROG) 21 , 24 .
Representative Results
L'oscillatore fornisce 350 fs, 2 μJ, impulsi a 25 W con frequenza di ripetizione di 11 MHz, con una stabilità impulso di impulso pari a 1% (rms) e fluttuazioni a raggio inferiore di 0,6% per 1 h di misura ( Figura 4 ).
Figura 4 : Yb: disco sottile YAG, oscillatore bloccato in modalità Kerr-lens. (A) Lo spettro (rosso), il profilo temporale recuperato intensità (blu), e il profilo spaziale (riquadro) degli impulsi dell'oscillatore. ( B ) misurato e recuperato lo spettrografo SHG-FROG dell'oscillatore. Questa cifra è stata modificata da Fattahi et al. , Con permesso di riferimento 21 .> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli impulsi di semi vengono amplificati nell'amplificatore rigenerativo fino a 125 W mentre vengono pompati con un diodo a fibre ottiche CW a una lunghezza d'onda di 940 nm a 280 W, corrispondente ad un ottico-ottico di efficienza del 47%. La stabilità impulso-impulso dell'amplificatore è inferiore all'1% e l'amplificatore presenta una stabilità a lungo termine eccellente dopo 10 ore di funzionamento continuo. La trave amplificato ha un eccellente profilo spaziale, con M 2 di 1 (M 2 x = 1,08 e M 2 y = 1,07) e un eccellente profilo temporale dopo la compressione a 1 ps (a FWHM) (Figura 5).
Figura 5 : Caratterizzazione dell'amplificatore rigenerativoUscita e l'effetto di restringimento del guadagno. (A) La stabilità dell'amplificatore rigenerativo potenza media dopo 10 ore di funzionamento continuo. Inset: ( a-1 ) Potenza normalizzata al suo valore medio in una finestra temporale di 0,5 h; (A -2 ) Profilo fascio di uscita dell'amplificatore rigenerativo. ( B ) Spettro di uscita dell'amplificatore (verde) e l'intensità temporale recuperata (blu) dell'impulso del laser a 100 W di potenza media dopo il compressore della griglia. ( C ) Energia di semi rispetto alla larghezza di banda spettrale (FWHM) dell'uscita dell'amplificatore e dei giri richiesti per la stessa potenza media di uscita a 300 W di potenza della pompa. Questa cifra è stata modificata da Fattahi et al. , Con permesso di riferimento 21 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
25 . Sono stati considerati due diversi cristalli con i seguenti parametri: 1) un triborato di litio (LBO) di tipo I, 6 mm, con un angolo di corrispondenza di fase di 13,7 ° e un coefficiente non lineare di 0,819 pm / V; e 2) Tipo I, BBO di 3 mm di spessore con un angolo di corrispondenza di fase di 23,4 ° e un coefficiente non lineare di 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps, impulsi di 20 mJ a 1.030 nm e un'intensità di picco di 100 GW / cm 2 sono stati considerati come l'ingresso della simulazione. I risultati della simulazione hanno mostrato che la performance BBO era superiore a quella del LBO per SHG ( Figura 6 ).
Figura 6 : Seconda generazione armonica. (A) simulato SHG enePer un cristallo LBO di 6 mm e un cristallo BBO di 3 mm di spessore. B ) Efficienza sperimentale SHG rispetto all'intensità di picco della pompa di ingresso in un cristallo BBO di 1,5 mm di spessore usando 0,5 mJ (nero) e 20 mJ (verde) dell'uscita dell'amplificatore. ( C ) l'intensità spettrale recuperata e ( d ) il ritardo del gruppo delle misurazioni XFROG per diverse efficienze SHG corrispondenti ai punti A, B e C in (b). Questa cifra è stata modificata da Fattahi et al. , Con permesso di riferimento 21 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Discussion
Il funzionamento a chiave del oscillatore è ottenuto dalla gestione ottimale del calore delle diverse componenti del laser. L'uscita dell'oscillatore è riproducibile su base giornaliera, senza necessità di allineamento o ottimizzazione supplementari. Inoltre, la stabilità energetica impulso-impulso e la stabilità di punta spaziale del laser di sementi soddisfano le condizioni preliminari per il funzionamento stabile dell'amplificatore rigenerativo.
Altre sorgenti di sementi a basso contenuto energetico, come gli amplificatori a fibre, possono essere utilizzati per seminare l'amplificatore. In questo studio è stato utilizzato un oscillatore KLM da 2 μJ Yb: YAG per aiutare l'amplificazione dell'amplificatore rigenerativo riducendo la crescita delle fasi non lineari accumulate, in quanto il numero di giri voluto richiesto è ridotto per l'energia di semi più alta . Inoltre, la maggiore energia seme influenza il processo di amplificazione e riduce il rallentamento del guadagno. La larghezza di banda spettrale misurata del pulso amplificatoEs per energie di sementi differenti a una potenza fissa della pompa è mostrato in Figura 5c . La larghezza di banda spettrale amplificata diminuisce per le energie di seme inferiori a causa del restringimento dei guadagni. Per l'energia di sementi da 10 pJ, il laser opera nel periodo raddoppiato e non è possibile raggiungere un funzionamento stabile, anche aumentando il numero di giri andati. Oltre all'attenta ottimizzazione dei sistemi di raffreddamento e dell'alimentazione dei diodi, il funzionamento dell'amplificatore rigenerativo a saturazione svolge un ruolo importante nella stabilità raggiunta dell'amplificatore.
La fondamentale o la seconda armonica del laser può essere usata per pompare un sistema OPCPA. Per SHG, sono state confrontate le prestazioni di un LBO e un cristallo di BBO, in quanto offrono un elevato coefficiente non lineare e una soglia di danno, nonostante il largo spazio spaziale e l'apertura limitata disponibile nel caso della BBO. Poiché il coefficiente non lineare della BBO è quasi il doppio del LBO, un cristallo più corto è sufFinient per raggiungere il limite di saturazione per SHG ( Figura 6a ). Pertanto, BBO è la scelta più adatta, poiché la fase non lineare accumulata è più piccola 28 .
Le durate di impulso degli impulsi SH sono caratterizzate sperimentalmente a diverse efficienze di conversione. È stato osservato che ad alta efficienza di conversione, lo spettro SHG è ampliato e appare una fase spettrale di ordine superiore ( Figura 6 ). Pertanto viene scelto il caso B, con l'efficienza di conversione del 70%, dove gli SH e le travi fondamentali non convertite mantengono una qualità eccellente.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Vorremmo ringraziare il prof. Ferenc Krausz per le discussioni e Najd Altwaijry per il suo supporto per la finalizzazione del manoscritto. Questo lavoro è stato finanziato dal Centro per le Applicazioni Laser avanzate (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
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