Summary
En protokol for driften av en høy-energi, høyspennings optisk parametrisk chirped pulsforsterkerpumpe kilde basert på en Yb: YAG thin-disk regenerativ forsterker er presentert her.
Abstract
Dette er en rapport på en regenerativ forsterker på 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG. En hjemmelaget Yb: YAG tynn-disk, Kerr-objektiv-moduslåset oscillator med nøkkelytelse og mikrojoule-nivå pulsenergi brukes til å frøke den regenerative chirped-pulsforsterkeren. Forsterkeren er plassert i lufttett hus. Den opererer ved romtemperatur og viser stabil drift ved en 5 kHz repetisjon, med en puls-til-puls stabilitet mindre enn 1%. Ved bruk av en 1,5 mm tykk beta-bariumboratkrystall dobles frekvensen av laserutgangen til 515 nm, med en gjennomsnittlig effekt på 70 W, hvilket tilsvarer en optisk-optisk effektivitet på 70%. Denne overlegne ytelsen gjør systemet til en attraktiv pumpekilde for optiske parametriske chirped-pulsforsterkere i det nær-infrarøde og mid-infrarøde spektralområdet. Kombinere nøkkelytelsen og den overordnede stabiliteten til den regenerative forsterkeren, letter systemet til å generere et bredbånd, CEP-stabiltfrø. Å gi frøet og pumpe av den optiske parametriske chirped-pulsamplifisering (OPCPA) fra en laserkilde eliminerer etterspørselen av aktiv tidssynkronisering mellom disse pulser. Dette arbeidet presenterer en detaljert veiledning for å konfigurere og betjene en regenerativ forsterker Yb: YAG-tynnplate, basert på forsterket pulsforsterkning (CPA), som en pumpekilde for en optisk parametrisk chirped-pulsforsterker.
Introduction
Genereringen av høy-energi, få-syklus laserpulser med høy repetisjon er av stor interesse for anvendte felt, slik som Attosecond Science 1 , 2 , 3 , 4 og High Field Physics 5 , 6 , som står til direkte nytte Fra tilgjengeligheten av slike kilder. OPCPA representerer den mest lovende ruten for å oppnå høypuls energier og store forsterkningsbåndbredder som samtidig støtter fåsykluspulser 1 . Hittil gir OPCPA mulighet for ultrabredbåndsforsterkning, som genererer få sykluspulser 7 , 8 , 9 , 10 . En modifisert implementering av OPCPA-ordningen, som bruker korte pumpeimpulser på picosecond-skalaen, innebærer imidlertid lov forGjør denne tilnærmingen skalerbar for enda høyere puls energier og gjennomsnittlige krefter i få-syklus regime 1 , 11 , 12 . På grunn av den høye pumpeintensiteten i kortpulserte OPCPA, tillater den høye single-pass-forsterkningen bruk av svært tynne krystaller for å støtte store forsterkningsbåndbredder. Selv om den kortpulserte OPCPA har mange fordeler, er realiseringen av denne tilnærmingen gjenstand for tilgjengeligheten av lasere som er spesielt skreddersydd for dette formålet. Slike pumpe lasere er pålagt å levere høydenergiske pikosekundpulser med nær diffraksjon begrenset strålekvalitet ved repetisjonshastigheter i kHz til MHz-området 13 , 14 , 15 .
Innføringen av ytterbiumdoterte lasere i forskjellige geometrier, i stand til å levere picosekund laserpulser med høy energi og høy gjennomsnittlig effekt, Er i ferd med å endre den nåværende tilstanden til feltet 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG har god termisk ledningsevne og lang overstatstid, og den kan pumpes av kostnadseffektive diode lasere. Dens ytelse når den brukes i tynn-disk geometri er fremragende på grunn av effektiv kjøling av forsterkningsmediet til samtidig å skala topp og gjennomsnittlig effekt. Videre undertrykkes forekomsten av selvfokusering i forsterkningsmediet under amplifikasjonsprosessen på grunn av slankheten i tynn-disken i sammenligning med andre forsterkningsmedier geometrier, hvilket resulterer i gode temporale og romlige profiler av de forsterkede pulser. Kombinere dette konseptet med CPA holder løfte om å generere picosecond pulser med hundrevis av millijoules energi og hundrevisAv watt med gjennomsnittlig effekt 19 , 20 .
Målet med dette arbeidet er å demonstrere en nøkkel Yb: YAG tynnplate regenerativ forsterker med enestående daglig ytelse som en egnet kilde til å pumpe OPCPAs 21 . For å oppnå dette målet anvender denne studien en Yb: YAG tynn-diskoscillator 22 med flere mikrosyler av pulsenergi for å frøere forsterkeren for å minimere den akkumulerte ikke-lineære fase under amplifikasjonsprosessen. Denne protokollen gir oppskriften til å bygge og betjene lasersystemet, som er beskrevet andre steder 21 . Detaljer om komponentimplementerings- og kontrollprogramvare presenteres, og justeringsprosessen til systemet er beskrevet.
Protocol
Forsiktig: Vær oppmerksom på alle sikkerhetsforskrifter som er relevante for lasere før du bruker dette utstyret. Unngå kontakt med øyne eller hud for direkte eller spredt laserstråler. Vennligst bruk passende beskyttelsesbriller i hele prosessen.
Figur 1 : Skjematisk utforming av Yb: YAG tynn-disk regenerativ forsterker. ( A ) Yb: YAG tynn-skive Kerr-objektiv modus-låst oscillator. Oscillatorens 13 m lineære hulrom består av en 13% transmisjonsutgangskobling, tre høydispersjonsspeil med GDD på -3000 fs 2 , 1 mm safir Kerr-medium og en kobberhard åpning. En pulspiller, som inneholder en 25 mm tykk BBO-krystall, brukes til å redusere repetisjonen til 5 kHz. ( B ) CPA. Første blokk: Pulsspenningsoppsettet inneholderG to antiparallelle gullgitter (1,740 linjer / mm), hvor frøpulserne er strakt strakt til ca. 2 ns. Andre blokk: Den regenerative forsterkeren, hvor frøpulsen er begrenset i forsterkerhulen for forsterkning når høyspenningen til Pockels-cellen, som inneholder en BBO-krystall med en tykkelse på 20 mm, påføres. Tredje blokk: Pulskompressoren inneholder to parallelle dielektriske gitter (1,740 linjer / mm), hvor de forsterkede pulser blir midlertidig komprimert ned til 1 ps. Denne figuren er blitt modifisert fra Fattahi et al. , Med tillatelse fra referanse 21 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Komponent | ROC | Avstand |
| (mm) | (Mm) | |
| OC | ∞ | 0 |
| TD | -17000 | 600 |
| M 1 | -1000 | 5000 |
| BP | ∞ | 510 |
| M 2 | -1000 | 510 |
| EM | ∞ | 800 |
Tabell 1: Oscillatorens kavitetsdesign. ROC: Krumningsradius, OC: Utgangskobling, TD: Tynnplate, M: Speil, BP: Brewsterplate, EM: Endespeil.
Figur 2 : Oscillatorhulromdesign. Beregnet modusradius på hulromskomponentene. OC: utgangskobling, TD: tynn disk, M: speil, BP: Brewster plaTe, EM: ende speil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Komponent | ROC | Avstand |
| (Mm) | (Mm) | |
| EM 1 | ∞ | 0 |
| PC | ∞ | 200 |
| M 1 | -5000 | 525 |
| M 2 | 1500 | 1500 |
| TD | -2000 | 1050 |
| EM 2 | -2000 | 2350 |
Tabell 2: Kavitetsdesign av regenerativ forsterker. ROC: krumningsradius, EM: end mirRor, PC: Pockels celle, M: speil, TD: tynn disk.
Figur 3 : Regenerativ forsterker hulrom design. Beregnet modusradius på hulromskomponentene. EM: ende speil, PC: Pockels celle, M: speil, TD: tynn disk. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
1. Oscillator
- Slå på kjølevannet for oscillatoren ( figur 1a ).
- Slå på kjølekjølerne for å avkjøle pumpediodene, tynnhodet og brødbrettet. Still temperaturen på begge kjølerne til 20 ° C.
- Slå på strømforsyningen til pumpediodenheten (se Materialebordet , nr. 1) og klikk på "OUT"PUT ON / OFF "-knappen.
MERK: En laser hulromsimuleringsprogramvare (se Materialebordet , nr. 113) ble brukt til å simulere og designe oscillator- og regenerativforsterkerhulen (Tabell 1 og Tabell 2, Figur 2 og Figur 3 ) 23 . - Pump tynn-disken (se Materialetabell nr. 14) via den koblede fiberen ved en bølgelengde på 940 nm ved å sette "strømbryteren" på strømforsyningen til 26,2 A, tilsvarende 210 W-utgangen, til Start lasen i oscillatoren i kontinuerlig bølge (CW) modus.
- For å observere utgangsspektret til CW-modusen, koble en fiber til spektrometeret og plasser den før pulsvalgeren etter å ha brukt en passende demping.
- I spektrometerprogramvare velger du "Spektrometer" -fanen og klikker deretter "Rescan Devices."
- Høyreklikk på spektrometernavnetOg velg "Spektrumgraf".
- Klikk på "Godta" -knappen i vinduet "Velg mål".
- Når du har blokkert laserstrålen, klikker du på "Store mørke spektrum" -knappen på verktøylinjen og klikker på "Scope Minus Dark" -knappen for å trekke bakgrunnsspektret.
- Unblock laserstrålen for å observere spekteret.
- Vær oppmerksom på utgangseffekten til CW-modusen på strømmåleren før pulsvælgeren.
- For å betjene oscillatoren i pulserende modus og for å starte moduslåsing, forstyrre høyreflektivitetsspeilet inne i laserhulen (på et oversettelsestrinn) ved å trykke mekanisk på scenen fra baksiden Figur 1a ).
MERK: Høyrefleksjonsspeil med høyt terskelgrense ble brukt i oscillator- og regenerativ forsterkerhulrum (se Materialebeskrivelsen , nr. 24 og 28). - Vær oppmerksom på spekteret og utgangseffekten til den pulserende mOde før pulsvælgeren ved hjelp av henholdsvis spektrometer og en effektmåler.
MERK: Oscillatorutgangen har 25 W med gjennomsnittlig effekt ved en bølgelengde på 1 030 nm, en 11 MHz repetisjon og en 4 nm spektral båndbredde (FWHM). Hvis oscillatoroptimalisering ikke er nødvendig, hopp over trinn 1.9-1.14. - Litt øke strømmen på strømforsyningen til en CW-pigg vises i spektret målt av spektrometeret.
- Juster den harde blenderåpningen i oscillatoren (se figur 1a ) ved å justere mikrometerskruene vertikalt og horisontalt for å maksimere CW-spissen.
- Vær oppmerksom på utmattingen av pumpestråleprofilen på tynnplaten.
- Kjør diskkameraprogrammet og velg "Monokrom" fra "velgmodus" -vinduet.
- Klikk på "Åpne kamera" -knappen på verktøylinjen for å observere strålepunktet på tynn-disken.
- Still inn piezo lineære aktuatorer på endespeilet (Motorvinkler) ved å trykke "+" eller "-" knappen på vertikal eller horisontal motor fra håndkontrollen for å justere denne uttømningen til midten av pumpestråleprofilen.
- Nedenfor reduserer strømmen på strømforsyningen til CW-spissen forsvinner i spekteret.
- Gjenta trinnene i 1.9-1.13 til et spektrum og en utgangseffekt tilsvarende de oppnådde referanse nivåene oppnås (se det målte spektrum i figur 4a (rød kurve) ved 25 W gjennomsnittlig effekt).
- For å observere utgangspulstoget og for å bestemme puls-til-pulsstabiliteten, koble en rask fotodiode til et oscilloskop og plasser det før pulsvelgeren (etter bruk av passende demping).
- Velg et passende utløsernivå ved å justere "trigger level" -knappen på oscilloskopet for å stabilisere de gjentatte bølgeformene og observere utgangspulset på oscilloskopskjermbildet.
- Fra th E "Mål" -menyen, velg "Peak to Peak Amplitude" for å bestemme puls-til-puls stabiliteten.
- Vær oppmerksom på utgangsbjelkeprofilen før pulsvælgeren og bestem de strålepekende svingningene.
- Kjør bjelkeprofilprogramvaren og klikk på "Go, start capture" -knappen fra verktøylinjen for å observere stråleprofilen.
- Fra verktøylinjen, åpne "beam wander" -dialogboksen og klikk deretter på "Clear" -knappen for å starte ny strålingspunktstabilitetsmåling.
MERK: Fluktuasjoner i strålen eller en forvrengt stråleprofil (forårsaket av optisk skade, stråleklipping etc. ) kan forringe systemets stabilitet.
- Mål pulsvarigheten ved hjelp av frekvensoppløst optisk gating basert på andre harmoniske generasjon (SHG-FROG) 21 , 24 .
2. Pulse Picker og Pulse Stretcher
Innhold "> MERK: Forsiktig, vær oppmerksom på alle relevante elektriske sikkerhetsforskrifter før du bruker høyspenningen på pulsvalgeren. Bruk passende høyspenningsisolasjon. Fjern diagnosen fra strålebanen før du fortsetter med denne delen. Og innstillingen er ikke nødvendig, hopp over trinn 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 og 2.11.- Bruk to speil før pulsopptakeroppsettet for å justere utgangsstrålen fra oscillatoren via pulsvalgerenheten (se Materialetabell nr. 5 og 7) og dens 25 mm tykke beta bariumborat (BBO) krystall (se Materialebord , nr. 12) ved hjelp av den infrarøde seeren og laserkortet ( figur 1a ).
- Kjør pulsopptakerprogrammet på oscillatorcomputeren.
- Vær oppmerksom på svarsignalet til pulsoppsamleren og pulset på oscillatoren på oscilloskopet (se trinn 1.15) ved hjelp av en rask fotodiode.
- I pulsopptakerprogrammet angir du forsinkelsestiden (forsinkelse A) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametere" for å synkronisere koblingssignalet og pulstoget ved pulsvalgkrystallen.
- Sett brytertidvinduet (forsinkelse B) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametere" for å velge en puls fra pulstoget.
- Still inn den interne utløsertiden (hemmer) fra dialogboksen Definer forsinkelsesparametere til 200 μs for å velge en puls hver 5 kHz.
- Reduser repeteringshastigheten til oscillatoren fra 11 MHz til 5 kHz ved å bytte strømforsyningen til pulsvalgdriveren til "på" for å påføre høy spenning på krystallet.
- Velg de valgte pulser fra pulstoget ved å bruke en tynnfilmpolarisator (TFP) (se Materialebordet , nr. 31) etter pulsvalgeren og dumpe de resterende pulser inn i en stråle dump.
- Forbedre kontrasten av de valgte pulser ved å justere halvbølgen platen (seE Materialebordet , nr. 32) før pulsvælgeren.
- Reduser toppimpulsen til laserpulsen ved å sende de valgte pulsene gjennom bårenes oppsett for å strekke pulser i en varighet på 2 ns (se figur 1a- b ).
- Bruk to speil etter pulsopptakeroppsettet for å justere de valgte pulsene gjennom bårenes oppsett, om nødvendig.
MERK: Båren inneholder to antiparallelle gullgitter (se Materialebordet nr. 20 og 21) med en linjetykkelse på 1,740 linjer / mm for å strekke pulser i en varighet på 2 ns for å unngå å skade optikken under forsterkningsprosessen I den regenerative forsterkeren på grunn av høy toppintensitet. Disse pulser brukes til å frøke den regenerative forsterkeren, som beskrevet i neste avsnitt ( Figur 1b , topp).
3. Regenerativ forsterker
Forsiktighet; Vær oppmerksom på alleRelevante elektriske sikkerhetsforskrifter før bruk av høyspenningen til Pockels-cellen. Bruk passende høyspenningsisolasjon. Fjern diagnosen fra strålebanen før du fortsetter med denne delen. Frøpulser leveres fra Yr: YAG tynn-skive Kerr-objektiv-låst oscillator. Andre frøstrategier kan brukes til å frøke forsterkeren, for eksempel fiberforsterkere.
- Slå på kjølevannet for den regenerative forsterkeren ( figur 1b , midt).
- Slå på kjølekjølerne for å avkjøle pumpediodene, tynneskiven, laserhodet og Pockels-cellen. Still temperaturen på kjølerne til 28 ° C, 17 ° C og 18 ° C, og aktiver deretter forkoblingssystemet.
MERK: Feiljustert frøstråle kan forringe forsterkerens stabilitet. Hvis det ikke er nødvendig å justere den regenerative forsterkeren, hopp over trinnene 3.3-3.13 og 3.25. - Slå på strømforsyningen til pumpediodenheten (se Materiets tabellAls, nr. 2) og klikk deretter på "OUTPUT ON / OFF" -knappen.
- Pump tynn-disken via koblet fiber ved en bølgelengde på 940 nm ved å sette "strømbryteren" på strømforsyningen til terskelen.
- Følg pumpestråleprofilen på disken ved hjelp av diskkameraet (se trinn 1.11) og velg "Circle Geometry" på "Draw" -menyen på diskkameraprogrammet for å markere posisjonen til strålen i kameraprogrammet.
- Reduser strømforsyningsstrømmen til null, og klikk deretter på "OUTPUT ON / OFF" -knappen. Slå av strømforsyningen til pumpedioden.
- Bruk to speil før den regenerative forsterkeren til å justere utgangsstrålen fra båren (frøpulser) gjennom inkopplingsoptikken i den regenerative forsterkeren for å nå første ende-speilet (bak Pockels-cellen). Bruk stråleprofilen, den infrarøde seeren og laserkortet til å hjelpe med dette.
- Lukk forsterkerhulen ved å dreie kvartenEr-bølgeplate (se Materialebordet , nr. 33), bak Pockels-cellen, eliminering av laserstrålen inne i hulrommet.
- Still de motoriserte knappene på første-enderspeilet ved å trykke "+" eller "-" -knappen på vertikal eller horisontal motor (driver 1) fra håndkontrollen for å justere utkoblingsstrålen.
- Åpne forsterkerhulen ved å vri kvartbølgeplaten (bak Pockels-cellen) til maksimal laserstråleintensitet er oppnådd inne i hulrommet. Blokker den reflekterte strålen fra det andre endespeilet.
- Vær oppmerksom på stråleprofilen til frøpulser på diskkameraprogrammet og overlappe strålen med merket posisjon ved å justere knappene på et av hulrommene på tynnplaten.
- Fjern blokkering av den reflekterte strålen, og følg dens plass på diskkameraprogrammet.
- Still de motoriserte knappene på det andre endespeilet ved å trykke "+" eller "-" knappen for vertikal eller horisontalMotor (fører 2) på håndkontrollen for å overlappe refleksjonen med markert posisjon.
- Fra Pockels celledatamaskin, kjør Pockels-celleprogrammet.
MERK: Hvis innstillingen av Pockels-cellen ikke er nødvendig, hopp over trinn 3.15-3.18. - Vær oppmerksom på koblingssignalet til Pockels-cellen (se Materialetabell nr. 6 og 8) og frøpulser på oscilloskopet (se trinn 1.15) ved hjelp av en rask fotodiode ( figur 1b , midt).
- I Pockels-celleprogrammet må du sette forsinkelsestiden (forsinkelse A) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametere" for å synkronisere bytte av Pockels-cellen og frøpulser ved Pockels-krystallkrystall.
- Sett brytertidvinduet (forsinkelse B) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametere" for å begrense en puls inne i regenereringsforsterkerens hule til 4 μs, tilsvarende 87 rundturer på pulsen.
- Still inn den interne triggenR tid (hemme) fra dialogboksen "Definer forsinkelsesparametere" til "200 μs" for å begrense frekvensen til en puls hver 5 kHz.
- Slå på strømforsyningen til Pockels celledriver for å bruke høyspenningen på krystallet.
- Slå på strømforsyningen til pumpedioden og klikk på "OUTPUT ON / OFF" -knappen.
- For å forsterke frøpulser i den regenerative forsterkeren, pump tynnplaten ved å sette "gjeldende" knappen på strømforsyningen til 57,7 A, tilsvarende 280 W.
MERK: Den forsterkede strålen skilles fra frøstrålen ved kombinasjonen av en Faraday-rotator (se Materialebordet , nr. 19) og en TFP. Yb: YAG-oscillatoren er beskyttet mot refleksjon av forsterket stråle av en isolator (se Materialebordet , nr. 18).
MERK: Hold driften av Pockels-cellen og pumpedioden i ovennevnte rekkefølge for å unngå skade på optikken ved Q-bytte. - Vær oppmerksom på spekteret og utgangseffekten (se trinn 1.5 og 1.6) før kompressoren.
MERK: Forsterkerutgangen har 125 W med gjennomsnittlig effekt ved en bølgelengde på 1,030 nm, en 5 kHz repetisjon og en 1 nm spektral båndbredde (FWHM). - Vær oppmerksom på utgangspulset før kompressoren på oscilloskopskjermen, og fastslå puls-til-pulsstabiliteten ved hjelp av en rask fotodiode (se trinn 1.15).
- Vær oppmerksom på utgangsbjelkeprofilen før kompressoren og bestem de strålebøyde svingningene (se trinn 1.16).
- Finjuster de motoriserte knappene i det andre endespeilet ved å trykke "+" eller "-" -knappen på vertikal eller horisontal motor (driver 2) fra håndkontrollen for å forbedre driften av den regenerative forsterkeren, hvis nødvendig.
- Karakteriserer gevinst-innsnevring effekten.
- Vurder forsterkningen for forskjellige frøenerginivåer ved å justere frøenergien med neutraL-tetthetsfiltre.
- Endre antall rundturer for å oppnå den høyeste utgangseffekten for en fast pumpeffekt på 300 W.
- Vær oppmerksom på utgangsspektret for hvert tilfelle.
4. Pulskompressor, strålejustering og stabiliseringssystem
MERK: Fjern diagnosen fra strålebanen før du fortsetter med denne delen. Hvis det ikke er nødvendig å justere kompressoren og stråle stabilisatorenheten, hopp over trinn 4.3 og 4.6.
- Vri den motordrevne rotasjonsmonteringen på halvbølgerplaten (i utgangsstien) ved å trykke "+" eller "-" knappen på motor A (driver 5) fra håndkontrollen for å sende noen watt av forsterkerutgangen Til kompressoren ( figur 1b , bunn).
- Komprimer laserpulsen ned til 1 ps ved å sende den forsterkede strålen gjennom kompressoroppsettet.
- Bruk to speil etter regenerativ forsterkeroppsett for å justere forsterkerenD pulser gjennom kompressoroppsettet, om nødvendig.
MERK: Kompressoren inneholder to parallelle dielektriske gitter (se Materialebordet , nr. 22 og 23), med en linje tetthet på 1.740 linjer / mm. - Slå på strømforsyningen til stråle stabilisatorenheten (se Materialebordet , nr. 98). Kjør stråle stabilisator programmet på stråle stabilisator datamaskinen.
- Bruk to speil før detektoroppsettet for stråle-stabilisatoren for å justere nullordensdiffraksjonen fra det første gitteret i kompressoren til stråle-stabilisatordetektorene.
- Skyv "regulering" -knappen på stråle stabilisatorprogrammet for å låse laserstrålen for å unngå stråledrift etter kompressoren. Vri den motordrevne halvbølgen platen igjen for å passere full utgangseffekt fra forsterkeren gjennom kompressoren. Juster forsterkningen av stråle stabilisator detektorer ved hjelp av et nøytralt tetthetsfilter.
- Karakteriser tidsvarigheten til komprimert pUlses ved hjelp av SHG-FROG 21 , 24 .
5. Pumpekilde til OPCPA-systemet
MERK: Fjern diagnosen fra strålebanen før du fortsetter med denne delen.
- Fra OPCPA-datamaskinen, kjør programmet til stråleprofilen.
- Kollimere og juster laserstrålestørrelsen etter kompressoren, ved hjelp av et passende teleskop for å nå toppintensiteten på 80 GW / cm 2 . Bruk stråleprofil, infrarød seer og laserkort.
MERK: En 1,5 mm tykk BBO-krystall ble valgt for SHG basert på resultatene av simuleringen gjort på SISYFOS-koden 25 (Simulation System for Optical Science). - Styr den grunnleggende strålen (1,030 nm) gjennom en ikke-lineær krystall (1,5 mm tykk BBO, se Materialetabell nr. 54) for å generere den andre harmoniske (SH) ved 515 nm.
- Separat SH strålen fra unconveRted grunnleggende stråle ved å plassere en harmonisk separator ved 45 o (se Materialetabellen , nr. 56) etter krystallet.
MERK: SH-strålen reflekteres fra harmonisk separator, mens den ukonverterte grunnleggende strålen overføres gjennom. - Juster faksjusteringsvinkelen på SH ved å justere krystallmonteringsratten for å oppnå den høyeste konverteringseffektiviteten til SH (70%, tilsvarende 70 W).
- Vær oppmerksom på kraften til SH og de ukonverterte grunnleggende bjelker på effektmålerne (se trinn 1.6).
- Vær oppmerksom på den gaussiske stråleprofilen til SH og de ukonverterte grunnleggende bjelkene (se trinn 1.16).
- Karakteriserer den temporale formen på SH-pulser ved hjelp av korrelasjonsfrekvensoppløst optisk gating (XFROG) 21 , 24 .
Representative Results
Oscillatoren leverer 350 fs, 2 μJ, 25 W-impulser med repetisjon på 11 MHz, med en puls-til-pulsstabilitet på 1% (rms) og strålebøyningsfluktuasjoner på mindre enn 0,6% over 1 time ( Figur 4 ).
Figur 4 : Yb: YAG tynn-disk, Kerr-objektiv modus-låst oscillator. ( A ) Spektret (rødt), den hentede temporale intensitetsprofilen (blå) og den romlige profilen (innsettet) av oscillatorpulser. ( B ) Målt og hentet SHG-FROG spektrograph av oscillatoren. Denne figuren er blitt modifisert fra Fattahi et al. , Med tillatelse fra referanse 21 .> Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Frøpulserne forsterkes i den regenerative forsterker til 125 W mens de pumpes med en CW-fiberkoplet diod ved en bølgelengde på 940 nm ved 280 W, tilsvarende en optisk til optisk effektivitet på 47%. Puls-til-pulsstabiliteten til forsterkeren er mindre enn 1%, og forsterkeren utviser utmerket langsiktig stabilitet etter 10 timer kontinuerlig drift. Den forsterkede strålen har en utmerket romlig profil, med en M 2 på 1 (M 2 x = 1,08 og M 2 y = 1,07) og en utmerket temporal profil etter komprimering til 1 ps (ved FWHM) ( Figur 5 ).
Figur 5 : Karakterisering av den regenerative forsterkerenUtgang og gevinst-innsnevring effekten. ( A ) Stabiliteten av den regenerative forsterkerens gjennomsnittlige effekt etter 10 timers kontinuerlig drift. Inset: ( a-1 ) Normalisert effekt til gjennomsnittsverdien i et tidsvindu på 0,5 timer; ( A-2 ) Utgangsstråleprofil av den regenerative forsterkeren. ( B ) Forsterkerutgangsspektrum (grønt) og den hentede temporære intensiteten (blå) av laserpulser ved 100 W gjennomsnittlig effekt etter gitterkompressoren. ( C ) Seed energi versus spektral båndbredde (FWHM) på forsterkerutgangen og de nødvendige rundturene for samme utgangsmiddelkraft ved 300 W pumpeffekt. Denne figuren er blitt modifisert fra Fattahi et al. , Med tillatelse fra referanse 21 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
25 . To forskjellige krystaller med følgende parametere ble vurdert: 1) et type I, 6 mm tykt litiumtriborat (LBO), med en fasevariantsvinkel på 13,7 ° og en ikke-lineær koeffisient på 0,819 pm / V og 2) a Type-I, 3 mm tykk BBO med en fasevariantsvinkel på 23,4 ° og en ikke-lineær koeffisient på 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps pulser 20 mJ ved 1030 nm og en toppstyrke på 100 GW / cm2 ble betraktet som inngangs av simuleringen. Simuleringsresultatene viste at BBO-ytelsen var overlegen i forhold til LBO for SHG ( figur 6 ).
Figur 6 : Andre harmoniske generasjon. ( A ) Simulert SHG enRgy for en 6 mm tykk LBO krystall og en 3 mm tykk BBO krystall. ( B ) Eksperimentell SHG-effektivitet mot inngangspumpens toppintensitet i en 1,5 mm tykk BBO-krystall ved bruk av 0,5 mJ (svart) og 20 mJ (grønn) av forsterkerutgangen. ( C ) Den hentede spektralintensiteten og ( d ) gruppens forsinkelse av XFROG-målinger for forskjellige SHG-effektiviteter tilsvarende punktene A, B og C i (b). Denne figuren er blitt modifisert fra Fattahi et al. , Med tillatelse fra referanse 21 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
Oscillatorens svingnøkkeloperasjon oppnås ved optimal varmebehandling av de forskjellige komponentene i laseren. Utgangen fra oscillatoren kan gjentas daglig, uten behov for ekstra justering eller optimalisering. I tillegg oppfyller puls-til-puls-energistabiliteten og romlig pekestabilitet av frølaseren forutsetningene for å oppnå stabil drift av den regenerative forsterkeren.
Andre energikildekilder, som for eksempel fiberforsterkere, kan brukes til å frøke forsterkeren. I denne studien ble en KLM-oscillator på 2 μJ Yb: YAG brukt til å hjelpe forsterkningen av den regenerative forsterkeren ved å redusere veksten av de akkumulerte, ikke-lineære faser, siden det nødvendige antall rundturer er redusert for høyere inngangsfrøenergi . I tillegg påvirker den høyere frøenergien forsterkningsprosessen og reduserer forsterkningsinnsnevringen. Den målte spektrale båndbredden til den forsterkede pulsenEs for forskjellige frøenergier ved en fast pumpeffekt er vist i figur 5c . Forsterket spektralbåndbredde reduseres for lavere frøenergier på grunn av forsterkning. For 10 pJ frøenergi opererer laseren i perioden dobling, og det er ikke mulig å nå stabil drift, selv ved å øke antall rundturer. I tillegg til nøye optimalisering av kjølesystemene og strømforsyningen til diodene spiller operasjonen av den regenerative forsterkeren ved metning en stor rolle i forsterkerens oppnådde stabilitet.
Den grunnleggende eller andre harmoniske av laseren kan brukes til å pumpe et OPCPA-system. For SHG ble sammenligningene av en LBO og en BBO-krystall sammenlignet, da de tilbyr en høy, ikke-lineær koeffisient og skadegrense, til tross for større romlig avgang og begrenset tilgjengelig blenderåpning ved BBO. Siden den ikke-lineære koeffisienten av BBO er nesten dobbelt så stor som for LBO, er en kortere krystall sufFikient å nå metningsgrensen for SHG ( figur 6a ). Derfor er BBO det mer hensiktsmessige valget, da den akkumulerte, ikke-lineære fasen er mindre 28 .
Pulsperioden for SH-pulser karakteriseres eksperimentelt ved forskjellige konverteringseffekter. Det ble observert at ved høy konverteringseffektivitet, blir SHG-spektret utvidet og en høyere rekkefølge spektralfase vises ( figur 6 ). Derfor er saks B, med konverteringseffektiviteten på 70%, valgt der SH og de ukonverterte grunnleggende bjelker opprettholder utmerket kvalitet.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Vi vil gjerne takke prof. Ferenc Krausz for diskusjonene og Najd Altwaijry for hennes støtte til å fullføre manuskriptet. Dette arbeidet er finansiert av 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).
