20 mJ, 1 ps Yb: YAG Dünnschicht-Regenerationsverstärker

Das übergeordnete Ziel dieses Protokolls ist es, das Design und den Betrieb eines hochenergetischen, leistungsstarken Yb:Yag-Dünnscheiben-Regenerativverstärkers als Frontend für optisch parametrische gechirpte Impulsverstärker mit Sicherungszyklus zu demonstrieren. Ytterbium-YAG-Dünnscheibenlaser in Kombination mit optisch-parametrischen chirped Pulsverstärkern oder der sogenannten Femtosekundentechnologie der dritten Generation geben uns die Möglichkeit, Subzyklus- bis Few-Cycle-Pulse bei hoher Energie und mittlerer Leistung gleichzeitig zu erzeugen. Der Hauptvorteil des Lasersystems, das in diesem Film besprochen wird, ist die Fähigkeit der durchschnittlichen Leistung und der großen Leistung in der gleichen Zeit für Laserpulse von nur Pikosekunden.

Obwohl dieser Laser als Pumpe für Laser mit wenigen Zyklen dienen kann, kann er auch als Frontend anderer Systeme verwendet werden, wie z. B. weit abstimmbare Laser im ultravioletten bis mittleren Infrarotbereich. In diesen Bänken befinden sich die verschiedenen Stadien des Versuchsaufbaus. Die Stufen lassen sich am besten anhand des Schaltplans verstehen.

Beachten Sie die Beschriftung des Oszillators, des Stretchers, des regenerativen Verstärkers und der Kompressorstufen. Konzentrieren Sie sich zunächst auf die Oszillatorstufe. Der 13 Meter lange lineare Hohlraum hat eine harte Kupferöffnung als Saphir-Quellmedium und einen 13%igen Transmissionsausgangskoppler.

Das Spiegelsystem besteht aus drei Spiegeln mit hoher Dispersion und zwei Spiegeln mit einem negativen Krümmungsradius. Pumpen Sie den Oszillator über fasergekoppelte Dioden, die an einen Ytterbium-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Scheibenverstärker gekoppelt sind. Nach dem Ausgangskoppler dient ein Barium-Boroxid-Kristall als Pulspicker für die Pulsstreckerstufe.

Der Pulsstrecker dehnt die Seed-Pulse zeitlich auf etwa zwei Nanosekunden. Als nächstes tritt der Impuls in die Stufe des regenerativen Verstärkers ein. Dort wird der Seed-Impuls in einem Verstärkerhohlraum gehalten.

Der Hohlraum weist eine Hochspannungs-Pockels-Zelle mit einem Barium-Boroxid-Kristall auf. Der regenerative Verstärker verwendet eine weitere Ytterbium-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Dünnscheibe, die von fasergekoppelten Dioden gepumpt wird. Die letzte Stufe ist eine Pulsverdichterstufe, in der die verstärkten Pulse auf eine Pikosekunde komprimiert werden.

Beachten Sie, dass die Pumpendioden, Dünnscheibenköpfe und das Brotbrett im gesamten System Kühler benötigen, um sie kühl zu halten. Beginnen Sie damit, die Wasserkühlung für das System zu starten. Schalten Sie den Wasserfluss und die Kühler für die Oszillatorkomponenten ein.

Wechseln Sie von der Steuerung des Kühlers zur Stromversorgung der Pumpendiode und schalten Sie sie ein. Schalten Sie als Nächstes den Ausgang der Pumpdiode ein. Passen Sie den Strom so an, dass die Dünnscheibe im Dauerstrichmodus auf 940 Nanometer gepumpt wird.

Richten Sie sich an dieser Stelle so ein, dass das Ausgangsspektrum vor dem Impulswähler beobachtet wird. Verbinden Sie die Faser mit einem Spektrometer und platzieren Sie sie im Strahlengang. Das Zentrum des Spektrums liegt bei 1030 Nanometern.

Ersetzen Sie nach der Beobachtung des Spektrums die Faser durch einen Leistungsmesser an der gleichen Stelle. Beobachten Sie die Ausgangsleistung des Dauerstrichmodus. Fahren Sie als Nächstes mit dem Betrieb im gepulsten Modus und der Modussperre fort.

Arbeiten Sie am Oszillatorspiegel, der sich auf einer Translationsstufe befindet. Stören Sie den Spiegel, indem Sie die Bühne mechanisch von hinten drücken. Beobachten Sie erneut das Ausgangsspektrum vor dem Pulswähler, nachdem der gepulste Modus gestartet wurde.

Das Zentrum des Spektrums liegt bei 1030 Nanometern mit einer Bandbreite von etwa vier Nanometern. Beobachten Sie anschließend erneut die Ausgangsleistung. Treffen Sie nun Vorkehrungen, um das gepulste Ausgangsgelände mit einem Oszilloskop zu beobachten.

Verbinden Sie die schnelle Fotodiode mit entsprechender Dämpfung mit dem Oszilloskop. Führen Sie die Messung wie zuvor vor dem Impulswähler durch. Platzieren Sie die Fotodiode im Strahlengang.

Stimmen Sie am Oszilloskop den Trigger-Pegel-Regler ab, um die sich wiederholenden Wellenformen zu stabilisieren und die Beobachtung der gepulsten Ausgangsfolge zu ermöglichen. Verwenden Sie die Peak-to-Peak-Amplitude aus dieser Beobachtung, um die Puls-zu-Puls-Stabilität zu ermitteln. Ersetzen Sie danach die Fotodiode im Strahlengang durch einen Strahlprofiler.

Verwenden Sie die Beam-Profiler-Software, um das Strahlprofil anzuzeigen und Messungen der Strahlausrichtungsstabilität durchzuführen. Fahren Sie mit der Arbeit mit dem Impulswähler fort, indem Sie zunächst seine Software konfigurieren. Von dort aus gehen Sie zur Elektronik über.

Schalten Sie die Hochspannung des Impulswähler-Kristalls ein, um die Wiederholrate zu erzeugen. Verwenden Sie nach dem Pulspicker einen Dünnschichtpolarisator, um die Impulse auszuwählen. Diese Samenimpulse durchlaufen den Gitterspanner und werden dann regenerierend amplifiziert.

Bereiten Sie den regenerativen Verstärker vor, indem Sie das Kühlsystem starten. Schalten Sie das Kühlwasser ein und stellen Sie die Kühler für den Laserkopf und die Pockels-Zelle ein. Starten Sie am Pockels-Zellencomputer die Pockels-Zellen-Software.

Rufen Sie das Netzteil des Pockels-Zellentreibers auf und schalten Sie es ein. Schalten Sie dann die Stromversorgung der Pumpdiodeneinheit ein und starten Sie die Diodenausgabe. Passen Sie den Strom von der Stromversorgung an, um die Seed-Impulse zu verstärken.

Wählen Sie als Nächstes eine Position vor der Kompressorstufe, um die Ausgabe zu beobachten. Verwenden Sie einen Spektrumanalysator und eine Faser, um das Spektrum des regenerativen Verstärkers zu beobachten. Wenn Sie fertig sind, lesen Sie die Ausgangsleistung vom Leistungsmesser ab.

Notieren Sie sich den Leistungsmesswert an dieser Stelle vor der Verdichterstufe. Ersetzen Sie den Spektrumanalysator durch eine schnelle Fotodiode, die an ein Oszilloskop angeschlossen ist. Beobachten Sie die Pulsfolge auf dem Oszilloskop-Bildschirm und bestimmen Sie dann die Puls-zu-Puls-Stabilität.

Nachdem Sie die schnelle Fotodiode durch einen Strahlprofiler ersetzt haben, beobachten Sie das Ausgangsstrahlprofil und messen Sie die Schwankungen der Strahlausrichtung. Senden Sie nach der Verstärkung die Ausgangsimpulse durch die Kompressorstufe. Hier geschieht dies mit einer Halbwellenplatte mit einer motorischen Rotationshalterung.

Stellen Sie die Bedienelemente der Halterung so ein, dass einige Watt Laserleistung durchgelassen werden. Nehmen Sie als Nächstes im Pfad einen Strahlstabilisator an Ort und Stelle an und richten Sie ihn aus. Wenn der Stabilisator eingeschaltet ist, können Sie die Software verwenden, um den Laserstrahl zu sperren und eine Strahldrift zu vermeiden.

Kehren Sie nun zur Halbwellenplatte zurück und lassen Sie den vollen Verstärkerausgang zu. Die Impulse wandern auf die Verdichterstufe, die sie auf eine Pikosekunde komprimiert. Die endgültigen optischen Elemente sind in diesem Schema dargestellt.

Bereiten Sie den Strahl nach der Verdichterstufe für die parametrische gechirpte Impulsverstärkung vor. Verwenden Sie auf der Bank ein Teleskop, um die Strahlgröße zu säulen und einzustellen. Erhalten Sie Rückmeldung über den Balken von einem Balkenprofiler.

Leiten Sie den Grundstrahl durch einen nichtlinearen Kristall, um die zweite Harmonische zu erzeugen. Verwenden Sie einen Oberschwingungstrenner in einem Winkel von 45 Grad, um den zweiten harmonischen Strahl vom Grundstrahl zu trennen. Verwenden Sie den Strahlprofiler, um die Gaußschen Strahlprofile des zweiten harmonischen Strahls und das Profil des nicht umgewandelten Grundbalkens zu beobachten.

Dies ist das Ausgangsstrahlprofil des regenerativen Verstärkers. Die Seed-Impulse werden auf 125 Watt verstärkt, während sie mit einer kontinuierlichen Welle von 280 Watt gepumpt werden. Ein Diagramm der Ausgangsleistung des regenerativen Verstärkers als Funktion der Zeit zeigt die Stabilität des Systems bei einem optischen Wirkungsgrad von 45 %Hier ist das Verstärkerspektrum grün dargestellt und bezieht sich auf die horizontale Achse entlang des oberen Randes des Diagramms.

Die abgerufene zeitliche Intensität nach der Kompression auf eine Pikosekunde voller Breite bei halbem Maximum wird unter Verwendung der unteren horizontalen Achse blau dargestellt. Diese beiden Kurven geben den experimentellen Wirkungsgrad der zweiten Harmonischen gegenüber der Spitzenintensität der Eingangspumpe in einem 1,5 Millimeter dicken Barium-Boroxid-Kristall an. Die schwarze Kurve ist für 0,5 Millijoule Verstärkerausgang.

Die grüne Kurve ist für 20 Millijoule Verstärkerleistung. Die mit A, B und C beschrifteten Punkte kennzeichnen unterschiedliche Wirkungsgrade der zweiten Harmonischen bei unterschiedlichen Spitzenintensitäten. Hier sind die abgerufenen Spektralintensitätsdiagramme für jeden beschrifteten Wert.

A wird in Rot, B in Orange und C in Blau dargestellt. Wenn dieser Laser mit einem breitbandigen optisch-parametrischen Verstärker oder einem System zur Erzeugung hoher Harmonischer kombiniert wird, ermöglicht es uns, Attosekundenpulse oder Femtosekundenpulse bei höherer Energie und mittlerer Leistung zu erzeugen. Diese Parameter eröffnen Forschern eine neue Ära, um beispielsweise lichtgetriebene Elektronik auf schnellen Zeitskalen zu erforschen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie ein leistungsstarker, hochenergetischer Ytterbium:YAG-Scheibenlaser entwickelt und betrieben wird. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit hochenergetischen Hochleistungslasern extrem gefährlich und staubempfindlich sein kann. Daher sollten beim Betrieb dieses Lasers immer Vorsichtsmaßnahmen wie Schutzbrille und Reinraumkittel getroffen werden.