Name: 20 mJ, 1 ps Yb: YAG Dünnschicht-Regenerationsverstärker (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-12T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 17 s
Description: Erfahren Sie den Aufbau und Betrieb eines Yb:YAG-Dünnschicht-Regenerationsverstärkers für die Erzeugung hochenergetischer Pikosekunden-Laserpulse. Diese Methode ermöglicht präzise optische Parametrische Verstärkung.

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Wir danken Prof. Ferenc Krausz für die Diskussionen und Najd Altwaijry für ihre Unterstützung für die Fertigstellung des Manuskripts. Diese Arbeit wurde durch das Center for Advanced Laser Applications (CALA) finanziert.

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Der schlüsselfertige Betrieb des Oszillators wird durch die optimale Wärmemanagement der verschiedenen Komponenten des Lasers erreicht. Der Ausgang des Oszillators ist täglich reproduzierbar, ohne dass eine zusätzliche Ausrichtung oder Optimierung erforderlich ist. Darüber hinaus erfüllt die Puls-zu-Puls-Energiestabilität und die räumliche Punktstabilität des Saatlasers die Voraussetzungen, um den stabilen Betrieb des regenerativen Verstärkers zu erreichen. Andere Niedrigenergie-Saatquellen, wie z. B. Faserverstärker, können verwendet werden, um den Verstärker zu säen. In dieser Studie wurde ein 2 μJ Yb: YAG-Dünnschicht-KLM-Oszillator verwendet, um die Verstärkung des regenerativen Verstärkers durch Verringerung des Wachstums der angesammelten nichtlinearen Phasen zu unterstützen, da die erforderliche Anzahl von Rundfahrten für höher eingeführte Samenergie verringert wird . Darüber hinaus beeinflusst die höhere Saatgut-Energie den Verstärkungsprozess und reduziert die Verstärkung. Die gemessene spektrale Bandbreite der verstärkten ImpulseEs für verschiedene Samenergien bei einer festen Pumpenleistung ist in Abbildung 5c ​​gezeigt . Verstärkte spektrale Bandbreite sinkt für niedrigere Samenergien wegen der Verringerung der Verstärkung. Für 10 pJ Samenenergie arbeitet der Laser in der Periodenverdopplung, und es ist nicht möglich, einen stabilen Betrieb zu erreichen, auch wenn die Anzahl der Rundfahrten erhöht wird. Neben der sorgfältigen Optimierung der Kühlsysteme und der Stromversorgung der Dioden spielt der Betrieb des regenerativen Verstärkers bei der Sättigung eine wesentliche Rolle bei der erreichten Stabilität des Verstärkers. Die grundlegende oder zweite Harmonische des Lasers kann verwendet werden, um ein OPCPA-System zu pumpen. Für SHG wurden die Leistungen eines LBO und eines BBO-Kristalls verglichen, da sie trotz des größeren räumlichen Walk-offs und der begrenzten verfügbaren Blende im Falle von BBO einen hohen nichtlinearen Koeffizienten und Schadensschwelle bieten. Da der nichtlineare Koeffizient von BBO fast doppelt so hoch ist wie der LBO, ist ein kürzerer Kristall sufUm die Sättigungsgrenze für SHG zu erreichen ( Abbildung 6a ). Daher ist BBO die geeignetere Wahl, da die akkumulierte nichtlineare Phase kleiner ist 28 . Die Pulsdauern der SH-Impulse werden experimentell bei unterschiedlichen Umwandlungswirkungsgraden charakterisiert. Es wurde beobachtet, dass bei hohen Umwandlungswirkungsgraden das SHG-Spektrum erweitert und eine höherwertige Spektralphase erscheint ( Abbildung 6 ). Daher wird der Fall B mit dem Umwandlungswirkungsgrad von 70% gewählt, wo der SH und die nicht umgesetzten Grundstrahlen eine ausgezeichnete Qualität erhalten.

Die Erzeugung von hochenergetischen, wenigen Zyklus-Laserpulsen mit einer hohen Wiederholrate ist für angewandte Felder wie die Attosekundenwissenschaft 1 , 2 , 3 , 4 und die Hochfeldphysik 5 , 6 von großem Interesse, die direkt zugute kommen Aus der Verfügbarkeit solcher Quellen. OPCPA stellt den vielversprechendsten Weg zur Erzielung hoher Pulsenergien und großer Verstärkungsbandbreiten dar, die gleichzeitig wenige Zyklusimpulse unterstützen 1 . Bis heute ermöglicht OPCPA eine Ultrabreitbandverstärkung, die wenige Zyklusimpulse 7 , 8 , 9 , 10 erzeugt . Eine modifizierte Implementierung des OPCPA-Schemas, das kurze Pumpimpulse auf der Pikosekunden-Skala verwendet, hält jedoch VersprechenWobei dieser Ansatz für noch höhere Puls-Energien und durchschnittliche Potenzen im wenigen Zyklus-Regime 1 , 11 , 12 skalierbar ist. Aufgrund der hohen Pumpenintensität bei kurzimpulsgepumptem OPCPA ermöglicht die hohe Single-Pass-Verstärkung die Verwendung von sehr dünnen Kristallen, um große Verstärkungsbandbreiten zu unterstützen. Obwohl das kurzpulsgepumpte OPCPA viele Vorteile hat, unterliegt die Realisierbarkeit dieses Ansatzes der Verfügbarkeit von Lasern, die speziell für diesen Zweck zugeschnitten sind. Solche Pumplaser sind verpflichtet, hochenergetische Pikosekundenimpulse mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität bei Wiederholraten im kHz bis MHz Bereich 13 , 14 , 15 zu liefern. Die Einführung von Ytterbium-dotierten Lasern in verschiedenen Geometrien, die in der Lage sind, Pikosekunden-Laserpulse mit hoher Energie und hoher Durchschnittsleistung zu liefernUm den aktuellen Zustand des Feldes 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 zu ändern. Yb: YAG hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine lange Lebensdauer des oberen Lebens und kann durch kostengünstige Diodenlaser gepumpt werden. Seine Leistung bei Verwendung in Dünnschicht-Geometrie ist hervorragend aufgrund der effizienten Kühlung des Verstärkungsmediums, um gleichzeitig die Spitzen- und Durchschnittsleistung zu skalieren. Darüber hinaus wird das Auftreten von Selbstfokussierung innerhalb des Verstärkungsmediums während des Verstärkungsprozesses aufgrund der Schlankheit der Dünnschicht im Vergleich zu anderen Verstärkungsmediumgeometrien unterdrückt, was zu exzellenten zeitlichen und räumlichen Profilen der verstärkten Impulse führt. Die Kombination dieses Konzepts mit CPA hält Versprechen für die Erzeugung von Pikosekunden-Impulsen mit Hunderten von Millajoulen Energie und HundertenVon Watt der durchschnittlichen Macht 19 , 20 . Ziel dieser Arbeit ist es, einen schlüsselfertigen Yb: YAG-Dünnschicht-Regenerationsverstärker mit hervorragender Tagesleistung als geeignete Quelle für das Pumpen von OPCPAs 21 zu demonstrieren. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendet diese Studie einen Yb: YAG-Dünnschicht-Oszillator 22 mit mehreren Mikrokoppeln von Pulsenergie, um den Verstärker zu säubern, um die akkumulierte nichtlineare Phase während des Verstärkungsprozesses zu minimieren. Dieses Protokoll liefert das Rezept für den Bau und Betrieb des Lasersystems, das an anderer Stelle beschrieben wird 21 . Details zur Komponentenimplementierung und Steuerungssoftware werden vorgestellt und der Ausrichtungsprozess des Systems beschrieben.

<table><tbody><tr><td>Electrooptics</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fasergekoppeltes Diodenlasermodul</td><td>Dilas Diodenlaser GmbH</td><td>M1F8H12-940.5-500C-IS11.34</td><td></td></tr><tr><td>Fasergekoppeltes Diodenlasermodul</td><td>Laserline GmbH</td><td>LDM1000-500</td><td></td></tr><tr><td>Netzteil für Diodenlaser</td><td>Delta Elektronika B.V.</td><td>SM 15-100</td><td></td></tr><tr><td>Netzteil für Diodenlaser</td><td>Delta Elektronika B.V.</td><td>SM 35-45</td><td></td></tr><tr><td>Impulspicker-Treiber</td><td>Bergmann Messger&auml; te Entwicklung KG&nbsp;</td><td>N/A, kundenspezifischer</td><td></td></tr><tr><td>Pockels Cell's Treiber</td><td>Bergmann Messger&auml; te Entwicklung KG&nbsp;</td><td>N/A, kundenspezifisches</td><td></td></tr><tr><td>Pulse Picker's Driver Power Supply</td><td>Bergmann Messger&auml; te Entwicklung KG&nbsp;</td><td>PCD8m7</td><td></td></tr><tr><td>Pockels Cell's Treibernetzteil</td><td>Bergmann Messger&auml; te Entwicklung KG&nbsp;</td><td>PCD8m7</td><td></td></tr><tr><td>Delay Generator PCI</td><td>Bergmann Messger&auml; te Entwicklung KG&nbsp;</td><td></td><td></td>BME_SG08p</tr><tr><td>Splitterbox</td><td>Bergmann Messger&auml; te Entwicklung KG&nbsp;</td><td>N/A, kundenspezifischer</td><td></td></tr><tr><td>Resonanzvorverstärker</td><td>Bergmann Messger & auml; te Entwicklung KG&nbsp;</td><td></td><td></td>BME_P03</tr><tr><td>Kristall von Pulse Picker Castech</td><td>Inc.</td><td>N / A, kundenspezifisch</td><td>12 * 12 * 20 mm & sup3;</td></tr><tr>Der Kristall <td>Castech Inc.</td> <td>von Pockels Cell</td><td>N / A, kundenspezifisch</td><td>12 * 12 * 20 mm & sup3;</td></tr><tr><td>Name</td><td><>Unternehmen</td><td>Katalognummer<</td><td>strong>Kommentare</td></tr><tr><td>Optik</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dünnscheibenlaser</td><td>TRUMPF Scientific Lasers&nbsp;</td><td>N/A, kundenspezifischer</td><td></td></tr><tr><td>Scheibenkopf</td><td>TRUMPF Scientific Lasers&nbsp;</td><td>N/A, kundenspezifische</td><td></td></tr><tr><td>Fiber</td><td>Frank Optic Products GmbH</td><td>N/A, kundenspezifische</td><td></td></tr><tr><td>Faserobjektive</td><td>Edmund Optics GmbH</td><td>N/A, kundenspezifische</td><td></td></tr><tr><td>Faraday Isolator</td><td>Electro-Optics Technology, Inc</td><td>EOT.189.12231</td><td></td></tr><tr><td>Faraday Rotator</td><td>Electro-Optics Technology, Inc</td><td>EOT.189.22040</td><td></td></tr><tr><td>Stretcher's</td> Glocking 1<td>Horiba Jobin Yvon GmbH</td><td>N/A, kundenspezifisch</td><td>60*40*10 mm&sup3;</td></tr><tr><td>Gitter 2</td><td>Horiba Jobin Yvon GmbH</td><td>N/A, kundenspezifisch</td><td>350 * 190 * 50 mm & sup3;</td></tr><tr><td>Gitter des Kompressors 1</td><td>Plymouth Grating Laboratory, Inc.</td><td>N / A, kundenspezifisch</td><td>40 * 40 * 16 mm & sup3;</td></tr><tr><td>Gitter des Kompressors 2</td><td>Plymouth Grating Laboratory, Inc.</td><td>N / A, kundenspezifisch</td><td>300 * 100 * 50 mm & sup3;</td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (1030nm), flach, 0&Grad;</td><td>Layertec GmbH</td><td>108060</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (1030nm), flach, 0&deg;</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-09965, S-04484</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (1030nm), flach, 45&deg;</td><td>Layertec GmbH</td><td>108063</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (1030nm), flach, 45&deg;</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-09966, S-04484</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (1030nm), gebogen</td><td>Layertec GmbH</td><td>N/A, Sondersatz</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 2" (1030nm), flach, 0&deg;</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-09965, S-05474</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 2" (1030nm), flach, 45&Grad;</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-09966, S-05474</td><td></td></tr><tr><td>Dünnschichtpolarisator (1030nm), 2"</td><td>Layertec GmbH</td><td>103930</td><td></td></tr><tr><td>Waveplate L/2 (1030nm)</td><td>Layertec GmbH</td><td>106058</td><td>&Oslash;=25mm</td></tr><tr><td>Waveplate L/4 (1030nm)</td><td>Layertec GmbH</td><td>106060</td><td>&Oslash;=25mm</td></tr><tr><td>AR Fenster (1030nm), Wedge</td><td>Laseroptik GmbH</td><td>B-00183-01, S-00988</td><td>&Oslash;=38mm</td></tr><tr><td>Ausgangskoppler, 1" (1030nm)</td><td>Layertec GmbH</td><td>N/A, kundenspezifisch</td><td>PR = 88 %</td></tr><tr><td>Spiegel mit hoher Dispersion (1030nm)</td><td>UltraFast Innovations GmbH</td><td>N/A, kundenspezifisch</td><td>GDD = -3000 fs&sup2;</td></tr><tr><td>Objektiv, 1" (1030nm), Plano-Konvex</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A, Sonderanfertigungsset</td><td></td></tr><tr><td>Objektiv, 1" (1030nm), Plankonkav</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A, Sonderanfertigungsset</td><td></td></tr><tr><td>Objektiv, 2" (1030nm), Plankonvexes</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A, Sonderanfertigungsset</td><td></td></tr><tr><td>Objektiv, 2" (1030nm), Plankonkave</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A, Sonderanfertigungsset</td><td></td></tr><tr><td>HR-Spiegel, 1" (515nm), flach, 0&deg;</td><td>Layertec GmbH</td><td>129784</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (515nm), flach, 0&deg;</td><td>Eksma Optics</td><td>042-0515-i0</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (515nm), flach, 45&deg;</td><td>Layertec GmbH</td><td>110924</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (515nm), flach, 45°;</td><td>Eksma Optics</td><td>042-0515</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (515nm), gebogen</td><td>Layertec GmbH</td><td>N/A, Sondersatz</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 1" (515nm), gebogen</td><td>Eksma Optik</td><td>N/A, Sondersatz</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 2" (515nm), flach, 0&Grad;</td><td>Eksma Optics</td><td>045-0515-i0</td><td></td></tr><tr><td>HR Spiegel, 2" (515nm), flach, 45°;</td><td>Eksma Optics</td><td>045-0515</td><td></td></tr><tr><td>Dünnschicht-Polarisator (515nm), 2"</td> <td>Layertec GmbH</td><td>112544</td><td></td></tr><tr><td>Waveplate L/2 (515nm)</td><td>Layertec GmbH</td><td>112546</td><td>&Oslash;=25mm</td></tr><tr><td>Objektiv, 1" (515nm), Plan-Konvex</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A, kundenspezifisches</td><td>Set</td></tr><tr><td>Objektiv, 1" (515nm), Plano-Concave</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A, kundenspezifisches</td><td>Set</td></tr><tr><td>Kerr Medium</td><td>Meller Optics, Inc.</td><td>N/A, kundenspezifischer</td><td>Saphir, 1mm</td></tr><tr><td>BBO Crystal Castech</td><td>Inc.</td><td>N / A, kundenspezifisch</td><td>7 * 7 * 1,5 mm & sup3;</td></tr><tr><td>Oberschwingungsabscheider, 1", 45°;</td><td>Eksma Optics</td><td>042-5135</td><td></td></tr><tr><td>Oberschwingungsabscheider, 2", 45&deg;</td><td>Eksma Optics</td><td>045-5135</td><td></td></tr><tr><td>Silver Mirror, 1", flach</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Silver Mirror, 1", gebogen</td><td>Eksma Optics</td><td>N/A, kundenspezifisches</td><td>Set</td></tr><tr><td>Filter - Absorbierende Neutraldichte</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>NE##A</td><td>Set</td></tr><tr><td>Filter - Reflektierende Neutraldichte</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>ND##A</td><td>Set</td></tr><tr><td>Filter - Rundes stufenloses</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>NDC-50C-4M</td><td></td></tr><tr><td>Filter - Randpassfilter (Langpass)</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>FEL###</td><td>#set</td></tr><tr><td>Filter - Kantenpassfilter (Kurzpass)</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>FES####set</td><td></td></tr> <tr><td>Wedge</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>N/A, kundenspezifisches</td><td>Set</td></tr><tr><td>Name</td><td>Unternehmen </td><td>Katalognummer</td><td>Kommentare</td></tr><tr><td>Optomechanik & Motion</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Spiegelhalterung 1" (klein)</td><td>S. Maier GmbH</td><td>S1M4-##-1"</td><td></td></tr><tr><td>Spiegelhalterung 1" (groß)</td><td>S. Maier GmbH</td><td>S3-##</td><td></td></tr><tr><td>Spiegelhalterung 1"</td><td>TRUMPF Scientific Lasers&nbsp;</td><td>1" verstellbar&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Spiegelhalterung 2"</td><td>S. Maier GmbH</td><td>S4-##</td><td></td></tr><tr><td>Spiegelhalterung 2"</td><td>TRUMPF Scientific Lasers&nbsp;</td><td>2" verstellbar&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Drehbare Halterung 1"</td><td>S. Maier GmbH</td><td>D25</td><td></td></tr><tr><td>Drehhalterung 1"</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>RSP1/M</td><td></td></tr><tr><td>Rotationshalterung 2"</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>RSP2/M</td><td></td></tr><tr><td>Präzisions-Rotationstisch</td><td>Newport Corporation</td><td>M-UTR120</td><td></td></tr><tr><td>Vier-Achsen-Beugungsgitterhalterung</td><td>Newport Corporation</td><td>DGM-1</td><td></td></tr><tr><td>Translationstisch</td><td>OptoSigma Corporation</td><td>TADC-651SR25-M6</td><td></td></tr><tr><td>Pockels-Zelltisch</td><td>Newport Corporation</td><td>9082-M</td><td></td></tr><tr><td>Pockels-Küvettenhalter</td><td>Hausgemachtes</td><td>N / A, kundenspezifisches</td><td></td></tr><tr><td>Picomotor Controller/Driver Kit</td><td>Newport Corporation</td><td>8742-12-KIT</td><td></td></tr><tr><td>Picomotor Piezo Linear Aktuatoren</td><td>Newport Corporation</td><td>8301NF</td><td></td></tr><tr><td>Picomotor Rotationshalterung</td><td>Newport Corporation</td><td>8401-M</td><td></td></tr><tr><td>Handsteuerpad</td><td>Newport Corporation</td><td>8758</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Unternehmen</strong</td><td>>Katalognummer<</td><td>>Kommentare</strong</td></tr><tr><td>>Light Analysis</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Beam Profiling Camera</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>SP620</td><td></td></tr><tr><td>Beam Profiling Camera</td><td>DataRay Inc.</td><td>WCD-UCD23</td><td></td></tr><tr><td>Photodioden (solw)</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>DET10A/M</td><td></td></tr><tr><td>Photodioden (fast)</td><td>Alphalas GmbH</td><td>UPD-200-SP</td><td></td></tr><tr><td>Thin-disk Camera</td><td>Imaging Development Systems GmbH</td><td>UI-2220SE-M-GL</td><td></td></tr><tr><td>Oszilloskop</td><td>Tektronix GmbH</td><td>DPO5204</td><td></td></tr><tr><td>Oszilloskop</td><td>Teledyne LeCroy GmbH</td><td>SDA 760Zi-A</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometer</td><td></td><td>Avantes AvaSpec-ULS3648-USB2</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometer</td><td>Ocean Optics, Inc</td><td>HR4C1769</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometer</td><td>Ocean Optics, Inc</td><td>HR4C3762</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometer</td><td>Ocean Optics, Inc</td><td>HR4D464</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometer</td><td>Ocean Optics, Inc</td><td>HR4D466</td><td></td></tr><tr><td>Laser Thermal Power Sensor</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>L50(150)A-PF-35</td><td></td></tr><tr><td>Laser Thermal Power Sensor</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>FL500A</td><td></td></tr><tr><td>Laser Thermal Power Sensor</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>3A-P-V1</td><td></td></tr><tr><td>Leistungs- und Energiemessgerät</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>Vega</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Unternehmen</td><td>Katalognummer</td><td>><Kommentare</td></tr><tr><td>Systems</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Laser Strahlstabilisierungssystem</td><td>TEM-Messtechnik GmbH</td><td>Aligna</td><td></td></tr><tr><td>Laser M&sup2; Messsystem</td><td>Ophir Optronics Solutions Ltd</td><td>M&sup2;-200s</td><td></td></tr><tr><td>FROG</td><td>Hausgemacht</td><td>N/A, kundenspezifisch</td><td></td></tr><tr><td>XFROG</td><td>Hausgemacht</td><td>N/A, kundenspezifisch<</td><td></td></tr><tr><td>strong>Name</td><td>Unternehmen</td><td>Katalognummer<</td><td>strong>Kommentare</td></tr><tr><td>Sonstiges</stark></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cooling Chiller</td><td>H.I.B Systemtechnik GmbH</td><td>6HE-000800-W-W-R23-2-DI</td><td></td></tr><tr><td>Cooling Chiller</td><td>Termotek GmbH</td><td>P201</td><td></td></tr><tr><td>Cooling Chiller</td><td>Termotek GmbH</td><td>P208</td><td></td></tr><tr><td>Laserschutzbrille</td><td>Protect - Laserschutz GmbH</td><td>BGU 10-0165-G-20</td><td></td></tr><tr><td>Infrarot-Viewer</td><td>FJW Optical Systems</td><td>84499A</td><td></td></tr><tr><td>Laser Viewing Card</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>VRC4</td><td></td></tr><tr><td>Laser Viewing Card</td><td>Thorlabs GmbH</td><td>VRC5</td><td></td></tr><tr><td>Laser Viewing Card</td><td>Laser Components GmbH</td><td>LDT-1064 BG</td><td></td></tr><tr><td>Durchflussmesser</td><td>KOBOLD Messring GmbH</td><td>DTK-1250G2C34P</td><td></td></tr><tr><td>Manometer</td><td>KOBOLD Messring GmbH</td><td>EN 837-1</td><td></td></tr><tr><td>Temperatursensor</td><td>KOBOLD Messring GmbH</td><td>TDA-15H* ***P3M</td><td></td></tr><tr><td>WinLase Software</td><td>Dr. C. Horvath & Dr. F. Loesel</td><td>WinLase Version 2.1 pro.</td><td>Software für Laserkavitäten</td></tr></tbody></table>

20 mj, 1 ps yb: yag dünnschicht-regenerationsverstärker

20 mJ, 1 ps Yb:YAG Thin-disk Regenerative Amplifier

Dies ist ein Bericht über einen 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG Dünnschicht-regenerative Verstärker. Ein hausgemachter Yb: YAG-Dünnschicht-, Kerr-Objektiv-Modus-gesperrter Oszillator mit schlüsselfertiger Leistung und Mikrojoule-Puls-Energie wird verwendet, um den regenerativen Chirped-Puls-Verstärker zu säen. Der Verstärker befindet sich im luftdichten Gehäuse. Es arbeitet bei Raumtemperatur und zeigt einen stabilen Betrieb bei einer Wiederholrate von 5 kHz bei einer Puls-zu-Puls-Stabilität von weniger als 1%. Durch die Verwendung eines 1,5 mm dicken Beta-Barium-Borat-Kristalls wird die Frequenz der Laserleistung auf 515 nm verdoppelt, mit einer durchschnittlichen Leistung von 70 W, was einem optisch-optischen Wirkungsgrad von 70% entspricht. Diese überlegene Leistung macht das System zu einer attraktiven Pumpquelle für optische parametrische Chirped-Puls-Verstärker im Nah-Infrarot- und Mid-Infrarot-Spektralbereich. Durch die Kombination der schlüsselfertigen Leistung und der überlegenen Stabilität des regenerativen Verstärkers erleichtert das System die Erzeugung eines breitbandigen, CEP-stabilenSamen. Die Bereitstellung des Saatguts und der Pumpe der optischen parametrischen Chirped-Puls-Verstärkung (OPCPA) von einer Laserquelle eliminiert den Bedarf einer aktiven zeitlichen Synchronisation zwischen diesen Impulsen. Diese Arbeit stellt eine detaillierte Anleitung zum Aufbau und Betrieb eines Yb: YAG-Dünnschicht-Regenerationsverstärkers, basierend auf Chirped-Puls-Verstärkung (CPA), als Pumpquelle für einen optischen parametrischen Chirped-Puls-Verstärker dar.

<html> Der Oszillator liefert 350 fs, 2 μJ, 25-W-Impulse bei 11 MHz Wiederholrate mit einer Puls-zu-Puls-Stabilität von 1% (rms) und Strahlpunktschwankungen von weniger als 0,6% über 1 h Messwert ( Abbildung 4 ). <img alt="Abbildung 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55717/55717fig4.jpg" /> Abbildung 4 : Yb: YAG-Dünnschicht, Kerr-Linsen-Modus-gesperrter Oszillator. ( A ) Das Spektrum (rot), das abgerufene zeitliche Intensitätsprofil (blau) und das räumliche Profil (Einfügung) der Oszillatorimpulse. ( B ) Gemessener und abgerufener SHG-FROG-Spektrograph des Oszillators. Diese Figur wurde von Fattahi et al. , Mit Erlaubnis aus Referenz 21 .&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Die Seed-Impulse werden im regenerativen Verstärker auf 125 W verstärkt, während sie mit einer CW-fasergekoppelten Diode bei einer Wellenlänge von 940 nm bei 280 W gepumpt werden, was einer optisch-optischen Effizienz von 47% entspricht. Die Puls-zu-Puls-Stabilität des Verstärkers beträgt weniger als 1%, und der Verstärker weist nach 10 h Dauerbetrieb eine ausgezeichnete Langzeitstabilität auf. Der verstärkte Strahl hat ein ausgezeichnetes Raumprofil mit einem M 2 von 1 (M 2 x = 1,08 und M 2 y = 1,07) und einem ausgezeichneten zeitlichen Profil nach Kompression auf 1 ps (bei FWHM) ( Abbildung 5 ). <img alt="Abbildung 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55717/55717fig5.jpg" /> Abbildung 5 : Charakterisierung des regenerativen VerstärkersAusgabe und der Verstärkungsverengung. ( A ) Die Stabilität der regenerativen Verstärker-Durchschnittsleistung nach 10 h Dauerbetrieb. Inset: ( a-1 ) Normalisierte Leistung auf ihren Mittelwert in einem Zeitfenster von 0,5 h; ( A-2 ) Ausgangsstrahlprofil des regenerativen Verstärkers. ( B ) Verstärkerausgangsspektrum (grün) und die abgerufene zeitliche Intensität (blau) der Laserpulse bei 100 W durchschnittlicher Leistung nach dem Gitterverdichter. ( C ) Samenergie gegen Spektralbandbreite (FWHM) des Verstärkerausgangs und die erforderlichen Rundfahrten für die gleiche Ausgangsleistung bei 300 W Pumpleistung. Diese Figur wurde von Fattahi et al. , Mit Erlaubnis aus Referenz 21 . <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55717/55717fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 25 analysiert. Es wurden zwei verschiedene Kristalle mit folgenden Parametern in Betracht gezogen: 1) ein Typ-I, 6 mm dickes Lithiumtriborat (LBO) mit einem Phasenanpassungswinkel von 13,7 ° und einem nichtlinearen Koeffizienten von 0,819 pm / V und 2) a Typ-I, 3 mm dickes BBO mit einem Phasenanpassungswinkel von 23,4 ° und einem nichtlinearen Koeffizienten von 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps, 20-mJ-Pulse bei 1.030 nm und eine Peak-Intensität von 100 GW / cm 2 wurden als Eingang der Simulation betrachtet. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die BBO-Leistung dem des LBO für SHG überlegen war ( Abbildung 6 ). <img alt="Abbildung 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55717/55717fig6.jpg" /> Abbildung 6 : Zweite Harmonische Generation. ( A ) simuliertes SHG eneRgy für einen 6 mm dicken LBO-Kristall und einen 3 mm dicken BBO-Kristall. ( B ) Experimentelle SHG-Effizienz gegenüber Input-Inputity-Intensität in einem 1,5 mm dicken BBO-Kristall mit 0,5 mJ (schwarz) und 20 mJ (grün) des Verstärkerausgangs. ( C ) Die abgetastete spektrale Intensität und ( d ) die Gruppenverzögerung von XFROG-Messungen für verschiedene SHG-Effizienzen entsprechend den Punkten A, B und C in (b). Diese Figur wurde von Fattahi et al. , Mit Erlaubnis aus Referenz 21 . <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55717/55717fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

Ein Protokoll für den Betrieb einer hochenergetischen, hochleistungsfähigen, optisch parametrischen Chirp-Impulsverstärker-Pumpquelle auf der Basis eines Yb: YAG-Dünnschicht-Regenerationsverstärkers ist hier dargestellt.

20 mJ, 1 ps Yb: YAG Dünnschicht-Regenerationsverstärker

This is a report on a 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb:YAG thin-disk regenerative amplifier. A homemade Yb:YAG thin-disk, Kerr-lens mode-locked oscillator with ...

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.

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Research

Forschung

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20 mJ, 1 ps Yb: YAG Dünnschicht-Regenerationsverstärker

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