20 mJ, 1 ps Yb: YAG amplificador regenerativo de disco delgado

El objetivo general de este protocolo es demostrar el diseño y el funcionamiento de un amplificador regenerativo de disco delgado Yb:Yag de alta energía y alta potencia como extremo frontal para amplificadores ópticos de pulso paramétrico de ciclo de fusible. Los láseres de disco fino de iterbio YAG en combinación con amplificadores ópticos de pulsos paramétricos chirriados, o la llamada tecnología de femtosegundos de tercera generación, nos dan la oportunidad de generar pulsos de subciclo a pocos ciclos a alta energía y potencia media simultáneamente. La principal ventaja del sistema láser discutido en esta película es esta capacidad de potencia promedio y gran potencia al mismo tiempo para pulsos láser tan cortos como picosegundos.

Aunque este láser puede servir como una bomba para láseres de pocos ciclos, también se puede usar como el extremo frontal de otros sistemas, como los láseres ultravioleta a infrarrojo medio ampliamente sintonizables. Estos bancos albergan las diferentes etapas del montaje experimental. Las etapas se entienden mejor utilizando el esquema.

Observe el etiquetado del oscilador, el camilla, el amplificador regenerativo y las etapas del compresor. En primer lugar, concéntrese en la etapa del oscilador. Su cavidad lineal de 13 metros tiene una apertura dura de cobre, como medio de zafiro y un acoplador de salida de transmisión del 13%.

El sistema de espejos incluye tres espejos de alta dispersión y dos espejos con un radio de curvatura negativo. Bombee el oscilador a través de diodos acoplados a fibra acoplados a un amplificador de disco delgado de granate, itrio y aluminio dopado con iterbio. Después del acoplador de salida, un cristal de óxido de bario y boro sirve como selector de pulsos para la etapa del estirador de pulsos.

El estirador de pulsos estira temporalmente los pulsos de las semillas a aproximadamente dos nanosegundos. A continuación, el pulso entra en la etapa de amplificador regenerativo. Allí, el pulso de la semilla se mantiene en la cavidad del amplificador.

La cavidad tiene una celda de Pockels de alto voltaje con un cristal de óxido de boro y bario. El amplificador regenerativo utiliza otro disco delgado de granate de itrio y aluminio dopado con iterbio que es bombeado por diodos acoplados a fibra. La etapa final es una etapa de compresor de pulsos, donde los pulsos amplificados se comprimen a un picosegundo.

Tenga en cuenta que en todo el sistema, los diodos de la bomba, los cabezales de disco delgado y la placa de pruebas requieren enfriadores para mantenerlos fríos. Comience iniciando el enfriamiento por agua del sistema. Encienda el flujo de agua y los enfriadores de enfriamiento para los componentes del oscilador.

Desde el control del enfriador, muévase a la fuente de alimentación del diodo de la bomba y enciéndala. A continuación, encienda la salida del diodo de la bomba. Ajuste la corriente para bombear el disco delgado a 940 nanómetros en modo de onda continua.

En este punto, organice para observar el espectro de salida antes del selector de pulsos. Conecte la fibra a un espectrómetro y colóquela en la trayectoria del haz. El centro del espectro está a 1030 nanómetros.

Después de observar el espectro, reemplace la fibra con un medidor de potencia en la misma ubicación. Observe la potencia de salida del modo de onda continua. A continuación, pase a la operación en modo pulsado y al bloqueo de modo.

Trabaje en el espejo del oscilador que se encuentra en una etapa de traducción. Perturba el espejo empujando mecánicamente el escenario desde atrás. Una vez más, observe el espectro de salida antes del selector de pulsos después de que se inicie el modo pulsado.

El centro del espectro está a 1030 nanómetros con un ancho de banda de unos cuatro nanómetros. A continuación, una vez más, observe la potencia de salida. Ahora haga arreglos para observar el terreno pulsado de salida con un osciloscopio.

Conecte el fotodiodo rápido al osciloscopio con la atenuación adecuada. Al igual que antes, realice la medición antes que el selector de pulsos. Coloque el fotodiodo en la trayectoria del haz.

En el osciloscopio, ajuste la perilla de nivel de disparo para estabilizar las formas de onda repetitivas y permitir la observación del tren de pulsos de salida. Utilice la amplitud de pico a pico de esta observación para encontrar la estabilidad de pulso a pulso. Después de esto, sustituya el fotodiodo en la trayectoria del haz con un perfilador de haz.

Utilice el software del perfilador de vigas para mostrar el perfil de la viga y realizar mediciones de estabilidad de apuntamiento de la viga. Proceda a trabajar con el selector de pulsos configurando primero su software. A partir de ahí, pasa a la electrónica.

Encienda el cristal selector de pulso de alto voltaje para producir la tasa de repetición. Después del selector de pulsos, use un polarizador de película delgada para seleccionar los pulsos. Estos pulsos de semillas pasan a través del estirador de rejilla y luego se someten a una amplificación regenerativa.

Prepare el amplificador regenerativo poniendo en marcha su sistema de refrigeración. Abra el agua de refrigeración y configure los enfriadores para el cabezal láser y la celda de Pockels. En el ordenador móvil Pockels, inicie el software móvil Pockels.

Vaya a la fuente de alimentación del controlador de celda Pockels y enciéndalo. Luego encienda la fuente de alimentación de la unidad de bomba de diodo e inicie la salida del diodo. Ajuste la corriente de la fuente de alimentación para amplificar los pulsos de semilla.

A continuación, elija una posición antes de la etapa del compresor para observar la salida. Utilice un analizador de espectro y fibra para observar el espectro del amplificador regenerativo. Cuando termine, lea la potencia de salida del medidor de potencia.

Anote la lectura de potencia en este punto antes de la etapa del compresor. Reemplace el analizador de espectro por un fotodiodo rápido conectado a un osciloscopio. Observe el tren de pulsos en la pantalla del osciloscopio y luego determine la estabilidad de pulso a pulso.

Después de reemplazar el fotodiodo rápido por un perfilador de haz, observe el perfil del haz de salida y mida las fluctuaciones de apuntamiento del haz. Después de la amplificación, envíe los pulsos de salida a través de la etapa del compresor. Aquí esto se hace con una placa de media onda con un soporte de rotación motorizado.

Ajuste los controles de la montura para permitir el paso de unos pocos vatios de potencia láser. A continuación, en el camino, tenga un estabilizador de haz en su lugar y alineado. Con el estabilizador encendido, use su software para bloquear el rayo láser y evitar la deriva del haz.

Ahora, regrese a la placa de media onda y permita la salida completa del amplificador. Los pulsos viajan a la etapa del compresor, que los comprime a un picosegundo. Los elementos ópticos finales están representados en este esquema.

Después de la etapa del compresor, prepare el haz para la amplificación paramétrica de pulsos chirriados. En el banco, use un telescopio para columnar y ajustar el tamaño del haz. Obtenga la retroalimentación de la viga de un perfilador de vigas.

Guíe el haz fundamental a través de un cristal no lineal para generar el segundo armónico. Tener un separador de armónicos a 45 grados para separar el segundo haz armónico del haz fundamental. Utilice el perfilador de haz para observar los perfiles de haz gaussiano del segundo haz armónico y el perfil del haz fundamental no convertido.

Este es el perfil del haz de salida del amplificador regenerativo. Los pulsos de semilla se amplifican a 125 vatios mientras se bombean a 280 vatios de onda continua. Un gráfico de la potencia de salida del amplificador regenerativo en función del tiempo demuestra la estabilidad del sistema mientras funciona con una eficiencia óptica del 45%Aquí, el espectro del amplificador se traza en verde y se refiere al eje horizontal a lo largo de la parte superior del gráfico.

La intensidad temporal recuperada después de la compresión a un picosegundo de ancho completo a la mitad del máximo se traza en azul utilizando el eje horizontal inferior. Estas dos curvas dan la eficiencia experimental de generación de segundos armónicos frente a la intensidad máxima de la bomba de entrada en un cristal de óxido de bario y boro de 1,5 milímetros de espesor. La curva negra es para 0,5 milijulios de salida del amplificador.

La curva verde es para 20 milijulios de salida del amplificador. Los puntos etiquetados como A, B y C, etiquetan diferentes eficiencias de generación de segundos armónicos a diferentes intensidades máximas. A continuación se muestran los gráficos de intensidades espectrales recuperados para cada valor etiquetado.

A se traza en rojo, B en naranja y C en azul. Este láser, cuando se combina con un amplificador paramétrico óptico de banda ancha o un sistema de generación de armónicos altos, nos permite generar pulsos de attosegundos o pulsos de femtosegundos a mayor energía y potencia media. Estos parámetros abren una nueva era para que los investigadores exploren, por ejemplo, la electrónica impulsada por la luz en escalas de tiempo rápidas.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo se diseña y opera el láser de disco delgado de iterbio: YAG de alta potencia y alta energía. No olvide que trabajar con láseres de alta energía y alta potencia puede ser extremadamente peligroso y sensible al polvo. Por lo tanto, siempre se deben usar precauciones como gafas de seguridad y abrigos para salas limpias mientras se opera este láser.