20 mJ, 1 ps Yb: YAG amplificateur régénérateur à disque mince

L’objectif global de ce protocole est de démontrer la conception et le fonctionnement d’un amplificateur régénératif à disque mince Yb :Yag à haute énergie et haute puissance en tant qu’extrémité avant pour les amplificateurs d’impulsions paramétriques optiques à cycle de fusibles. Les lasers à disque mince YAG à l’ytterbium en combinaison avec des amplificateurs d’impulsions paramétriques optiques à dérive de fréquence, ou la technologie femtoseconde dite de troisième génération, nous donnent la possibilité de générer simultanément des impulsions de sous-cycle à quelques cycles à haute énergie et à puissance moyenne. Le principal avantage du système laser discuté dans ce film est cette capacité de puissance moyenne et de grande puissance en même temps pour des impulsions laser aussi courtes que quelques picosecondes.

Bien que ce laser puisse servir de pompe pour les lasers à quelques cycles, il peut également être utilisé comme extrémité avant d’autres systèmes, tels que les lasers ultraviolets à infrarouges moyens largement accordables. Ces bancs accueillent les différentes étapes du dispositif expérimental. Les étapes sont mieux comprises à l’aide du schéma.

Notez l’étiquetage de l’oscillateur, de la civière, de l’amplificateur régénératif et des étages de compresseur. Concentrez-vous d’abord sur l’étage de l’oscillateur. Sa cavité linéaire de 13 mètres a une ouverture dure en cuivre, comme le saphir cur medium, et un coupleur de sortie de transmission de 13 %.

Le système de miroir comprend trois miroirs à haute dispersion et deux miroirs avec un rayon de courbure négatif. Pompez l’oscillateur via des diodes couplées à des fibres couplées à un amplificateur à disque mince d’yttrium et d’aluminium dopé à l’ytterbium. Après le coupleur de sortie, un cristal d’oxyde de bore et de baryum sert de collecteur d’impulsions pour l’étage d’étirement d’impulsions.

L’étireur d’impulsions étire temporellement les impulsions de graines à environ deux nanosecondes. L’impulsion entre ensuite dans l’étage d’amplification régénérative. Là, l’impulsion de semence est maintenue dans la cavité de l’amplificateur.

La cavité est dotée d’une cellule de Pockels à haute tension avec un cristal d’oxyde de bore et de baryum. L’amplificateur régénératif utilise un autre disque mince de grenat d’aluminium et d’yttrium dopé à l’ytterbium qui est pompé par des diodes couplées à la fibre. Le dernier étage est un étage de compression d’impulsions, où les impulsions amplifiées sont compressées à une picoseconde.

Notez que dans tout le système, les diodes de la pompe, les têtes à disque mince et la planche à pain nécessitent des refroidisseurs pour les garder au frais. Commencez par démarrer le refroidissement par eau du système. Activez le débit d’eau et les refroidisseurs de refroidissement pour les composants de l’oscillateur.

À partir de la commande du refroidisseur, accédez à l’alimentation de la diode de la pompe et allumez-la. Ensuite, allumez la sortie de la diode de la pompe. Ajustez le courant pour pomper le disque mince à 940 nanomètres en mode onde continue.

À ce stade, arrangez-vous pour observer le spectre de sortie avant le sélecteur d’impulsions. Connectez la fibre à un spectromètre et placez-la dans le trajet du faisceau. Le centre du spectre se trouve à 1030 nanomètres.

Après avoir observé le spectre, remplacez la fibre par un wattmètre au même endroit. Observez la puissance de sortie du mode d’onde continue. Ensuite, passez au fonctionnement en mode pulsé et au verrouillage du mode.

Travaillez sur le miroir de l’oscillateur qui se trouve sur une platine de translation. Perturbez le miroir en poussant mécaniquement la platine par l’arrière. Encore une fois, observez le spectre de sortie avant le sélecteur d’impulsions après le lancement du mode pulsé.

Le centre du spectre se trouve à 1030 nanomètres avec une bande passante d’environ quatre nanomètres. Ensuite, une fois de plus, observez la puissance de sortie. Prenez maintenant des dispositions pour observer le terrain pulsé de sortie avec un oscilloscope.

Connectez la photodiode rapide à l’oscilloscope avec l’atténuation appropriée. Comme précédemment, effectuez la mesure avant le sélecteur d’impulsions. Placez la photodiode dans le trajet du faisceau.

Sur l’oscilloscope, réglez le bouton de niveau de déclenchement pour stabiliser les formes d’onde répétitives et permettre l’observation du train pulsé de sortie. Utilisez l’amplitude de crête à crête de cette observation pour déterminer la stabilité d’une impulsion à l’autre. Après cela, remplacez la photodiode dans le trajet du faisceau par un profileur de faisceau.

Utilisez le logiciel de profilage de faisceau pour afficher le profil du faisceau et effectuer des mesures de stabilité du pointage du faisceau. Procédez à l’utilisation du sélecteur d’impulsions en configurant d’abord son logiciel. De là, passez à l’électronique.

Allumez la haute tension vers le cristal de sélection d’impulsions pour produire le taux de répétition. Après le sélecteur d’impulsions, utilisez un polariseur à couche mince pour sélectionner les impulsions. Ces impulsions de graines passent à travers le châssis à grille, puis subissent une amplification régénérative.

Préparez l’amplificateur régénératif en démarrant son système de refroidissement. Ouvrez l’eau de refroidissement et réglez les refroidisseurs pour la tête laser et la cellule Pockels. Sur l’ordinateur de la cellule Pockels, démarrez le logiciel de la cellule Pockels.

Accédez à l’alimentation du pilote de la cellule Pockels et allumez-le. Allumez ensuite l’alimentation de l’unité pompe-diode et démarrez la sortie de la diode. Ajustez le courant de l’alimentation électrique pour amplifier les impulsions de démarrage.

Ensuite, choisissez une position avant l’étage du compresseur pour observer la sortie. Utilisez un analyseur de spectre et une fibre pour observer le spectre de l’amplificateur régénératif. Une fois terminé, lisez la puissance de sortie du wattmètre.

Notez la lecture de la puissance à ce stade avant l’étage du compresseur. Remplacez l’analyseur de spectre par une photodiode rapide connectée à un oscilloscope. Observez le train d’impulsions sur l’écran de l’oscilloscope, puis déterminez la stabilité d’une impulsion à l’autre.

Après avoir remplacé la photodiode rapide par un profileur de faisceau, observez le profil du faisceau de sortie et mesurez les fluctuations de pointage du faisceau. Après l’amplification, envoyez les impulsions de sortie à travers l’étage de compression. Ici, cela se fait avec une plaque demi-onde avec un support de rotation motorisé.

Ajustez les commandes de la monture pour laisser passer quelques watts de puissance laser. Ensuite, mettez un stabilisateur de faisceau en place et aligné. Avec le stabilisateur activé, utilisez son logiciel pour verrouiller le faisceau laser et éviter la dérive du faisceau.

Maintenant, revenez à la plaque demi-onde et autorisez la sortie complète de l’amplificateur. Les impulsions se propagent sur l’étage du compresseur, qui les compresse à une picoseconde. Les derniers éléments optiques sont représentés dans ce schéma.

Après l’étage du compresseur, préparez le faisceau pour l’amplification d’impulsions paramétriques à dérive de fréquence. Sur le banc, utilisez un télescope pour colonner et ajuster la taille du faisceau. Obtenez un retour d’information sur la poutre à partir d’un profileur de poutre.

Guidez le faisceau fondamental à travers un cristal non linéaire pour générer la deuxième harmonique. Avoir un séparateur d’harmoniques à 45 degrés pour séparer le deuxième faisceau harmonique du faisceau fondamental. Utilisez le profileur de faisceau pour observer les profils de faisceau gaussien du faisceau de la deuxième harmonique et le profil du faisceau fondamental non converti.

Il s’agit du profil du faisceau de sortie de l’amplificateur régénératif. Les impulsions d’amorçage sont amplifiées à 125 watts tout en étant pompées à 280 watts d’ondes continues. Un graphique de la puissance de sortie de l’amplificateur régénératif en fonction du temps démontre la stabilité du système tout en fonctionnant à une efficacité optique de 45 %Ici, le spectre de l’amplificateur est tracé en vert et est référencé à l’axe horizontal le long du haut du graphique.

L’intensité temporelle récupérée après compression à une picoseconde sur toute la largeur à mi-maximum est tracée en bleu à l’aide de l’axe horizontal inférieur. Ces deux courbes donnent l’efficacité expérimentale de génération de la deuxième harmonique par rapport à l’intensité de crête de la pompe d’entrée dans un cristal d’oxyde de bore de baryum de 1,5 millimètre d’épaisseur. La courbe noire correspond à 0,5 millijoule de sortie de l’amplificateur.

La courbe verte correspond à 20 millijoules de sortie d’amplificateur. Les points étiquetés A, B et C indiquent différentes efficacités de génération de seconde harmonique à différentes intensités de pointe. Voici les tracés des intensités spectrales récupérés pour chaque valeur étiquetée.

A est tracé en rouge, B en orange et C en bleu. Ce laser, lorsqu’il est associé à des amplificateurs paramétriques optiques à large bande ou à un système de génération d’harmoniques élevées, nous permet de générer des impulsions attosecondes ou des impulsions femtosecondes à une énergie plus élevée et à une puissance moyenne. Ces paramètres ouvrent une nouvelle ère pour les chercheurs qui explorent, par exemple, l’électronique pilotée par la lumière à des échelles de temps rapides.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la conception et de l’utilisation du laser à disque mince ytterbium :YAG de haute puissance et de haute énergie. N’oubliez pas que travailler avec des lasers à haute énergie et à haute puissance peut être extrêmement dangereux et sensible à la poussière. Par conséquent, des précautions telles que des lunettes de sécurité et des manteaux de salle blanche doivent toujours être utilisées lors de l’utilisation de ce laser.