方法論記事

20mJ、1ps Yb：YAGシンディスク再生アンプ

DOI：

10.3791/55717

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2017年7月12日

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1Department of Physics, Ludwig Maximilian University of Munich, 2Physics and Astronomy Department, King Saud University, 3Max Planck Institute of Quantum Optics

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yb：YAG薄ディスク再生増幅器に基づく高エネルギー、高出力光パラメトリックチャープパルス増幅器の動作のためのプロトコルがここに示されている。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

これは、100 W、20 mJ、1 ps Yb：YAG薄型ディスク再生アンプに関するレポートです。手作りのYb：YAG薄ディスク、ターンキー性能とマイクロジュールレベルのパルスエネルギーを持つKerrレンズモードロック発振器を使用して、再生チャープパルス増幅器をシードします。アンプは気密ハウジング内に設置されています。これは室温で作動し、1％未満のパルス間安定性を有する5kHzの繰り返し速度で安定した動作を示す。厚さ1.5mmのベータバリウムホウ酸塩結晶を用いることにより、レーザー出力の周波数は515nmに倍増し、平均出力は70Wであり、光 - 光効率70％に相当する。この優れた性能により、システムは、近赤外および中赤外スペクトル範囲の光パラメトリックチャープパルス増幅器の魅力的なポンプ源になります。ターンキー性能と回生増幅器の優れた安定性を組み合わせることにより、システムは広帯域のCEP安定性の生成を容易にしますシード。 1つのレーザ源から光パラメトリックチャープパルス増幅（OPCPA）のシード及びポンプを提供することは、これらのパルス間の能動的時間同期の要求を排除する。この作品は、光パラメトリックチャープパルス増幅器のポンプ源として、チャープパルス増幅（CPA）に基づくYb：YAG薄型ディスク再生増幅器のセットアップと操作に関する詳細なガイドを提供します。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

高い繰返し率で高エネルギー、数サイクルレーザーパルスの生成は、直接利益を得るために立つようアト秒科学1、2、3、4、および高磁場物理5,6として適用分野に大きな関心がありますそのような情報源の入手可能性から。 OPCPAは、数パルスパルスを同時にサポートする高いパルスエネルギーと大きな増幅帯域幅を達成するための最も有望なルートです1 。現在までに、光媒介型チャープパルス増幅は、いくつかのサイクルのパルス7、8、9、10を生成する超広帯域の増幅を可能にします。しかしながら、ピコ秒スケールで短いポンプパルスを使用するOPCPA方式の修正された実施形態は、より高いパルスエネルギー及び少ないサイクルレジーム1、11、12の平均電力のためのこのアプローチは、スケーラブルとなります。短パルスポンプOPCPAのポンプ強度が高いため、シングルパス利得が高いため、非常に薄い結晶を使用して大きな増幅帯域幅をサポートできます。短パルス励起OPCPAには多くの利点があるが、このアプローチの実現可能性は、この目的のために特別に調整されたレーザの利用可能性に依存する。そのようなポンプレーザはMHz範囲13、14、15キロヘルツで反復速度で近回折限界ビーム品質を有する高エネルギーピコ秒パルスを送達するために必要とされます。

高いエネルギーおよび高い平均出力を有するピコ秒レーザパルスを送出することができる、異なる幾何学的形状のイッテルビウムドープレーザの導入、フィールド1、13、14、15、16、17、18の現在の状態を変更しようとしています。 Yb：YAGは優れた熱伝導率と長い上部寿命を持ち、費用対効果の高いダイオードレーザーでポンピングできます。シンディスクジオメトリで使用されたときのその性能は、ピークと平均電力を同時にスケーリングするための利得媒体の効率的な冷却のために際立っています。さらに、増幅プロセス中の利得媒体内での自己収束の発生は、他の利得媒体の形状と比較して薄いディスクの細長さのために抑制され、増幅されたパルスの優れた時間的および空間的プロファイルをもたらす。このコンセプトをCPAと組み合わせると、数百ミリジュールのエネルギーと数百個のピコ秒パルスを生成することができます平均パワー19、20ワット。

この作業の目的は、OPCPA 21を圧送するのに適した日常的な性能を備えたターンキーYb：YAG薄型ディスク再生アンプを実証することです。この目標を達成するために、この研究では、増幅プロセス中に蓄積された非線形位相を最小限に抑えるために増幅器をシードするために数マイクロジュールのパルスエネルギーを有するYb：YAG薄ディスク発振器22を使用する。このプロトコルは、他の場所で21説明されているレーザシステムを構築し、操作するためのレシピを提供します。コンポーネントの実装と制御ソフトウェアの詳細が提示され、システムのアライメントプロセスが説明されています。

プロトコル

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

注意：この装置を使用する前に、レーザに関連するすべての安全規則に注意してください。目や皮膚が直接または散乱したレーザービームに暴露されるのを避けてください。作業中は適切なレーザー安全ゴーグルを着用してください。

figure-protocol-1
図1 ：Yb：YAGシンディスク再生アンプの回路 図 。 （ a ）Yb：YAGシンディスク円錐モード同期発振器。発振器13 m個の線形キャビティが13％送信出力カプラで構成され、-3000 FS 2、1mMのサファイアカー媒質、及び銅ハードアパーチャのGDDと3つの高分散ミラー。繰返し速度を5kHzに減少させるために、厚さ25mmのBBO結晶を含むパルスピッカーを使用する。 （ b ）CPA。最初のブロック：パルスストレッチャーの設定gの2つの逆平行金格子（1,740本/ mm）であり、シードパルスは約2nsに時間的に伸びる。第2のブロック：20mmの厚さのBBO結晶を含むポッケルスセルの高電圧が印加された場合、増幅のためにシードパルスが増幅器キャビティ内に閉じ込められる再生増幅器。第3のブロック：増幅されたパルスが1psに時間的に圧縮される、2つの平行な誘電体格子（1,740本/ mm）を含むパルス圧縮器。この図は、Fattahi et al。 、 参照21からの許可を得て。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

成分 ROC 距離
（mm） （mm）
OC ∞ 0
TD -17000 600
M 1 -1000 5000
BP ∞ 510
M 2 -1000 510
EM ∞ 800

表1：発振器のキャビティ設計。 ROC：曲率半径、OC：出力結合器、TD：薄板、M：ミラー、BP：ブリュースタープレート、EM：端面鏡。

figure-protocol-2
図2 ：発振器キャビティの設計キャビティコンポーネントの計算されたモード半径。 OC：出力カプラ、TD：シンディスク、M：ミラー、BP：ブリュースタープラte、EM：エンドミル。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

成分 ROC 距離
（mm） （mm）
EM 1 ∞ 0
PC ∞ 200
M 1 -5000 525
M 2 1500 1500
TD -2000 1050
EM 2 -2000 2350

表2：回生増幅器のキャビティ設計。 ROC：曲率半径、EM：エンドミルror、PC：ポッケルスセル、M：ミラー、TD：シンディスク。

figure-protocol-3
図3 ：回生型アンプのキャビティ設計。キャビティコンポーネントの計算されたモード半径。 EM：エンドミル、PC：ポッケルスセル、M：ミラー、TD：薄型ディスクこの図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

1.発振器

  1. 発振器の冷却水をオンにします（ 図1a ）。
  2. 冷却用チラーをオンにして、ポンプ・ダイオード、薄型ディスク・ヘッド、およびブレッドボードを冷却します。両方のチラーの温度を20℃に設定します。
  3. ポンプダイオードユニット（ 表 1参照）の電源を入れ、「OUTPUT ON / OFF "ボタンを押す。
    注：オシレータと再生増幅器のキャビティ（表1と表2、 図2と図3 ） 23をシミュレートして設計するには、レーザキャビティシミュレーションソフトウェア（ 表 113を参照）を使用しました。
  4. 薄型ディスク（ 材料表 14を参照）を、940 nmの波長の結合ファイバを介して電源装置の「現在の」ノブを、210 W出力に対応する26.2 Aに設定して、連続発振（CW）モードで発振器の発振を開始します。
  5. CWモードの出力スペクトルを観測するには、ファイバを分光器に接続し、適切な減衰を使用した後にパルスピッカーの前に配置します。
    1. 分光器ソフトウェアでは、 "Spectrometer"タブを選択し、 "Rescan Devices"をクリックします。
    2. 分光器の名前を右クリック「スペクトルグラフ」を選択します。
    3. "Choose Target"ウィンドウの "Accept"ボタンをクリックします。
    4. レーザービームを遮断した後、ツールバーの "Dark Spectrum保存"ボタンをクリックし、 "Scope Minus Dark"ボタンをクリックしてバックグラウンドスペクトルを引きます。
    5. スペクトルを観察するためにレーザービームのブロックを解除します。
  6. パルスピッカーの前にパワーメータのCWモードの出力パワーを観察します。
  7. ）パルスモードで発振器を動作させると、モードロックを開始するために、機械背面図1aからステージを押すことにより（並進ステージ上の）レーザキャビティ内に高反射ミラーを混乱させる。
    注：発振器および再生増幅器のキャビティには、高い損傷しきい値を持つ高反射率ミラーが使用されていました（ 表の表 24および表 28を参照）。
  8. スペクトルとパルスmの出力を観察する分光計とパワーメータを使用してパルスピッカーの前にそれぞれ測定します。
    注：発振器の出力は、波長1,030 nm、11 MHzの繰り返しレート、および4 nmのスペクトル帯域幅（FWHM）で25 Wの平均電力を持ちます。オシレータの最適化が必要ない場合は、ステップ1.9-1.14をスキップしてください。
  9. 分光器で測定されたスペクトルにCWスパイクが現れるまで、電源の電流をわずかに増加させます。
  10. マイクロメータのネジを垂直方向と水平方向に調整して、発振器のハードアパーチャ（ 図1a参照）を調整して、CWスパイクを最大にします。
  11. 薄型ディスク上のポンプビームプロファイルの消耗を観察します。
    1. ディスクカメラプログラムを実行し、「モードを選択」ウィンドウから「モノクロ」を選択します。
    2. ツールバーの「カメラを開く」ボタンをクリックして、シンディスク上のビームスポットを観察します。
  12. エンドミラーのピエゾリニアアクチュエータを調整する（この空乏をポンプビームプロファイルの中心に合わせるために、垂直または水平モーターの「+」または「 - 」ボタンをハンドコントロールパッドから押して、
  13. CWスパイクがスペクトル内で消滅するまで、電源の電流をわずかに減らしてください。
  14. 得られた基準レベルと同様のスペクトルと出力パワーが得られるまで、1.9-1.13のステップを繰り返します（ 図4aの測定スペクトル（平均出力25Wで赤い曲線）を参照）。
  15. 出力パルス列を観察し、パルス間の安定性を確認するには、高速フォトダイオードをオシロスコープに接続し、パルスピッカーの前に配置します（適切な減衰を使用した後）。
    1. オシロスコープの「トリガレベル」ノブを調整して、適切なトリガレベルを選択し、繰り返し波形を安定させ、オシロスコープ画面の出力パルス列を観察します。
    2. 〜から "Measure"メニューから "Peak to Peak Amplitude"を選択し、パルス間安定性を決定します。
  16. パルスピッカーの前に出力ビームプロファイルを観察し、ビームポインティング変動を決定します。
    1. ビームプロファイラソフトウェアを実行し、ツールバーの "Go、start capture"ボタンをクリックして、ビームプロファイルを観察します。
    2. ツールバーから "ビームワンダー"ダイアログを開き、 "クリア"ボタンをクリックして新しいビームポインティング安定性測定を開始します。
      注：ビームの変動や歪んだビームプロファイル（光学的損傷、ビームクリッピングなどによる ）によって、システムの安定性が低下する可能性があります。
  17. 第二高調波発生（SHG-FROG）21、24に基づいて、周波数分解光ゲートを使用してパルス持続時間を測定します。

2.パルスピッカーとパルスストレッチャー

パルスピッカーに高電圧を印加する前に、関連するすべての電気安全規制に注意してください。適切な高電圧アイソレーションを使用してください。このセクションに進む前に、ビームパスから診断を取り除いてください。その設定が必要ない場合は、手順2.1,2.3-2.6,2.8-2.9、および2.11をスキップします。
  1. パルスピッカーのセットアップの前に2つのミラーを使用して、オシレータからの出力ビームをパルスピッカーユニット（5番と7番の材料表を参照）と25mm厚のホウ酸ベータバリウム（BBO）結晶赤外線ビューアおよびレーザービューイングカード（ 図1a ）の助けを借りて、 材料表 （No. 12）に記載されている。
  2. 発振器コンピュータ上でパルスピッカープログラムを実行します。
  3. 高速ピックアップの助けを借りて、オシロスコープ上のパルスピッカーのスイッチング信号とオシレータのパルス列を観察します（ステップ1.15参照）。オジオード。
  4. パルスピッカープログラムで、「遅延パラメータの定義」ダイアログからの遅延時間（遅延A）を設定して、スイッチング信号とパルスピッカー結晶のパルス列を同期させます。
  5. パルス列から1つのパルスを選択するには、[遅延パラメータの定義]ダイアログボックスの切り替え時間ウィンドウ（遅延B）を設定します。
  6. 「遅延パラメータの定義」ダイアログボックスの内部トリガ時間（禁止）を200μsに設定して、5kHzごとに1パルスを選択します。
  7. 水晶に高電圧を印加するために、パルスピッカードライバの電源を「オン」に切り替えることにより、発振器の繰り返しレートを11MHzから5kHzに低下させます。
  8. パルスピッカーの後に薄膜偏光子（TFP）（ 材料表の No.31を参照）を使用してパルストレインから選択したパルスを選択し、残りのパルスをビームダンプにダンプします。
  9. 半波長板を調整することによって、ピックされたパルスのコントラストを改善する（see Table of Materials 、No. 32）を使用してください。
  10. ピックアップされたパルスをストレッチャー設定に通してパルスを2 nsの持続時間に伸ばすことにより、レーザーパルスのピーク出力を減らします（ 図1a- b参照）。
  11. 必要に応じて、パルスピッカーの設定後に2つのミラーを使用して、選択したパルスをストレッチャの設定に合わせます。
    注：ストレッチャーは、増幅プロセス中に光学系を損傷することを避けるために、パルスを2 nsの持続時間に伸ばすために1,740本/ mmの線密度で2つの逆平行金格子（ 表 20を参照）高いピーク強度のために再生増幅器内に存在する。これらのパルスは、次のセクション（ 図1b 、上）で説明するように、回生アンプをシードするために使用されます。

3.再生アンプ

あぶない;すべてのことに注意してくださいPockelsセルに高電圧を印加する前に、適切な電気安全規制を行ってください。適切な高電圧アイソレーションを使用してください。このセクションに進む前に、ビーム経路から診断を削除してください。シードパルスは、Yb：YAG薄ディスクカーレンズモード同期発振器から供給される。ファイバ増幅器のような他のシード戦略を使用して、増幅器をシードすることができる。

  1. 回生アンプの冷却水をオンにします（ 図1b 、中央）。
  2. 冷却チラーをオンにして、ポンプ・ダイオード、薄型ディスク、レーザー・ヘッド、およびポッケルス・セルを冷却します。チラーの温度を28°C、17°C、18°Cに設定し、インターロックシステムを作動させます。
    注：ミスアライメントされたシードビームは、アンプの安定性を低下させる可能性があります。回生アンプの調整が必要ない場合は、手順3.3-3.13と3.25をスキップしてください。
  3. ポンプダイオードユニットの電源を入れてください（ 表の表を参照してください）2）を選択し、「OUTPUT ON / OFF」ボタンをクリックします。
  4. 電源上の「電流」ノブをスレッショルドに設定して、940 nmの波長で結合ファイバを介してシンディスクをポンピングします。
  5. ディスクカメラ（ステップ1.11参照）を使用してディスク上のポンプビームプロファイルを観察し、ディスクカメラプログラムの「描画」メニューの「サークルジオメトリ」を選択して、カメラプログラム内のビームの位置をマークします。
  6. 電源電流をゼロに戻してから、「OUTPUT ON / OFF」ボタンをクリックしてください。ポンプダイオードユニットの電源を切ります。
  7. 再生増幅器の前に2つのミラーを使用して、ストレッチャからの出力ビーム（シードパルス）を回生増幅器の光結合光学部品に合わせて、（ポッケルスセルの後ろの）ファーストエンドミラーに到達させます。これを行うには、ビームプロファイラ、赤外線ビューア、レーザービューイングカードを使用します。
  8. クォートを回してアンプキャビティを閉じますキャビティ内のレーザビームを除去してポッケルスセルの後ろのエルミート波プレート（ 材料の番号33を参照）に取り付けます。
  9. ハンドコントロールパッドから垂直または水平モーター（ドライバー1）の "+"または " - "ボタンを押してアウトカップリングビームを調整して、ファーストエンドミラーの電動ノブを調整します。
  10. キャビティ内で最大のレーザビーム強度が得られるまで、1/4波長板（ポッケルスセルの後ろ）を回して増幅器キャビティを開きます。第2の端部ミラーからの後方反射ビームを遮断する。
  11. ディスクカメラプログラム上のシードパルスのビームプロファイルを観察し、薄いディスクの前にキャビティミラーの1つのノブを調整することによって、ビームをマークされた位置と重複させます。
  12. 後方反射ビームのブロックを解除し、ディスクカメラプログラム上のそのスポットを観察します。
  13. 垂直または水平方向の "+"または " - "ボタンを押して、第2のエンドミラーの電動ノブを調整しますモーター（ドライバー2）を手で操作すると、バック反射がマークされた位置と重なるようになります。
  14. Pockelsセルコンピュータから、Pockelsセルプログラムを実行します。
    注：ポッケルスセルの設定が必要ない場合、手順3.15-3.18をスキップします。
  15. 高速ホトダイオード（ 図1b 、中央）を使用して、Pockelsセルのスイッチング信号（ 表 6を参照）とオシロスコープのシードパルス（ステップ1.15参照）を観察します。
  16. ポッケルスセルプログラムでは、「遅延パラメータの定義」ダイアログボックスからの遅延時間（遅延A）を設定して、ポッケルスセルの切り替えとポッケルスセルクリスタルのシードパルスを同期させます。
  17. 「遅延パラメータの定義」ダイアログボックスの切り替え時間ウィンドウ（遅延B）を設定して、回生アンプのキャビティ内の1つのパルスを4μsに制限します。これはパルスの87回の往復に対応します。
  18. 内部トリッジを設定する5kHzごとに1つのパルスにレートを制限するために、「遅延パラメータの定義」ダイアログから「200μs」まで時間をずらす（禁止する）。
  19. 水晶に高電圧を印加するには、Pockelsセル・ドライバの電源を入れます。
  20. ポンプダイオードユニットの電源を入れ、 "OUTPUT ON / OFF"ボタンをクリックしてください。
  21. 回生アンプのシードパルスを増幅するには、電源の「電流」ノブを57.7 A（280 Wに相当）に設定してシンディスクをポンプします。
    注：増幅されたビームは、ファラデー回転子（ 材料番号19を参照）とTFPとの組み合わせによってシードビームから分離される。 Yb：YAG発振器は、アイソレータ（ 表 18参照）による増幅されたビームの後方反射から保護されています。
    注：ポッケルスセルおよびポンプダイオードユニットの動作は、Qスイッチによる光学部品の損傷を避けるため、上記の順序で行ってください。
  22. コンプレッサーの前にスペクトルと出力パワー（ステップ1.5と1.6を参照）を観察してください。
    注：アンプの出力は、波長1,030 nm、5 kHzの繰り返しレート、および1 nmのスペクトル帯域幅（FWHM）で125 Wの平均出力を持ちます。
  23. オシロスコープ画面の圧縮器の前に出力パルス列を観察し、高速フォトダイオードを使用してパルス間​​安定性を決定します（ステップ1.15参照）。
  24. コンプレッサの前に出力ビームプロファイルを観察し、ビームポインティングの変動を判断します（ステップ1.16を参照）。
  25. 必要に応じて、ハンドコントロールパッドから垂直または水平モーター（ドライバー2）の "+"または " - "ボタンを押して、回生アンプの動作を改善することによって、第2のエンドミラーの電動ノブを細かく調整します。
  26. ゲイン・ナローイング・エフェクトを特徴付ける。
    1. ニュートラで種子エネルギーを調整することによって異なる種子エネルギーレベルの増幅を検討するl-濃度フィルター。
    2. 300 Wの固定ポンプ出力で最大出力を得るためのラウンドトリップ回数を変更します。
    3. それぞれの場合の出力スペクトルを観察します。

4.パルスコンプレッサ、ビームアライメント、安定化システム

メモ：このセクションに進む前に、ビーム経路から診断を削除してください。コンプレッサとビームスタビライザユニットの位置合わせが必要ない場合は、ステップ4.3と4.6をスキップしてください。

  1. ハンドコントロールパッドからモーターA（ドライバー5）の "+"または " - "ボタンを押してアンプ出力の数ワットを送信することにより、（出力パスの）半波長板のモーター回転マウントを回します圧縮機（ 図1b 、下側）に送る 。
  2. 増幅されたビームを圧縮機のセットアップに通すことにより、レーザーパルスを1psまで圧縮します。
  3. 回生アンプの設定後に2つのミラーを使用して、アンプリ必要に応じて、コンプレッサーのセットアップを介してパルスを送ります。
    注記：コンプレッサーには、1,740本/ mmの線密度を持つ2つの平行な誘電体グレーティング（ 表 22の表を参照）が含まれています。
  4. ビームスタビライザーユニットの電源を入れます（ 材料表 、No. 98を参照）。ビームスタビライザプログラムをビームスタビライザコンピュータで実行します。
  5. ビーム安定器の検出器のセットアップの前に2つのミラーを使用して、圧縮器の第1の格子からの0次回折をビーム安定化検出器に整列させる。
  6. ビームスタビライザプログラムの「レギュレーション」ボタンを押して、コンプレッサー後のビームドリフトを避けるためにレーザービームをロックします。モーター付きの2分の1波長板を再度回して、アンプの全出力をコンプレッサーに通します。中立密度フィルターを使用して、ビームスタビライザー検出器のゲインを調整します。
  7. 圧縮されたpの時間間隔を特徴付けるSHG-FROG 21、24を用いulses。

5. OPCPAシステムのポンプ源

メモ：このセクションに進む前に、ビーム経路から診断を削除してください。

  1. OPCPAコンピュータから、ビームプロファイラのプログラムを実行します。
  2. 適切な望遠鏡を使用して80GW / cm 2のピーク強度に達するように、コンプレッサーの後でレーザービームサイズをコリメートして調整します。ビームプロファイラ、赤外線ビューア、レーザービューイングカードを使用します。
    注：厚さ1.5 mmのBBOクリスタルが、光学科学シミュレーションシステム（SISYFOS）コード25で行われたシミュレーションの結果に基づいてSHG用に選択されました。
  3. 基本波ビーム（1,030 nm）を非線形結晶（1.5 mm厚のBBO; 材料表、 54参照）でガイドし、515 nmで第2高調波（SH）を生成します。
  4. 未結合線からSHビームを分離する水晶の後に45 oに高調波セパレータを置くことによって基本波ビームを発生させました（ 材料の表、 56を参照）。
    注：SHビームは高調波分離器から反射され、変換されない基本ビームは透過します。
  5. SHの位相整合角度を正確に最適化するには、SHの最大変換効率（70％、70Wに対応）に達するように、クリスタルマウントのノブを調整します。
  6. SHのパワーとパワーメータの変換されていない基本ビームを観察します（ステップ1.6参照）。
  7. SHのガウスビームプロファイルと変換されていない基本ビームを観察します（ステップ1.16参照）。
  8. 相互相関周波数分解光ゲート（XFROG）21、24を用いて、SHパルスの時間的形状を特徴付けます。

結果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

この発振器は、1MHzのパルス幅で1％（rms）の安定性と0.6％未満のビーム指向の変動を伴い、11MHzの繰返し率で350fs、2μJ、25Wのパルスを出力します （ 図4 ）。

figure-results-1
図4 ：Yb：YAGシンディスク、カーレンズモード同期発振器 （ a ）発振器パルスのスペクトル（赤色）、検索された時間強度プロファイル（青色）、および空間プロファイル（インセット）。 （ b ）オシレータのSHG-FROG分光器の測定および検索。この図は、Fattahi et al。参照21からの許可を得て。>この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

シードパルスは、再生増幅器内で125Wに増幅され、280nmで940nmの波長のCWファイバ結合ダイオードで励起され、47％の光対光学効率に対応する。アンプのパルス間安定度は1％未満で、連続運転10時間後の優れた長期安定性を示します。増幅されたビームが1のM 2（M 2 x = 1.08およびM 2 Y = 1.07）及び（FWHMで）1ピコ秒に圧縮後の優れた経時的プロファイル（ 図5）を用いて、優れた空間プロファイルを有します。

figure-results-2
図5 ：回生アンプの特性出力とゲイン・ナローイング効果が得られます。 （ a ）連続運転10時間後の再生増幅器の平均出力の安定性。挿入：（ a-1 ）0.5時間の時間窓でその平均値に対する正規化電力。 （ a-2 ）回生増幅器の出力ビームプロファイル。 （ b ）グレーティング圧縮器の後の平均出力100Wでのレーザ出力パルスの増幅出力スペクトル（緑色）および取り出された時間強度（青色）。 （ c ）アンプ出力のシードエネルギー対スペクトル帯域幅（FWHM）と、ポンプ出力300Wでの同じ出力平均電力に対する必要なラウンドトリップ。この図は、Fattahi et al。参照21からの許可を得て。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

25を用いてSHGを分析した。次のパラメータを有する2つの異なる結晶が考慮された：1）13.7°の位相整合角および0.819pm / Vの非線形係数を有するタイプI、厚さ6mmのリチウムトリボレート（LBO）、および2） I型、23.4°の位相整合角と午後2時/ V 26、27の非線形係数と3mm厚BBO。 1030nmにおける1ps、20mJパルスおよび100GW / cm 2のピーク強度が、シミュレーションの入力として考慮された。シミュレーション結果から、BBOの性能はSHGのLBOの性能より優れていることが示された（ 図6 ）。

figure-results-3
図6 ：2次高調波生成。 （ a ）シミュレートされたSHGENE厚さ6mmのLBO結晶と厚さ3mmのBBO結晶のためのrgy。 （ b ）アンプ出力の0.5mJ（黒）と20mJ（緑）を使用した厚さ1.5mmのBBO結晶における入力SHG効率対入力ポンプピーク強度。 （ c ）（ b ）の点A、B、およびCに対応する異なるSHG効率に対する、取り出されたスペクトル強度および（ d ）XFROG測定の群遅延。この図は、Fattahi et al。 、 参照21からの許可を得て。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

発振器のターンキー動作は、レーザの様々な構成要素の最適な熱管理によって達成される。オシレータの出力は、余分なアラインメントや最適化を必要とせずに、毎日再現可能です。さらに、シードレーザのパルス間エネルギー安定性および空間指向安定性は、再生増幅器の安定動作を達成するための前提条件を満たしている。

ファイバ増幅器のような他の低エネルギーシード源を使用して増幅器をシードすることができる。この研究では、2μJのYb：YAGシンディスクKLMオシレータを使用して、蓄積された非線形相の成長を減少させることによって再生増幅器の増幅を支援しました。これは、より高い入力シードエネルギー。さらに、より高いシードエネルギーは、増幅プロセスに影響を及ぼし、ゲインの狭小化を低減する。増幅されたパルスの測定されたスペクトル帯域幅固定されたポンプ出力での異なる種エネルギーに対する変化を図5cに示す。増幅狭帯域化のため、増幅されたスペクトル帯域幅は、より低い種子エネルギーについて減少する。 10pJのシードエネルギーの場合、レーザは倍増する時間に動作し、往復回数を増やしても安定した動作に達することはできません。冷却システムの慎重な最適化とダイオードの電源供給に加えて、飽和時の再生増幅器の動作は、増幅器の達成された安定性において主要な役割を果たす。

レーザの基本波または第2高調波を用いてOPCPAシステムを励起することができる。 SHGについては、LBOとBBO結晶の性能は、大きな非線形係数と損傷閾値を提供するので、BBOの場合には空間的ウォークオフが大きく、利用可能な開口は限られているにもかかわらず、比較されている。 BBOの非線形係数がLBOのそれのほぼ2倍であるので、より短い結晶は、SHGの飽和限度に達するのに十分な程度である（ 図6a ）。累積非線形位相が28小さいしたがって、BBOは、より適切な選択です。

SHパルスのパルス持続時間は、異なる変換効率で実験的に特徴付けられる。高い変換効率では、SHGスペクトルが広がり、高次スペクトル相が現れることが観察された（ 図6 ）。したがって、変換効率が70％のケースBは、SHおよび変換されない基本ビームが優れた品質を維持する場合に選択されます。

開示事項

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

著者は何も開示することはない。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

私たちは議論のためにFerenc Krausz教授に感謝し、原稿を完成させる彼女の支援についてNajd Altwaijryに感謝したいと思います。この作業は、Advanced Laser Applications Center（CALA）によって資金提供されています。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Electrooptics
ファイバー結合ダイオードレーザーモジュールDilas Diodenlaser GmbHM1F8H12-940.5-500C-IS11.34
ファイバー結合ダイオードレーザーモジュールLaserline GmbHLDM1000-500
ダイオードレーザーDelta Elektronika B.V.SM 15-100
ダイオードレーザー用電源 Delta Elektronika B.V.SM 35-45
パルスピッカーのドライバーBergmann Messgeräte Entwicklung KG N / A、カスタマイズされた
ポッケルスセルのドライバーBergmann Messgeräte Entwicklung KG N / A、カスタマイズされた
パルスピッカーのドライバー電源Bergmann Messgeräte Entwicklung KG PCD8m7
ポッケルスセルのドライバー電源Bergmann Messgeräte Entwicklung KG PCD8m7
遅延発生器PCIBergmann Messgeräte Entwicklung KG 
スプリッターボックスBergmann Messgeräte Entwicklung KG N / A、カスタマイズされた
共振プリアンプBergmann Messgeräte Entwicklung KG 
パルスピッカーのクリスタル株式会社キャステックN / A、カスタマイズされた12 * 12 * 20 mm³
ポッケルスセルのクリスタルCastech Inc.N / A、カスタマイズされた12 * 12 * 20 mm³
名前会社カタログ番号コメント
Optics
Thin-diskTRUMPF Scientific Lasers N/A、カスタマイズ
薄型ディスクヘッドTRUMPFサイエンティフィックレーザー N / A、カスタマイズされた
ファイバーフランク光学製品GmbHN / A、カスタマイズされた
ファイバー対物レンズEdmund Optics GmbHN / A、カスタマイズされた
ファラデーアイソレーター電気光学技術株式会社EOT.189.12231
ラデー回転子電気光学技術株式会社EOT.189.22040
ストレッチャーの格子1堀場Jobin Yvon GmbHN / A、カスタマイズ60 * 40 * 10 mm³
ストレッチャーの格子2堀場Jobin Yvon GmbHN / A、カスタマイズされた350 * 190 * 50 mm³
コンプレッサーのグレーティング1マスグレーティングラボラトリー株式会社N / A、カスタマイズされた40 * 40 * 16 mm³
コンプレッサーのグレーティング2マスグレーティングラボラトリー株式会社N / A、カスタマイズされた300 * 100 * 50 mm³
HRミラー、1インチ(1030nm)、フラット、0°;Layertec GmbH108060
HRミラー、1インチ(1030nm)、フラット、0°Laseroptik GmbHB-09965, S-04484
HRミラー, 1インチ (1030nm), フラット, 45°;Layertec GmbH108063
HRミラー、1インチ(1030nm)、フラット、45°;Laseroptik GmbHB-09966、S-04484
HRミラー、1インチ(1030nm)、湾曲したLayertec GmbHN / A、カスタマイズセット
HRミラー、2インチ(1030nm)、フラット、0°;Laseroptik GmbHB-09965, S-05474
HRミラー, 2インチ (1030nm), フラット, 45°;Laseroptik GmbHB-09966、S-05474
薄膜偏光子(1030nm)、2 "Layertec GmbH103930
板L / 2(1030nm)Layertec GmbH106058Ø= 25mm
波長板L / 4(1030nm)Layertec GmbH106060Ø = 25mm
ARウィンドウ(1030nm)、ウェッジLaseroptik GmbHB-00183-01、S-00988Ø=38mm
出力カプラー、1" (1030nm)Layertec GmbHN/A、カスタマイズPR = 88 %
高分散ミラー (1030nm)UltraFast Innovations GmbHN/A、カスタマイズGDD = -3000 fs²
レンズ、1インチ (1030nm)、平面凸型Thorlabs GmbHN/A、カスタマイズセット
レンズ、1インチ (1030nm)、平面凹型Thorlabs GmbHN/A、カスタマイズセット
レンズ、2インチ (1030nm)、平面-凸型Thorlabs GmbHN/A、カスタマイズセット
レンズ、2" (1030nm)、平面凹Thorlabs GmbHN/A、カスタマイズセット
HRミラー、1インチ(515nm)、フラット、0°;Layertec GmbH129784
HRミラー、1インチ(515nm)、フラット、0°;Eksma Optics042-0515-i0
HRミラー、1インチ(515nm)、フラット、45°;Layertec GmbH110924
HRミラー、1インチ(515nm)、フラット、45°;Eksma Optics042-0515
HRミラー、1インチ(515nm)、湾曲したLayertec GmbHN/A、カスタマイズセット
HRミラー、1インチ(515nm)、湾曲したEksma OpticsN / A、カスタマイズセット
HRミラー、2インチ(515nm)、フラット、0°C;Eksma Optics045-0515-i0
HRミラー、2インチ(515nm)、フラット、45°;Eksma Optics045-0515
偏光子(515nm)、2 "Layertec GmbH112544
波長板L / 2(515nm)Layertec GmbH112546Ø= 25mm
レンズ、1インチ(515nm)、平凸Thorlabs GmbHN / A、カスタマイズセット
レンズ、1 "(515nm)、Plano-ConcaveThorlabs GmbHN / A、カスタマイズセット
カー・ミディアム・メラー・オプティクス・インクN / A、カスタマイズされたサファイア、1mm
BBOクリスタルCastech Inc.N / A、カスタマイズされた7 * 7 * 1.5 mm³
ハーモニックセパレーター、1インチ、45°C;Eksma Optics042-5135
ハーモニックセパレーター、2インチ、45°Eksma Optics045-5135
シルバー ミラー、1 インチ、フラットThorlabs GmbHPF10-03-P01
シルバー ミラー、1 インチ、湾曲Eksma OpticsN/A、カスタマイズセット
フィルター - 吸収性 NeutralDensity Thorlabs GmbHNE##Aセット
フィルター - 反射型 Neutral DensityThorlabs GmbHND##Aセット
フィルター - 丸型無段変量Thorlabs GmbHNDC-50C-4M
フィルター - エッジパスフィルター(ロングパス)Thorlabs GmbHFEL####セット
フィルター - エッジパスフィルター(ショートパス)Thorlabs GmbHFES####set
WedgeThorlabs GmbHN / A、カスタマイズされたセット
名前Companyカタログ番号strongコメント
オプトメカニクス&モーション
ミラーマウント 1インチ (小)S. Maier GmbHS1M4-##-1インチ
ミラーマウント 1インチ (大)S. Maier GmbHS3-##
ミラーマウント 1"TRUMPF Scientific Lasers 1インチ調整可能 
ミラーマウント 2"S. Maier GmbHS4-##ミラー
マウント 2"TRUMPF Scientific Lasers 2インチ調整可能 
回転マウント1インチS. Maier GmbHD25
回転マウント 1"Thorlabs GmbHRSP1/M
回転マウント 2インチThorlabs GmbHRSP2/M
精密回転ステージニューポートコーポレーションM-UTR120
4軸回折格子マウントニューポートコーポレーションDGM-1
トランスレーションステージオプトシグマコーポレーションTADC-651SR25-M6
ポッケルスセルステージニューポートコーポレーション9082-M
ポッケルスセルホルダー自家製のN / A、カスタマイズされた
ピコモーターコントローラー/ドライバーキットニューポートコーポレーション8742-12-KIT
ピコモーターピエゾリニアアクチュエーターニューポートコーポレーション8301NF
ピコモーター回転マウントニューポートコーポレーション8401-M
ハンドコントロールパッドニューポートコーポレーション8758
名前<strong>会社カタログ番号コメント
Light Analysis
ビームプロファイリングカメラOphir Optronics Solutions LtdSP620
ビームプロファイリングカメラDataRay Inc.WCD-UCD23
フォトダイオード (solw)Thorlabs GmbHDET10A/M
フォトダイオード (高速)Alphalas GmbHUPD-200-SP
Thin-disk CameraImaging Development Systems GmbHUI-2220SE-M-GL
オシロスコープTektronix GmbHDPO5204
オシロスコープTeledyne LeCroy GmbHSDA 760Zi-A
分光計AvantesAvaSpec-ULS3648-USB2
SpectrometerOcean Optics, IncHR4C1769
SpectrometerOcean Optics, IncHR4C3762
SpectrometerOcean Optics, IncHR4D464
SpectrometerOcean Optics, IncHR4D466
レーザー熱パワーセンサーOphir Optronics Solutions LtdL50(150)A-PF-35
レーザーサーマルパワーセンサーOphir Optronics Solutions LtdFL500A
レーザーサーマルパワーセンサーOphir Optronics Solutions Ltd3A-P-V1
パワー&エネルギーメーターOphir Optronics Solutions LtdVega
名前会社カタログ番号strongコメント
Systems
Laser Beam Stabilization SystemTEM-Messtechnik GmbHAligna
Laser M²測定システムOphir Optronics Solutions LtdM²-200s
FROG自家製N/A、カスタマイズ
XFROG自家製N/A、カスタマイズ<
strong>名前会社カタログ番号コメント
その他
冷却チラーH.I.B Systemtechnik GmbH6HE-000800-W-W-R23-2-DI
冷却チラーTermotek GmbHP201
冷却チラーTermotek GmbHP208
レーザー安全ゴーグル保護 - LaserschutzGmbH BGU 10-0165-G-20
赤外線ビューアFJW Optical Systems84499A
レーザー表示カードThorlabs GmbHVRC4
レーザー表示カードThorlabs GmbHVRC5
レーザー表示カードLaser Components GmbHLDT-1064 BG
流量計KOBOLD Messring GmbHDTK-1250G2C34P
圧力計KOBOLD Messring GmbHEN837-1
温度センサKOBOLD Messring GmbHTDA-15H* ***P3M
WinLase ソフトウェアDr. C. Horvath & Dr. F. LoeselWinLase Version 2.1 pro.レーザーキャビティソフトウェア
用電源 BME_SG08pBME_P03ファプリプリ波長型 薄膜

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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