20mJ、1ps Yb：YAGシンディスク再生アンプ

このプロトコルの全体的な目標は、ヒューズサイクル光パラメトリックチャープパルスアンプのフロントエンドとして、高エネルギー、高出力のYb:Yag薄型ディスク再生アンプの設計と動作を実証することです。イッテルビウムYAG薄板レーザーと光パラメトリックチャープパルス増幅器、またはいわゆる第3世代フェムト秒技術を組み合わせることで、高エネルギーと平均出力でサブサイクルから数サイクルのパルスを同時に生成する機会が得られます。この映画で取り上げられているレーザーシステムの主な利点は、ピコ秒という短いレーザーパルスに対して、平均出力と大出力を同時に

このレーザーは、数サイクルのレーザーのポンプとして機能しますが、紫外線から中赤外までの広範囲に調整可能なレーザーなどの他のシステムのフロントエンドとしても使用できます。これらのベンチは、実験セットアップのさまざまな段階を保持します。ステージは、回路図を使用して最もよく理解できます。

オシレーター、ストレッチャー、再生増幅器、コンプレッサーステージのラベルに注意してください。まず、オシレーターステージに注目します。13メートルの線形キャビティには、サファイアカー媒体として銅製の硬開口と、13%のトランスミッション出力カプラーがあります。

ミラーシステムには、3つの高分散ミラーと、負の曲率半径を持つ2つのミラーが含まれます。イッテルビウムをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット薄型ディスクアンプに結合されたファイバー結合ダイオードを介して発振器をポンピングします。出力カプラーの後、酸化ホウ素バリウム結晶がパルスストレッチャーステージのパルスピッカーとして機能します。

パルスストレッチャーは、シードパルスを時間的に約2ナノ秒に引き伸ばします。次に、パルスは再生増幅器段に入ります。そこで、シードパルスは増幅器キャビティに保持されます。

キャビティには、バリウム酸化ホウ素結晶を備えた高電圧ポッケルスセルがあります。再生増幅器は、ファイバー結合ダイオードによって励起される別のイッテルビウムドープイットリウムアルミニウムガーネット薄ディスクを使用します。最終段はパルスコンプレッサー段で、増幅されたパルスが1ピコ秒に圧縮されます。

システム全体で、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には、冷却を維持するためのチラーが必要であることに注意してください。まず、システムの水冷を開始します。発振器コンポーネントの水流と冷却チラーをオンにします。

チラー制御からポンプダイオード電源に移動し、電源を入れます。次に、ポンプダイオードの出力をオンにします。連続波モードで薄いディスクを940ナノメートルでポンピングするように電流を調整します。

この時点で、パルスピッカーの前に出力スペクトルを観察するように手配します。ファイバーを分光器に接続し、ビームパスに配置します。スペクトルの中心は1030ナノメートルです。

スペクトルを観察した後、同じ場所でファイバーをパワーメーターと交換します。連続波モードの出力電力を観察します。次に、パルスモードの動作とモードロックに移ります。

トランスレーションステージにあるオシレーターミラーで作業します。ステージを後ろから機械的に押してミラーを乱します。もう一度、パルスモードが開始された後、パルスピッカーの前に出力スペクトルを観察します。

スペクトルの中心は1030ナノメートルで、帯域幅は約4ナノメートルです。次に、もう一度出力電力を観察します。次に、オシロスコープで出力パルス地形を観察する準備をします。

高速フォトダイオードを適切な減衰でオシロスコープに接続します。前回と同様に、パルスピッカーの前で測定を行います。フォトダイオードをビームパスに配置します。

オシロスコープで、トリガーレベルノブを調整して、繰り返し波形を安定させ、出力パルス列を観察できるようにします。この観測値からのピーク間振幅を使用して、パルス間の安定性を求めます。この後、ビームパスのフォトダイオードをビームプロファイラーに置き換えます。

ビームプロファイラソフトウェアを使用して、ビームプロファイルを表示し、ビームポインティング安定性測定を実行します。パルスピッカーの操作に進むには、最初にソフトウェアを構成します。そこから、電子機器に移ります。

パルスピッカークリスタルへの高電圧をオンにして、繰り返し率を生成します。パルスピッカーの後、薄膜偏光子を使用してパルスを選択します。これらの種子パルスは、グレーティングストレッチャーを通過し、再生増幅を受けます。

冷却システムを起動して、回生アンプを準備します。冷却水をオンにし、レーザーヘッドとポッケルスセルのチラーをセットします。ポッケルス セル コンピューターで、ポッケルス セル ソフトウェアを起動します。

ポッケルス セル ドライバーの電源に移動し、電源を入れます。次に、ポンプダイオードユニットの電源をオンにし、ダイオードの出力を開始します。電源からの電流を調整して、シードパルスを増幅します。

次に、コンプレッサーステージの前の位置を選択して、出力を観察します。スペクトラムアナライザーとファイバーを使用して、回生増幅器のスペクトラムを観察します。完了したら、パワーメーターから出力電力を読み取ります。

コンプレッサーステージの前のこの時点での電力の読み取り値に注意してください。スペクトラムアナライザを、オシロスコープに接続された高速フォトダイオードと交換します。オシロスコープの画面でパルス列を観察し、パルス間の安定性を判断します。

高速フォトダイオードをビームプロファイラに置き換えた後、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測定します。増幅後、出力パルスをコンプレッサーステージに送ります。ここでは、電動回転マウントを備えた半波長プレートでこれを行います。

マウントのコントロールを調整して、数ワットのレーザー出力を通過させます。次に、ビームスタビライザーを所定の位置に置き、位置合わせします。スタビライザーをオンにした状態で、そのソフトウェアを使用してレーザービームをロックし、ビームドリフトを回避します。

次に、半波長プレートに戻り、フルアンプ出力を許可します。パルスはコンプレッサーステージに移動し、コンプレッサーステージで1ピコ秒に圧縮されます。最終的な光学素子をこの回路図に示します。

コンプレッサーステージの後、パラメトリックチャープパルス増幅用のビームを準備します。ベンチでは、望遠鏡を使用して柱状にし、ビームサイズを調整します。ビームプロファイラーからビームにフィードバックします。

基本ビームを非線形結晶に誘導して、2番目の高調波を生成します。45 度に高調波セパレーターを設置して、2 番目の高調波ビームを基本ビームから分離します。ビーム プロファイラーを使用して、2 次高調波ビームのガウス ビーム プロファイルと、未変換の基本ビームのプロファイルを観察します。

再生増幅器の出力ビームプロファイルです。シードパルスは、280ワットの連続波でポンピングされながら、125ワットに増幅されます。回生増幅器の電力出力を時間の関数としてプロットすると、45%の光学効率で動作しながらのシステムの安定性が示されています。ここでは、増幅器のスペクトルは緑色でプロットされ、プロットの上部に沿って水平軸で表されています。

半値で全幅1ピコ秒に圧縮した後に取得された時間強度は、下の横軸を使用して青色でプロットされています。これらの 2 つの曲線は、厚さ 1.5 mm の酸化ホウ素バリウム結晶における第 2 高調波発生効率と入力ポンプのピーク強度に対する実験の結果を示しています。黒い曲線は、0.5ミリジュールのアンプ出力用です。

緑の曲線は、20ミリジュールのアンプ出力用です。A、B、Cとラベル付けされたポイントは、異なるピーク強度で異なる第2高調波発生効率を示しています。以下は、ラベル付けされた各値について取得されたスペクトル強度プロットです。

Aは赤、Bはオレンジ、Cは青でプロットされます。このレーザーは、広帯域の光パラメトリック増幅器または高調波発生システムと組み合わせると、より高いエネルギーと平均出力でアト秒パルスまたはフェムト秒パルスを生成することができます。これらのパラメータは、研究者が例えば、光駆動の電子機器を高速な時間スケールで探求するための新しい時代を切り開きます。

このビデオを見た後、高出力、高エネルギーのイッテルビウム:YAG薄型ディスクレーザーがどのように設計および操作されているかをよく理解できるはずです。高エネルギー、高出力のレーザーでの作業は、非常に危険で粉塵に弱い場合があることを忘れないでください。したがって、このレーザーを操作するときは、安全ゴーグルやクリーンルームコートなどの予防措置を常に使用する必要があります。