20 mJ, 1 ps Yb:YAG Wzmacniacz regeneracyjny cienkodyskowy

Podsumowanie

Protokół działania wysokoenergetycznego, optycznego parametrycznego wzmacniacza impulsów ćwierkających o dużej mocy, opartego na wzmacniaczu regeneracyjnym cienkodyskowym Yb:YAG jest tutaj przedstawiony.

Streszczenie

To jest raport na temat wzmacniacza regeneracyjnego cienkodyskowego 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb:YAG. Domowy oscylator Yb:YAG z cienkim dyskiem i soczewką Kerra z blokadą trybu o wydajności "pod klucz" i energii impulsu na poziomie mikrodżuli jest używany do zasiewania regeneracyjnego wzmacniacza impulsów ćwierkania. Wzmacniacz umieszczony jest w szczelnej obudowie. Działa w temperaturze pokojowej i wykazuje stabilną pracę z częstotliwością powtarzania 5 kHz, ze stabilnością impuls-impuls poniżej 1%. Dzięki zastosowaniu kryształu boranu beta baru o grubości 1,5 mm, częstotliwość wyjściowa lasera jest podwojona do 515 nm, przy średniej mocy 70 W, co odpowiada sprawności optyczno-optycznej wynoszącej 70%. Ta doskonała wydajność sprawia, że system jest atrakcyjnym źródłem pomp dla optycznych parametrycznych wzmacniaczy impulsów ćwierkających w zakresie widma bliskiej podczerwieni i średniej podczerwieni. Łącząc wydajność "pod klucz" i doskonałą stabilność wzmacniacza regeneracyjnego, system ułatwia generowanie szerokopasmowego, stabilnego ziarna. Zapewnienie zasiewu i pompy optycznego parametrycznego wzmocnienia impulsów ćwierkania (OPCPA) z jednego źródła laserowego eliminuje potrzebę aktywnej synchronizacji czasowej między tymi impulsami. W niniejszej pracy przedstawiono szczegółowy przewodnik dotyczący konfiguracji i obsługi cienkodyskowego wzmacniacza regeneracyjnego Yb:YAG, opartego na wzmocnieniu impulsów ćwierkających (CPA), jako źródła pompy dla optycznego parametrycznego wzmacniacza impulsów ćwierkania.

Wprowadzenie

Generowanie wysokoenergetycznych, kilkucyklowych impulsów laserowych z dużą częstotliwością powtarzania jest bardzo interesujące dla dziedzin stosowanych, takich jak nauka attosekundowa^1,2,3^,4 i fizyka wysokiego pola^5,6, które mogą bezpośrednio skorzystać z dostępności takich źródeł. OPCPA stanowi najbardziej obiecującą drogę do osiągnięcia wysokich energii impulsów i dużych pasm wzmocnienia, które jednocześnie obsługują impulsy kilkucyklowe¹. Do tej pory OPCPA pozwala na ultraszerokopasmowe wzmocnienie, które generuje impulsy o kilku cyklach^7,8,9,10. Jednak zmodyfikowana implementacja schematu OPCPA, która wykorzystuje krótkie impulsy pompy w skali pikosekundowej, daje nadzieję na skalowalność tego podejścia dla jeszcze wyższych energii impulsów i średnich mocy w reżimie kilku cykli^1,11,12. Ze względu na dużą intensywność pompowania w OPCPA pompowanym krótkoimpulsowo, wysokie wzmocnienie jednoprzebiegowe pozwala na użycie bardzo cienkich kryształów do obsługi dużych szerokości pasma wzmocnienia. Chociaż pompowana krótkoimpulsowo OPCPA ma wiele zalet, realizacja tego podejścia zależy od dostępności laserów, które są specjalnie dostosowane do tego celu. Takie lasery pompujące są wymagane do dostarczania wysokoenergetycznych impulsów pikosekundowych o ograniczonej jakości wiązki bliskiej dyfrakcji przy częstotliwościach powtarzania w zakresie od kHz do MHz^13,14,15.

Wprowadzenie laserów domieszkowanych iterbem o różnych geometriach, zdolnych do dostarczania pikosekundowych impulsów laserowych o wysokiej energii i wysokiej średniej mocy, wkrótce zmieni obecny stan pola1^{,13,14,15,16,17,18}. Yb:YAG ma dobrą przewodność cieplną i długą żywotność w górnym stanie i może być pompowany przez ekonomiczne lasery diodowe. Jego wydajność w przypadku stosowania w geometrii cienkich dysków jest znakomita dzięki wydajnemu chłodzeniu medium wzmacniającego w celu jednoczesnego skalowania mocy szczytowej i średniej. Co więcej, występowanie samoogniskowania wewnątrz ośrodka wzmacniającego podczas procesu wzmacniania jest tłumione ze względu na smukłość cienkiego dysku w porównaniu z innymi geometriami ośrodka wzmacniającego, co skutkuje doskonałymi profilami czasowymi i przestrzennymi wzmacnianych impulsów. Połączenie tej koncepcji z CPA daje nadzieję na generowanie impulsów pikosekundowych o energii setek milidżuli i setkach watów średniej mocy^19,20.

Celem tej pracy jest zademonstrowanie gotowego do użycia wzmacniacza regeneracyjnego cienkotarczowego Yb:YAG o wyjątkowej codziennej wydajności jako odpowiedniego źródła do pompowania OPCPAs²¹. Aby osiągnąć ten cel, w tym badaniu wykorzystano oscylator cienkodyskowy Yb:YAG ²² z kilkoma mikrodżulami energii impulsu, aby zasiać wzmacniacz w celu zminimalizowania nagromadzonej fazy nieliniowej podczas procesu wzmacniania. Protokół ten zawiera przepis na budowę i obsługę systemu laserowego, który jest opisany w innym miejscu²¹. Przedstawiono szczegółowe informacje na temat implementacji komponentów i oprogramowania sterującego oraz opisano proces dopasowywania systemu.

Protokół

Uwaga: Proszę zapoznać się ze wszystkimi przepisami bezpieczeństwa dotyczącymi laserów przed użyciem tego sprzętu. Unikaj wystawiania oczu lub skóry na bezpośrednie lub rozproszone wiązki laserowe. Podczas całego procesu należy nosić odpowiednie okulary ochronne do lasera.

Rysunek 1: Schematyczny układ wzmacniacza regeneracyjnego cienkotarczowego Yb:YAG. (a) Oscylator Yb:YAG z cienkotarczową soczewką Kerra. 13-metrowa wnęka liniowa oscylatora składa się z 13% łącznika wyjściowego transmisji, trzech zwierciadeł o wysokiej dyspersji z GDD -3,000 fs², 1 mm szafirowego medium Kerra i twardej miedzi. Picker impulsów, zawierający kryształ BBO o grubości 25 mm, służy do zmniejszenia częstotliwości powtarzania do 5 kHz. b) Biegły rewident CPA. Pierwszy blok: napinacz impulsów zawierający dwie antyrównoległe złote siatki (1 740 linii/mm), w których impulsy nasion są czasowo rozciągane do około 2 ns. Drugi blok: wzmacniacz regeneracyjny, w którym impuls zalążkowy jest zatrzymywany we wnęce wzmacniacza w celu wzmocnienia, gdy przyłożone jest wysokie napięcie ogniwa Pockels, które zawiera kryształ BBO o grubości 20 mm. Trzeci blok: kompresor impulsów zawierający dwie równoległe siatki dielektryczne (1 740 linii/mm), w których wzmocnione impulsy są czasowo ściskane do 1 ps. Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Fattahi et al., za zgodą reference²¹. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

szt. szt. do zmian szt. szt. do zmian szt. szt.

Komponent	Roc	odległość
	(mm)	(mm)
Oc	∞	0
Td	-17000	600
M1	-1000	5000
Bp	∞	510
M2	-1000	510
Em	∞	800

Tabela 1: Konstrukcja wnęki oscylatora. ROC: promień krzywizny, OC: łącznik wyjściowy, TD: cienki dysk, M: lustro, BP: płyta Brewstera, EM: lustro końcowe.

Rysunek 2: Projekt wnęki oscylatora. Obliczany promień drgań własnych na komponentach gniazda. OC: sprzęgacz wyjściowy, TD: cienki dysk, M: lustro, BP: płyta Brewstera, EM: lustro końcowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

szt. szt. szt. szt. szt. jezdny szt. jezdny szt.

Komponent	Roc	odległość
	(mm)	(mm)
EM1	∞	0
komputer osobisty	∞	200
M1	-5000	525
M2	1500	1500
Td	-2000	1050
EM2	-2000	2350

Tabela 2: Konstrukcja wnęki wzmacniacza regeneracyjnego. ROC: promień krzywizny, EM: zwierciadło końcowe, PC: komórka Pockelsa, M: lustro, TD: cienki dysk.

Rysunek 3: Projekt wnęki wzmacniacza regeneracyjnego. Obliczany promień drgań własnych na komponentach gniazda. EM: lustro końcowe, PC: komórka Pockelsa, M: lustro, TD: cienki dysk. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. Oscylator

1. Włącz wodę chłodzącą dla oscylatora (Rysunek 1a).
2. Włącz agregaty chłodnicze, aby schłodzić diody pompy, głowicę cienkiego dysku i płytkę stykową. Ustaw temperaturę w obu agregatach chłodniczych na 20 °C.
3. Włączyć zasilanie zespołu diodowego pompy (patrz tabela materiałów, nr 1) i kliknąć przycisk "OUTPUT ON/OFF".
   UWAGA: Do symulacji i zaprojektowania wnęki oscylatora i wzmacniacza regeneracyjnego użyto oprogramowania do symulacji wnęki wnęki wnęki oscylatora i wzmacniacza regeneracyjnego (patrz Tabela 1 i Tabela 2; Rysunek 2 i Rysunek 3)²³.
4. Przepompuj cienki dysk (patrz Tabela materiałów, nr 14) przez sprzężone włókno o długości fali 940 nm, ustawiając pokrętło "prąd" na zasilaczu na 26,2 A, co odpowiada mocy wyjściowej 210 W, aby rozpocząć laserowanie w oscylatorze w trybie fali ciągłej (CW).
5. Aby zaobserwować widmo wyjściowe trybu CW należy podłączyć światłowód do spektrometru i umieścić go przed pickerem impulsów po zastosowaniu odpowiedniego tłumienia.
   1. W oprogramowaniu spektrometru wybierz zakładkę "Spektrometr", a następnie kliknij "Skanuj ponownie urządzenia".
   2. Kliknij prawym przyciskiem myszy nazwę spektrometru i wybierz "Wykres widma".
   3. Kliknij przycisk "Akceptuj" w oknie "Wybierz cel".
   4. Po zablokowaniu wiązki laserowej kliknij przycisk "Zapisz ciemne spektrum" na pasku narzędzi i kliknij przycisk "Zakres minus ciemny", aby odjąć widmo tła.
   5. Odblokuj wiązkę laserową, aby obserwować widmo.
6. Obserwuj moc wyjściową trybu CW na mierniku mocy przed pickerem impulsów.
7. Aby uruchomić oscylator w trybie impulsowym i zainicjować blokowanie trybu, zaburz lustro o wysokim współczynniku odbicia wewnątrz wnęki lasera (na stoliku translacyjnym), mechanicznie popychając stopień od tyłu Rysunek 1a).
   UWAGA: We wnęce oscylatora i wzmacniacza regeneracyjnego zastosowano lustra o wysokim współczynniku odbicia i wysokim progu uszkodzenia (patrz Tabela Materiałów, nr 24 i 28).
8. Obserwuj widmo i moc wyjściową trybu impulsowego przed pickerem impulsów za pomocą odpowiednio spektrometru i miernika mocy.
   UWAGA: Wyjście oscylatora ma średnią moc 25 W przy długości fali 1,030 nm, częstotliwości powtarzania 11 MHz i szerokości pasma spektralnego 4 nm (FWHM). Jeśli optymalizacja oscylatora nie jest wymagana, pomiń kroki 1.9-1.14.
9. Nieznacznie zwiększaj prąd na zasilaczu, aż pojawi się skok CW w widmie mierzonym przez spektrometr.
10. Wyrównaj twardy otwór w oscylatorze (patrz Rysunek 1a), dostrajając mikrometru w pionie i poziomie, aby zmaksymalizować skok CW.
11. Obserwuj zubożenie profilu belki pompy na cienkiej tarczy.
    1. Uruchom program kamery dyskowej i wybierz "Monochromatyczny" z okna "wybierz tryb".
    2. Kliknij przycisk "Otwórz kamerę" na pasku narzędzi, aby obserwować plamkę wiązki na cienkim dysku.
12. Dostrój piezoelektryczne siłowniki liniowe lusterka końcowego (pokrętła z napędem), naciskając przycisk "+" lub "-" na silniku pionowym lub poziomym z panelu sterowania ręcznego, aby wyrównać to wyczerpanie do środka profilu belki pompy.
13. Nieznacznie zmniejsz prąd na zasilaczu, aż skok CW zniknie w widmie.
14. Powtarzaj kroki w 1.9-1.13, aż do osiągnięcia widma i mocy wyjściowej zbliżonych do uzyskanych poziomów odniesienia (patrz zmierzone widmo w Rysunek 4a (czerwona krzywa) przy 25 W średniej mocy).
15. Aby zaobserwować wyjściowy ciąg impulsów i określić stabilność impuls-impuls, należy podłączyć szybką fotodiodę do oscyloskopu i umieścić ją przed pickerem impulsów (po zastosowaniu odpowiedniego tłumienia).
    1. Wybierz odpowiedni poziom wyzwalania, dostrajając pokrętło "poziom spustu" na oscyloskopie, aby ustabilizować powtarzające się przebiegi i obserwować ciąg impulsów wyjściowych na ekranie oscyloskopu.
    2. Z menu "Pomiar" wybierz "Amplituda między szczytami", aby określić stabilność między impulsami.
16. Obserwuj profil wiązki wyjściowej przed pickerem impulsów i określ fluktuacje kierunku wiązki.
    1. Uruchom oprogramowanie do profilowania belki i kliknij przycisk "Idź, rozpocznij przechwytywanie" na pasku narzędzi, aby obserwować profil belki.
    2. Na pasku narzędzi otwórz okno dialogowe "wędrówka belki", a następnie kliknij przycisk "wyczyść", aby rozpocząć nowy pomiar stateczności skierowania belki.
       UWAGA: Wahania wiązki lub zniekształcony profil wiązki (spowodowany uszkodzeniem optycznym, przecięciem wiązki itp.) mogą pogorszyć stabilność systemu.
17. Zmierz czas trwania impulsu za pomocą bramkowania optycznego z rozdzielczością częstotliwościową w oparciu o generację drugiej harmonicznej (SHG-FROG)^21,24.

2. Zbieracz impulsów i noszy impulsów

UWAGA: Uwaga, pamiętaj o wszystkich istotnych przepisach bezpieczeństwa elektrycznego przed zastosowaniem wysokiego napięcia na selektorze impulsów. Stosować odpowiednią izolację wysokiego napięcia. Przed kontynuowaniem pracy w tym rozdziale należy usunąć diagnostykę ze ścieżki wiązki. Jeśli wyrównanie pickera impulsów i jego ustawienie nie jest wymagane, pomiń kroki 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 i 2.11.

1. Użyj dwóch luster przed ustawieniem pickera impulsów, aby wyrównać wiązkę wyjściową z oscylatora przez jednostkę selektora impulsów (patrz Tabela materiałów, nr 5 i 7) i jej kryształ boranu beta baru (BBO) o grubości 25 mm (patrz Tabela materiałów, nr 12) za pomocą przeglądarki podczerwieni i karty podglądu laserowego ( Rysunek 1a).
2. Uruchom program selektora impulsów na komputerze oscylatora.
3. Obserwuj sygnał przełączający selektora impulsów i ciąg impulsów oscylatora na oscyloskopie (patrz krok 1.15) za pomocą szybkiej fotodiody.
4. W programie picker impulsów ustaw czas opóźnienia (opóźnienie A) w oknie dialogowym "zdefiniuj parametry opóźnienia", aby zsynchronizować sygnał przełączający i ciąg impulsów na kwarcu pickera impulsów.
5. Ustaw okno czasu przełączania (opóźnienie B) w oknie dialogowym "zdefiniuj parametry opóźnienia", aby wybrać jeden impuls z ciągu impulsów.
6. Ustaw wewnętrzny czas wyzwalania (blokady) w oknie dialogowym "definiuj parametry opóźnienia" na 200 μs, aby wybrać jeden impuls co 5 kHz.
7. Zmniejsz częstotliwość powtarzania oscylatora z 11 MHz do 5 kHz, przełączając zasilanie sterownika selektora impulsów na "włączony", aby przyłożyć wysokie napięcie do kryształu.
8. Wybierz wybrane impulsy z ciągu impulsów za pomocą polaryzatora cienkowarstwowego (TFP) (patrz Tabela materiałów, nr 31) za próbnikiem impulsów i zrzuć pozostałe impulsy do zrzutu wiązki.
9. Popraw kontrast wybranych impulsów, regulując płytkę półfalową (patrz Tabela materiałów, nr 32) przed selektorem impulsów.
10. Zmniejsz szczytową moc impulsu laserowego, przepuszczając wybrane impulsy przez konfigurację noszy, aby rozciągnąć impulsy do czasu trwania 2 ns (patrz Rysunek 1a-b).
11. W razie potrzeby użyj dwóch luster po ustawieniu pickera impulsów, aby wyrównać wybrane impulsy przez konfigurację noszy.
    UWAGA: Nosze zawierają dwie antyrównoległe złote siatki (patrz Tabela materiałów, nr 20 i 21) o gęstości linii 1,740 linii/mm, aby rozciągnąć impulsy do czasu trwania 2 ns, aby uniknąć uszkodzenia optyki podczas procesu amplifikacji we wzmacniaczu regeneracyjnym z powodu wysokiej intensywności szczytowej. Impulsy te są używane do inicjowania wzmacniacza regeneracyjnego, jak opisano w następnej sekcji (Rysunek 1b, góra).

3. Wzmacniacz regeneracyjny

Uwaga; Należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi przepisami bezpieczeństwa elektrycznego przed zastosowaniem wysokiego napięcia do ogniwa Pockels. Stosować odpowiednią izolację wysokiego napięcia. Przed kontynuowaniem pracy w tym rozdziale należy usunąć diagnostykę ze ścieżki wiązki. Impulsy zalążkowe są dostarczane z cienkotarczowego oscylatora Yb:YAG z soczewką Kerra z blokadą trybu. Do zasiewania wzmacniacza można użyć innych strategii inicjowania, takich jak wzmacniacze światłowodowe.

1. Włącz wodę chłodzącą dla wzmacniacza regeneracyjnego ( Rysunek 1b, środek).
2. Włącz agregaty chłodnicze, aby schłodzić diody pompy, cienki dysk, głowicę laserową i ogniwo Pockels. Ustaw temperaturę agregatów chłodniczych na 28 °C, 17 °C i 18 °C, a następnie aktywuj system blokad.
   UWAGA: Nieprawidłowo ustawiona belka wysiewająca może pogorszyć amplifier stabilność. Jeśli wyrównanie wzmacniacza regeneracyjnego nie jest wymagane, pomiń kroki 3.3-3.13 i 3.25.
3. Włączyć zasilanie zespołu diodowego pompy (patrz tabela materiałów, nr 2), a następnie kliknąć przycisk "OUTPUT ON/OFF".
4. Przepompuj cienki dysk przez sprzężone światłowód o długości fali 940 nm, ustawiając pokrętło "prąd" na zasilaczu na próg.
5. Obserwuj profil belki pompy na dysku za pomocą kamery dyskowej (patrz krok 1.11) i wybierz "Geometria okręgu" w menu "Rysuj" w programie kamery dyskowej, aby zaznaczyć położenie wiązki w programie kamery.
6. Zmniejsz prąd zasilacza do zera, a następnie kliknij przycisk "OUTPUT ON/OFF". Wyłączyć zasilanie zespołu diodowego pompy.
7. Użyj dwóch luster przed wzmacniaczem regeneracyjnym, aby wyrównać wiązkę wyjściową z napinacza (impulsy zapoczątkowujące) przez optykę sprzęgającą we wzmacniaczu regeneracyjnym, aby dotrzeć do zwierciadła pierwszego końca (za ogniwem Pockelsa). Aby w tym pomóc, użyj profilera wiązki, przeglądarki podczerwieni i karty podglądu laserowego.
8. Zamknij wnękę wzmacniacza, obracając płytkę ćwierćfalową (patrz Tabela materiałów, nr 33), za ogniwem Pockelsa, eliminując wiązkę laserową wewnątrz wnęki.
9. Dostrój zmotoryzowane pokrętła lusterka pierwszego końca, naciskając przycisk "+" lub "-" na silniku pionowym lub poziomym (sterownik 1) z panelu sterowania ręcznego, aby wyrównać belkę sprzęgającą.
10. Otwórz wnękę wzmacniacza, obracając płytkę ćwierćfalową (za ogniwem Pockelsa), aż do osiągnięcia maksymalnej intensywności wiązki laserowej wewnątrz wnęki. Zablokuj wiązkę odbitą od tyłu od drugiego lustra końcowego.
11. Obserwuj profil wiązki impulsów wysiewu w programie kamery tarczowej i nałóż wiązkę na zaznaczoną pozycję, dostrajając pokrętła jednego z luster wnękowych przed cienkim dyskiem.
12. Odblokuj wiązkę odbitą od tyłu i obserwuj jej miejsce w programie kamery dyskowej.
13. Dostrój zmotoryzowane pokrętła drugiego lusterka końcowego, naciskając przycisk "+" lub "-" silnika pionowego lub poziomego (sterownik 2) na panelu sterowania ręcznego, aby nałożyć odbicie wsteczne na zaznaczoną pozycję.
14. Z komputera komórkowego Pockels uruchom program komórkowy Pockels.
    UWAGA: Jeśli ustawienie komórki Pockelsa nie jest wymagane, pomiń kroki 3.15-3.18.
15. Obserwuj sygnał przełączający ogniwa Pockelsa (patrz Tabela materiałów, nr 6 i 8) oraz impulsy zarodkowe na oscyloskopie (patrz krok 1.15) za pomocą szybkiej fotodiody ( Rysunek 1b, środek).
16. W programie Pockels cell ustaw czas opóźnienia (opóźnienie A) w oknie dialogowym "zdefiniuj parametry opóźnienia", aby zsynchronizować przełączanie komórki Pockelsa i impulsów zapoczątkowujących na krysztale komórki Pockels.
17. Ustaw okno czasu przełączania (opóźnienie B) w oknie dialogowym "zdefiniuj parametry opóźnienia", aby ograniczyć jeden impuls wewnątrz wnęki wzmacniacza regeneracyjnego do 4 μs, co odpowiada 87 cyklom powrotu impulsu.
18. Ustaw wewnętrzny czas wyzwalania (blokady) w oknie dialogowym "zdefiniuj parametry opóźnienia" na "200 μs", aby ograniczyć szybkość do jednego impulsu co 5 kHz.
19. Włącz zasilanie sterownika ogniwa Pockels, aby przyłożyć wysokie napięcie do kryształu.
20. Włączyć zasilanie zespołu diodowego pompy i kliknąć przycisk "OUTPUT ON/OFF".
21. Aby wzmocnić impulsy ziarna we wzmacniaczu regeneracyjnym, pompuj cienki dysk, ustawiając pokrętło "prąd" na zasilaczu na 57,7 A, co odpowiada 280 W.
    UWAGA: Wzmocniona wiązka jest oddzielona od belki wysiewającej za pomocą kombinacji rotatora Faradaya (patrz Tabela materiałów, nr 19) i TFP. Oscylator Yb:YAG jest chroniony przed odbiciem wstecznym wzmocnionej wiązki za pomocą izolatora (patrz Tabela Materiałów, nr 18).
    UWAGA: Utrzymuj działanie ogniwa Pockelsa i zespołu diod pompy w kolejności podanej powyżej, aby uniknąć uszkodzenia optyki przez przełączanie Q.
22. Obserwuj widmo i moc wyjściową (patrz kroki 1.5 i 1.6) przed sprężarką.
    UWAGA: Wyjście wzmacniacza ma średnią moc 125 W przy długości fali 1,030 nm, częstotliwości powtarzania 5 kHz i szerokości pasma spektralnego 1 nm (FWHM).
23. Obserwuj ciąg impulsów wyjściowych przed sprężarką na ekranie oscyloskopu i określ stabilność impulsu do impulsu za pomocą szybkiej fotodiody (patrz krok 1.15).
24. Obserwuj profil wiązki wyjściowej przed sprężarką i określ fluktuacje skierowane wiązką (patrz krok 1.16).
25. Precyzyjnie dostrój zmotoryzowane pokrętła drugiego lusterka końcowego, naciskając przycisk "+" lub "-" na silniku pionowym lub poziomym (sterownik 2) z panelu sterowania, aby poprawić działanie wzmacniacza regeneracyjnego, jeśli jest to wymagane.
26. Scharakteryzuj efekt zawężenia wzmocnienia.
    1. Rozważ wzmocnienie dla różnych poziomów energii nasion, dostosowując energię zasiewu za pomocą filtrów o neutralnej gęstości.
    2. Zmień liczbę przejazdów w obie strony, aby uzyskać najwyższą moc wyjściową dla stałej mocy pompy 300 W.
    3. Obserwuj widmo wyjściowe dla każdego przypadku.

4. Kompresor impulsów, wyrównanie wiązki i system stabilizacji

UWAGA: Usuń diagnostykę ze ścieżki wiązki przed kontynuowaniem tej sekcji. Jeśli wyrównanie sprężarki i stabilizatora wiązki nie jest wymagane, pomiń kroki 4.3 i 4.6.

1. Obróć zmotoryzowany uchwyt obrotowy płyty półfalowej (w ścieżce wyjściowej), naciskając przycisk "+" lub "-" na silniku A (sterownik 5) z panelu sterowania, aby wysłać kilka watów amplifier moc wyjściowa do sprężarki (Rysunek 1b, na dole).
2. Skompresuj impuls laserowy do 1 ps, przepuszczając wzmocnioną wiązkę przez konfigurację kompresora.
3. Użyj dwóch luster po konfiguracji wzmacniacza regeneracyjnego, aby w razie potrzeby wyrównać wzmocnione impulsy przez konfigurację kompresora.
   UWAGA: Sprężarka zawiera dwie równoległe siatki dielektryczne (patrz Tabela materiałów, nr 22 i 23), o gęstości linii 1,740 linii/mm.
4. Włączyć zasilanie stabilizatora wiązki (patrz tabela materiałów, nr 98). Uruchom program stabilizatora wiązki na komputerze stabilizatora wiązki.
5. Użyj dwóch luster przed ustawieniem detektora stabilizatora wiązki, aby wyrównać dyfrakcję zerowego rzędu od pierwszej siatki w sprężarce do detektorów stabilizatora wiązki.
6. Naciśnij przycisk "regulacja" w programie stabilizatora wiązki, aby zablokować wiązkę laserową, aby uniknąć dryfu wiązki za sprężarką. Ponownie obróć zmotoryzowaną płytkę półfalową, aby przepuścić pełną moc wyjściową amplifier przez sprężarkę. Dostosuj wzmocnienie detektorów stabilizatora wiązki za pomocą filtra o neutralnej gęstości.
7. Scharakteryzuj czas trwania skompresowanych impulsów za pomocą SHG-FROG^21,24.

5. Źródło pompy systemu OPCPA

UWAGA: Usuń diagnostykę ze ścieżki wiązki przed kontynuowaniem tej sekcji.

1. Na komputerze OPCPA uruchom program profilarki belek.
2. Kolimuj i dostosuj wielkość wiązki laserowej za kompresorem, używając odpowiedniego teleskopu, aby osiągnąć szczytową intensywność 80 GW/^cm2. Użyj profilometru wiązki, przeglądarki podczerwieni i karty podglądu laserowego.
   UWAGA: Kryształ BBO o grubości 1,5 mm został wybrany do SHG na podstawie wyników symulacji przeprowadzonej na Simulation System for Optical Science (SISYFOS) code²⁵.
3. Przeprowadź wiązkę podstawową (1030 nm) przez nieliniowy kryształ (BBO o grubości 1,5 mm; patrz Tabela Materiałów, nr 54), aby wytworzyć drugą harmoniczną (SH) przy 515 nm.
4. Oddzielić wiązkę SH od nieprzekształconej wiązki podstawowej, umieszczając separator harmonicznych pod kątem 45^o (patrz Tabela Materiałów, nr 56) za kryształem.
   UWAGA: Wiązka SH jest odbijana od separatora harmonicznych, podczas gdy nieprzekształcona wiązka podstawowa jest przenoszona przez.
5. Precyzyjnie zoptymalizuj kąt dopasowania fazowego SH, dostrajając pokrętło mocowania kryształkowego, aby osiągnąć najwyższą wydajność konwersji SH (70%, co odpowiada 70 W).
6. Obserwuj moc SH i nieprzekształconych wiązek podstawowych na miernikach mocy (patrz krok 1.6).
7. Obserwuj profil belki gaussowskiej SH i nieprzekształconych belek podstawowych (patrz krok 1.16).
8. Scharakteryzuj kształt czasowy impulsów SH za pomocą bramkowania optycznego z rozdzielczością częstotliwości korelacji krzyżowej (XFROG)^21,24.

Wyniki

Oscylator dostarcza impulsy 350 fs, 2 μJ, 25-W przy częstotliwości powtarzania 11 MHz, ze stabilnością impulsu do impulsu 1% (rms) i fluktuacjami kierowania wiązką mniejszą niż 0,6% w ciągu 1 godziny pomiaru (Rysunek 4).

Rysunek 4: Yb:YAG cienki dysk, oscylator z blokadą trybu soczewki Kerra. (a) Widmo (czerwony), pobrany profil intensywności czasowej (niebieski) i profil przestrzenny (wstawka) impulsów oscylatora. (b) Zmierzony i pobrany spektrograf SHG-FROG oscylatora. Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Fattahi et al., za zgodą reference²¹. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Impulsy zalążkowe są wzmacniane we wzmacniaczu regeneracyjnym do 125 W, podczas gdy są pompowane za pomocą diody sprzężonej ze światłowodem CW o długości fali 940 nm przy 280 W, co odpowiada sprawności optycznej na poziomie 47%. Stabilność impuls-impuls wzmacniacza wynosi mniej niż 1%, a wzmacniacz wykazuje doskonałą stabilność długoterminową po 10 godzinach ciągłej pracy. Wzmocniona wiązka ma doskonały profil przestrzenny, z M² równym 1 (M²_x = 1,08 i M²_y = 1,07) oraz doskonałym profilem czasowym po ściśnięciu do 1 ps (przy FWHM) (Rysunek 5).

Rysunek 5: Charakterystyka mocy wyjściowej wzmacniacza regeneracyjnego i efektu zwężenia wzmocnienia. (a) Stabilność średniej mocy wzmacniacza regeneracyjnego po 10 godzinach ciągłej pracy. Wstawka: (a-1) Moc znormalizowana do wartości średniej w oknie czasowym 0,5 godziny; (A-2) Profil wiązki wyjściowej wzmacniacza regeneracyjnego. b) Widmo wyjściowe wzmacniacza (kolor zielony) i uzyskane natężenie czasowe (kolor niebieski) impulsów laserowych o średniej mocy 100 W za sprężarką kratową. c) Energia początkowa w funkcji szerokości pasma widmowego (FWHM) wyjścia wzmacniacza i wymaganych cykli w obie strony dla tej samej średniej mocy wyjściowej przy mocy pompy 300 W. Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Fattahi et al., za zgodą reference²¹. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

SHG został przeanalizowany przy użyciu kodu SISYFOS²⁵. Pod uwagę wzięto dwa różne kryształy o następujących parametrach: 1) triboran litowy typu I o grubości 6 mm (LBO), o kącie dopasowania fazowego 13,7° i współczynniku nieliniowym 0,819 pm/V, oraz 2) BBO typu I o grubości 3 mm i kącie dopasowania fazowego 23,4° i współczynniku nieliniowym 2 pm/V^26,27. Jako dane wejściowe symulacji uwzględniono impulsy 1-ps, 20 mJ o długości fali 1030 nm i szczytowym natężeniu 100 GW/^cm2. Wyniki symulacji wykazały, że wydajność BBO była lepsza niż LBO dla SHG (Rysunek 6).

Rysunek 6: Generacja drugiej harmonicznej. (a) Symulowana energia SHG dla kryształu LBO o grubości 6 mm i kryształu BBO o grubości 3 mm. (b) Eksperymentalna wydajność SHG w porównaniu ze szczytowym natężeniem pompy wejściowej w krysztale BBO o grubości 1,5 mm przy użyciu 0,5 mJ () i 20 mJ (zielony) wyjścia wzmacniacza. (c) Uzyskana intensywność spektralna oraz (d) opóźnienie grupowe pomiarów XFROG dla różnych sprawności SHG odpowiadających punktom A, B i C w lit. b). Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Fattahi et al., za zgodą reference²¹. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Działanie oscylatora "pod klucz" odbywa się dzięki optymalnemu zarządzaniu ciepłem różnych elementów lasera. Wyjście oscylatora jest powtarzalne codziennie, bez potrzeby dodatkowego wyrównania lub optymalizacji. Ponadto stabilność energii impuls-impuls i stabilność celowania przestrzennego lasera nasiennego spełniają warunki wstępne do osiągnięcia stabilnej pracy wzmacniacza regeneracyjnego.

Inne źródła nasion o niskiej energii, takie jak wzmacniacze światłowodowe, mogą być używane do zasiewania wzmacniacza. W tym badaniu zastosowano cienkotarczowy oscylator KLM 2 μJ Yb:YAG w celu wspomagania wzmocnienia wzmacniacza regeneracyjnego poprzez zmniejszenie wzrostu nagromadzonych faz nieliniowych, ponieważ wymagana liczba przejazdów w obie strony jest zmniejszona dla wyższej wejściowej energii zarodkowej. Dodatkowo wyższa energia ziarna wpływa na proces wzmocnienia i zmniejsza zawężenie wzmocnienia. Zmierzona szerokość pasma spektralnego wzmocnionych impulsów dla różnych energii zalążków przy stałej mocy pompy pokazano na rysunku 5c. Wzmocnione pasmo spektralne zmniejsza się dla niższych energii zalążków z powodu zawężenia wzmocnienia. Przy energii zarodka 10 pJ laser pracuje w okresie podwojenia i nie jest możliwe osiągnięcie stabilnej pracy, nawet poprzez zwiększenie liczby przejazdów w obie strony. Oprócz starannej optymalizacji układów chłodzenia i zasilania diod, pracę wzmacniacza regeneracyjnego przy nasyceniu odgrywa główną rolę w osiąganej stabilności wzmacniacza.

Podstawowa lub druga harmoniczna lasera może być wykorzystana do pompowania systemu OPCPA. W przypadku SHG porównano wydajność kryształu LBO i kryształu BBO, ponieważ oferują one wysoki współczynnik nieliniowy i próg uszkodzenia, pomimo większego przestrzennego odejścia i ograniczonej dostępnej apertury w przypadku BBO. Ponieważ nieliniowy współczynnik BBO jest prawie dwukrotnie większy niż LBO, krótszy kryształ wystarczy, aby osiągnąć granicę nasycenia dla SHG (rysunek 6a). Dlatego BBO jest bardziej odpowiednim wyborem, ponieważ skumulowana faza nieliniowa jest mniejsza²⁸.

Czasy trwania impulsów SH są charakteryzowane eksperymentalnie przy różnych wydajnościach konwersji. Zaobserwowano, że przy wysokich sprawnościach konwersji widmo SHG ulega poszerzeniu i pojawia się faza widmowa wyższego rzędu (ryc. 6). Dlatego wybierany jest przypadek B, ze sprawnością konwersji 70%, w którym SH i nieprzekształcone belki podstawowe zachowują doskonałą jakość.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Electrooptics
Moduł lasera diodowego sprzężonego z włóknem	Dilas Diodenlaser GmbH	M1F8H12-940.5-500C-IS11.34
Moduł lasera diodowego sprzężonego z światłowodami	Laserline GmbH	LDM1000-500
Zasilacz do lasera diodowego	Delta Elektronika B.V.	SM 15-100
Zasilacz do lasera diodowego Delta	Elektronika B.V.	SM 35-45
Sterownik impulsowy	Bergmann Messgerä te Entwicklung KG	Nie dotyczy, dostosowany
sterownik Pockels Cell	Bergmann Messgerä te Entwicklung KG	Nie dotyczy, dostosowany
zasilacz sterownika Pulse Picker	Bergmann Messgerä te Entwicklung KG	PCD8m7
Zasilacz sterownika Pockels Cell	Bergmann Messgerä te Entwicklung KG	PCD8m7
Generator opóźnienia PCI	Bergmann Messgerä te Entwicklung KG
Skrzynka rozdzielająca	Bergmann Messgerä te Entwicklung KG	Nie dotyczy, dostosowany
przedwzmacniacz rezonansowy	Bergmann Messgerä te Entwicklung KG
kryształ Pulse Picker	Castech Inc.	Nie dotyczy, dostosowane	12 * 12 * 20 mm i sup3;
Kryształ Pockels Cell	Castech Inc.	Nie dotyczy, dostosowane	12 * 12 * 20 mm i sup3;
Nazwa	Firma	Numer katalogowy	>Uwagi
Optics
Thin-disc	TRUMPF Scientific Lasers	Nie dotyczy, niestandardowa
głowica cienkotarczowa	TRUMPF Scientific Lasers	Nie dotyczy, dostosowane
produkty	światłowodowe Frank GmbH	NIE DOTYCZY, dostosowane
obiektywy światłowodowe	Edmund Optics GmbH	NIE DOTYCZY, dostosowane
izolatory Faradaya	Electro-Optics Technology, Inc	EOT.189.12231
Faraday Rotator	Electro-Optics Technology, Inc	EOT.189.22040
Krata noszy 1	Horiba Jobin Yvon GmbH	N/A, dostosowane	60 * 40 * 10 mm i sup3;
Krata noszy 2	Horiba Jobin Yvon GmbH	N/A, dostosowane	350 * 190 * 50 mm ³
Krata sprężarki 1	Plymouth Grating Laboratory, Inc.	Nie dotyczy, dostosowane	40 * 40 * 16 mm i sup3;
Krata sprężarki 2	Plymouth Grating Laboratory, Inc.	Nie dotyczy, dostosowane	300 * 100 * 50 mm i sup3;
Lustro HR, 1" (1030nm), płaskie, 0°	Layertec GmbH	108060
HR Lustro, 1" (1030nm), płaskie, 0°	Laseroptik GmbH	B-09965, S-04484
HR Lustro, 1" (1030nm), płaskie, 45&	Layertec GmbH	108063
Lustro HR, 1" (1030nm), płaskie, 45&	Laseroptik GmbH	B-09966, S-04484
Lustro HR, 1" (1030nm), zakrzywione	Layertec GmbH	N/A, niestandardowy	zestaw
Lustro HR, 2" (1030nm), płaskie, 0°	Laseroptik GmbH	B-09965, S-05474
HR Lustro, 2" (1030nm), płaskie, 45&	Laseroptik GmbH	B-09966, S-05474
Polaryzator cienkowarstwowy (1030nm), 2"	Layertec GmbH	103930
Waveplate L/2 (1030nm)	Layertec GmbH	106058	Ø=25mm
Waveplate L/4 (1030nm)	Layertec GmbH	106060	Ø=25mm
Okno AR (1030nm), klin	Laseroptik GmbH	B-00183-01, S-00988	Ø=38mm
Łącznik wyjściowy, 1" (1030nm)	Layertec GmbH	N/A, dostosowane	PR = 88
lustro o wysokiej dyspersji (1030nm)	UltraFast Innovations GmbH	N/A, dostosowane	GDD = -3000 fs²
Soczewka, 1" (1030nm), Plano-Convex	Thorlabs GmbH	N/A, niestandardowy	zestaw
Soczewka, 1" (1030nm), Plano-Concave	Thorlabs GmbH	N/A, niestandardowy	zestaw
Soczewka, 2" (1030nm), Plano-Convex	Thorlabs GmbH	N/A, niestandardowy	zestaw
Soczewka, 2" (1030nm), Plano-Concave	Thorlabs GmbH	N/A, niestandardowy	zestaw
Lustro HR, 1" (515nm), płaskie, 0°	Layertec GmbH	129784
Lustro HR, 1" (515nm), płaskie, 0°	Eksma Optics	042-0515-i0
HR Lustro, 1" (515nm), płaskie, 45&	Layertec GmbH	110924
Lustro HR, 1" (515nm), płaskie, 45&	Eksma Optics	042-0515
Lustro HR, 1" (515nm), zakrzywione	Layertec GmbH	N/A, niestandardowy	zestaw
Lustro HR, 1" (515nm), zakrzywione	Eksma Optics	N/A, niestandardowy	zestaw
Lustro HR, 2" (515nm), płaskie, 0°	Eksma Optics	045-0515-i0
HR Lustro, 2" (515nm), płaskie, 45&	Eksma Optics	045-0515
Polaryzator cienkowarstwowy (515nm), 2"	Layertec GmbH	112544
Waveplate L/2 (515nm)	Layertec GmbH	112546	Ø=25mm
Soczewka, 1" (515nm), Plano-Convex	Thorlabs GmbH	N/A, niestandardowy	zestaw
Soczewka, 1" (515nm), Plano-Concave	Thorlabs GmbH	N/A, zestaw dostosowany
Kerr Medium	Meller Optics, Inc.	Nie dotyczy, dostosowany	szafir, 1mm
BBO Crystal	Castech Inc.	Nie dotyczy, dostosowane	7 * 7 * 1,5 mm i sup3;
Separator harmonicznych, 1", 45°	Eksma Optics	042-5135
Separator harmonicznych, 2", 45°	Eksma Optics	045-5135
Srebrne lustro, 1", płaskie	Thorlabs GmbH	PF10-03-P01
Srebrne lustro, 1", zakrzywione	Eksma Optics	N/A, zestaw niestandardowy
Filtr - Absorpcyjna neutralna gęstość	Thorlabs GmbH	NE##A	zestaw
Filtr - Odblaskowa neutralna gęstość	Thorlabs GmbH	ND##A	zestaw
Filtr - Okrągły bezstopniowy	filtr Thorlabs GmbH	NDC-50C-4M
- Filtr Edgepass (Longpass)	Thorlabs GmbH	FEL####set
Filtr - Filtr Edgepass (krótkoprzepustowy)	Thorlabs GmbH	FES####set
Wedge	Thorlabs GmbH	N/A, niestandardowy	zestaw
Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
>Optomechanika i Motion
Mirror Mount 1" (mały)	S. Maier GmbH	S1M4-##-1"
Uchwyt lustrzany 1" (duży)	S. Maier GmbH	S3-##
Uchwyt lustrzany 1"	TRUMPF Scientific Lasers	1" regulowany
Uchwyt lustrzany 2"	S. Maier GmbH	S4-##
Uchwyt lustrzany 2"	TRUMPF Scientific Lasers	2" regulowany
Mocowanie obrotowe 1"	S. Maier GmbH	D25
Uchwyt obrotowy 1"	Thorlabs GmbH	RSP1/M
Uchwyt obrotowy 2"	Thorlabs GmbH	RSP2/M
Stopień precyzyjnego obrotu Newport	Corporation	M-UTR120
Czteroosiowy uchwyt kraty dyfrakcyjnej	Newport Corporation	DGM-1
Stolik translacyjny	OptoSigma Corporation	TADC-651SR25-M6
Stopień ogniwa Pockels	Newport Corporation	9082-M
Uchwyt ogniwa Pockels	Domowa	nie dotyczy, dostosowany
sterownik / sterownik silnika pikomotorowego	Newport Corporation	8742-12-KIT
Pikomotoryczne piezoelektryczne siłowniki liniowe	Newport Corporation	8301NF
Uchwyt obrotowy pikomotoru	Newport Corporation	8401-M
Podkładka sterowania ręcznego	Newport Corporation	8758
< strong>Nazwa	Firma	>Numer katalogowy	Komentarze
Light Analysis
Beam Profiling Camera	Ophir Optronics Solutions Ltd	SP620
Beam Profiling Camera	DataRay Inc.	WCD-UCD23
Fotodiody (solw)	Thorlabs GmbH	DET10A/M
Fotodiody (szybkie)	Alphalas GmbH	UPD-200-SP
Thin-disk Camera	Imaging Development Systems GmbH	UI-2220SE-M-GL
Oscyloskop	Tektronix GmbH	DPO5204
Oscyloskop	Teledyne LeCroy GmbH	SDA 760Zi-A
Spektrometr	Avantes	Spektrometr AvaSpec-ULS3648-USB2
	Ocean Optics, Inc	HR4C1769
Spektrometr	Ocean Optics, Inc	HR4C3762
Spektrometr	Ocean Optics, Inc	HR4D464
Spektrometr	Ocean Optics, Inc	HR4D466
Laserowy czujnik mocy cieplnej	Ophir Optronics Solutions Ltd	L50(150)A-PF-35
Laserowy czujnik mocy cieplnej	Ophir Optronics Solutions Ltd	FL500A Laserowy
czujnik mocy cieplnej	Ophir Optronics Solutions Ltd	3A-P-V1
Miernik mocy i energii	Ophir Optronics Solutions Ltd	Vega
Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Uwagi
Systems
Laser System stabilizacji wiązki	TEM-Messtechnik GmbH	Aligna
Laser M² System pomiarowy	Ophir Optronics Solutions Ltd	M²-200s
FROG	Domowej roboty	Nie dotyczy, dostosowane
XFROG	Domowe	Nie dotyczy, dostosowane
< silne>Nazwa< / silne>	< silne>Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Różne
Chiller	chłodzący H.I.B Systemtechnik GmbH	6HE-000800-W-W-R23-2-DI
Chiller	chłodzący Termotek GmbH	P201
Chiller	Termotek GmbH	P208
Laserowe gogle ochronne	Protect - Laserschutz GmbH	BGU 10-0165-G-20
Przeglądarka na podczerwień	FJW Optical Systems	84499A
Karta laserowa	Thorlabs GmbH	VRC4
Karta laserowa	Thorlabs GmbH	VRC5
Laserowa karta obserwacyjna	Laser Components GmbH	LDT-1064 BG
Przepływomierz	KOBOLD Messring GmbH	DTK-1250G2C34P
Manometr	KOBOLD Messring GmbH	EN 837-1
Czujnik temperatury	KOBOLD Messring GmbH	TDA-15H* ***P3M
WinLase Software	Dr. C. Horvath & Dr. F. Loesel	WinLase Version 2.1 pro.	Oprogramowanie do wnęk laserowych