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

O objetivo geral deste protocolo é demonstrar o projeto e a operação de um amplificador regenerativo de disco fino Yb:Yag de alta energia e alta potência como um front-end para amplificadores de pulso chilreados paramétricos ópticos de ciclo de fusível. Os lasers de disco fino YAG de itérbio em combinação com amplificadores de pulso chirped paramétricos ópticos, ou a chamada tecnologia de femtossegundo de terceira geração, nos dá a chance de gerar pulsos de subciclo a poucos ciclos em alta energia e potência média simultaneamente. A principal vantagem do sistema de laser discutido neste filme é essa capacidade de potência média e grande potência ao mesmo tempo para pulsos de laser tão curtos quanto picossegundos.

Embora este laser possa servir como uma bomba para poucos lasers de ciclo, ele também pode ser usado como front-end de outros sistemas, como lasers amplamente sintonizáveis de ultravioleta a infravermelho médio. Essas bancadas contêm os diferentes estágios da configuração experimental. Os estágios são melhor compreendidos usando o esquema.

Observe a rotulagem do oscilador, maca, amplificador regenerativo e os estágios do compressor. Primeiro concentre-se no estágio do oscilador. Sua cavidade linear de 13 metros tem uma abertura dura de cobre, como meio de safira cur, e um acoplador de saída de transmissão de 13%.

O sistema de espelhos inclui três espelhos de alta dispersão e dois espelhos com raio de curvatura negativo. Bombeie o oscilador por meio de diodos acoplados a fibra acoplada a ítrio dopado com ítrio alumínio granada gavião amplificador de disco fino. Após o acoplador de saída, um cristal de óxido de bário boro serve como um coletor de pulso para o estágio de maca de pulso.

A maca de pulso estica temporariamente os pulsos de sementes para aproximadamente dois nanossegundos. Em seguida, o pulso entra no estágio do amplificador regenerativo. Lá, o pulso da semente é mantido na cavidade do amplificador.

A cavidade tem uma célula de Pockels de alta tensão com um cristal de óxido de bário boro. O amplificador regenerativo usa outro disco fino de granada de ítrio e alumínio dopado com itérbio que é bombeado por diodos acoplados a fibra. O estágio final é um estágio de compressor de pulso, onde os pulsos amplificados são comprimidos a um picossegundo.

Observe que, em todo o sistema, os diodos da bomba, as cabeças de disco fino e a placa de pão requerem resfriadores para mantê-los resfriados. Comece iniciando o resfriamento a água para o sistema. Ligue o fluxo de água e os chillers de resfriamento para os componentes do oscilador.

No controle do chiller, vá para a fonte de alimentação do diodo da bomba e ligue-a. Em seguida, ligue a saída do diodo da bomba. Ajuste a corrente para bombear o disco fino a 940 nanômetros no modo de onda contínua.

Neste ponto, organize para observar o espectro de saída antes do seletor de pulsos. Conecte a fibra a um espectrômetro e coloque-a no caminho do feixe. O centro do espectro está em 1030 nanômetros.

Depois de observar o espectro, substitua a fibra por um medidor de potência no mesmo local. Observe a potência de saída do modo de onda contínua. Em seguida, passe para a operação do modo pulsado e o bloqueio do modo.

Trabalhe no espelho oscilador que está em estágio de tradução. Perturbe o espelho empurrando mecanicamente o palco por trás. Mais uma vez, observe o espectro de saída antes do seletor de pulsos após o início do modo pulsado.

O centro do espectro está em 1030 nanômetros com uma largura de banda de cerca de quatro nanômetros. Em seguida, mais uma vez, observe a potência de saída. Agora faça arranjos para observar o terreno pulsado de saída com um osciloscópio.

Conecte o fotodiodo rápido ao osciloscópio com atenuação apropriada. Como antes, execute a medição antes do seletor de pulso. Coloque o fotodiodo no caminho do feixe.

No osciloscópio, ajuste o botão de nível de disparo para estabilizar as formas de onda repetidas e permitir a observação do trem pulsado de saída. Use a amplitude pico a pico desta observação para encontrar a estabilidade pulso-pulso. Depois disso, substitua o fotodiodo no caminho do feixe por um perfilador de feixe.

Use o software do perfilador de feixe para exibir o perfil do feixe e realizar medições de estabilidade de apontamento do feixe. Continue a trabalhar com o seletor de pulsos configurando primeiro seu software. A partir daí, vá para a eletrônica.

Ligue a alta tensão para o cristal seletor de pulso para produzir a taxa de repetição. Após o seletor de pulsos, use um polarizador de filme fino para selecionar os pulsos. Esses pulsos de sementes passam pela maca de grade e, em seguida, passam por amplificação regenerativa.

Prepare o amplificador regenerativo iniciando seu sistema de refrigeração. Ligue a água de resfriamento e ajuste os resfriadores para o cabeçote do laser e a célula de Pockels. No computador celular Pockels, inicie o software celular Pockels.

Vá para a fonte de alimentação do driver de celular Pockels e ligue-o. Em seguida, ligue a fonte de alimentação da unidade de diodo da bomba e inicie a saída do diodo. Ajuste a corrente da fonte de alimentação para amplificar os pulsos de sementes.

Em seguida, escolha uma posição antes do compressor stage para observar a saída. Use um analisador de espectro e fibra para observar o espectro do amplificador regenerativo. Quando terminar, leia a potência de saída do medidor de potência.

Observe a leitura de potência neste ponto antes do compressor stage. Substitua o analisador de espectro por um fotodiodo rápido conectado a um osciloscópio. Observe o trem de pulso na tela do osciloscópio e, em seguida, determine o pulso para a estabilidade do pulso.

Depois de substituir o fotodiodo rápido por um perfilador de feixe, observe o perfil do feixe de saída e meça as flutuações de apontamento do feixe. Após a amplificação, envie os pulsos de saída através do compressor stage. Aqui, isso é feito com uma placa de meia onda com um suporte de rotação motorizado.

Ajuste os controles do suporte para permitir a passagem de alguns Watts de potência do laser. Em seguida, no caminho, tenha um estabilizador de feixe no lugar e alinhado. Com o estabilizador ligado, use seu software para travar o feixe de laser e evitar o desvio do feixe.

Agora, retorne à placa de meia onda e permita a saída completa do amplificador. Os pulsos viajam para o estágio do compressor, que os comprime em um picossegundo. Os elementos ópticos finais são representados neste esquema.

Após o compressor stage, prepare o feixe para amplificação de pulso chilreado paramétrico. Na bancada, use um telescópio para colunar e ajustar o tamanho do feixe. Obtenha feedback na viga de um perfilador de viga.

Guie o feixe fundamental através de um cristal não linear para gerar o segundo harmônico. Tenha um separador harmônico a 45 graus para separar o segundo feixe harmônico do feixe fundamental. Use o perfilador de feixe para observar os perfis de feixe gaussiano do segundo feixe harmônico e o perfil do feixe fundamental não convertido.

Este é o perfil do feixe de saída do amplificador regenerativo. Os pulsos de sementes são amplificados para 125 Watts enquanto são bombeados a uma onda contínua de 280 Watts. Um gráfico da potência de saída do amplificador regenerativo em função do tempo demonstra a estabilidade do sistema enquanto opera com uma eficiência óptica de 45%Aqui, o espectro do amplificador é plotado em verde e é referido ao eixo horizontal ao longo da parte superior do gráfico.

A intensidade temporal recuperada após a compressão para um picossegundo de largura total na metade do máximo é plotada em azul usando o eixo horizontal inferior. Essas duas curvas fornecem ao segundo harmônico experimental a eficiência de geração versus a intensidade de pico da bomba de entrada em um cristal de óxido de bário boro de 1,5 milímetro de espessura. A curva preta é para 0,5 milijoules de saída do amplificador.

A curva verde é para 20 milijoules de saída do amplificador. Os pontos rotulados como A, B e C rotulam diferentes eficiências de geração de segundo harmônico em diferentes intensidades de pico. Aqui estão os gráficos de intensidades espectrais recuperados para cada valor rotulado.

A é plotado em vermelho, B em laranja e C em azul. Este laser, quando combinado com um amplificador paramétrico óptico de banda larga ou um sistema de geração de harmônicos altos, nos permite gerar pulsos de attossegundos ou pulsos de femtossegundos com maior energia e potência média. Esses parâmetros abrem uma nova era para os pesquisadores explorarem, por exemplo, a eletrônica acionada por luz em escalas de tempo rápidas.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como o laser de disco fino de itérbio: YAG de alta potência e alta energia é projetado e operado. Não se esqueça de que trabalhar com lasers de alta energia e alta potência pode ser extremamente perigoso e sensível à poeira. Portanto, precauções como óculos de segurança e casacos de sala limpa devem sempre ser usadas durante a operação deste laser.