Summary
Здесь представлен протокол работы высоковольтного источника мощных оптических параметрических импульсных импульсных усилителей на основе регенеративного усилителя Yb: YAG.
Abstract
Это отчет о регенеративном усилителе тонкого диска Yb: YAG мощностью 100 Вт, 20 мДж, 1 пс. Домашний Yb: YAG-тонкий диск, генератор с синхронизацией по Керр-объективу с эффектом «под ключ» и энергией импульса на микроячеистой длительности используется для засева регенеративного усилителя с чирп-импульсом. Усилитель помещен в герметичный корпус. Он работает при комнатной температуре и имеет стабильную работу с частотой повторения 5 кГц, стабильность импульсов к импульсу менее 1%. Используя кристалл бората бета-бария толщиной 1,5 мм, частота лазерного излучения удваивается до 515 нм со средней мощностью 70 Вт, что соответствует оптико-оптической эффективности 70%. Эта превосходная производительность делает систему привлекательным источником накачки для оптических параметрических усилителей с чирп-импульсами в ближнем инфракрасном и среднем инфракрасном спектральных диапазонах. Сочетая производительность «под ключ» и превосходную стабильность регенеративного усилителя, система облегчает генерацию широкополосной, стабильной по CEPсемена. Обеспечение семян и насоса оптического параметрического усиления с усиленным импульсом (OPCPA) из одного лазерного источника устраняет потребность в активной временной синхронизации между этими импульсами. В этой работе представлено подробное руководство по настройке и использованию регенеративного усилителя Yb: YAG с тонким диском, основанного на усилении чирпурного импульса (CPA), в качестве источника накачки для оптического параметрического усилителя с чирп-импульсом.
Introduction
Генерация высокоэнергетических малоцикловых лазерных импульсов с высокой частотой повторения представляет большой интерес для прикладных полей, таких как аттосекундная наука 1 , 2 , 3 , 4 и физика высоких полей 5 , 6 , которые могут непосредственно принести пользу От наличия таких источников. OPCPA представляет собой наиболее перспективный путь к достижению высоких энергий импульсов и больших полос усиления, которые одновременно поддерживают импульсы с несколькими циклами 1 . На сегодняшний день OPCPA обеспечивает сверхширокополосное усиление, которое генерирует импульсы с несколькими циклами 7 , 8 , 9 , 10 . Однако модифицированная реализация схемы OPCPA, которая использует короткие импульсы накачки на пикосекундном масштабе, обещаетДелая этот подход масштабируемым для еще более высоких энергий импульсов и средних мощностей в режиме нескольких циклов 1 , 11 , 12 . Из-за высокой интенсивности накачки в OPCPA с короткой импульсной накачкой высокий однократный коэффициент усиления позволяет использовать очень тонкие кристаллы для поддержки больших полос усиления. Несмотря на то, что OPCPA с импульсным импульсом имеет много преимуществ, реализуемость такого подхода зависит от наличия лазеров, специально предназначенных для этой цели. Такие лазеры накачки необходимы для подачи высокоэнергетических пикосекундных импульсов с близким дифракционным ограничением качества луча при частотах повторения в диапазоне от кГц до МГц 13 , 14 , 15 .
Введение легированных иттербием лазеров в разных геометриях, способных доставлять пикосекундные лазерные импульсы с высокой энергией и высокой средней мощностью, Собираются изменить текущее состояние поля 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG обладает хорошей теплопроводностью и длительным временем жизни в верхнем состоянии, и его можно закачивать экономичными диодными лазерами. Его производительность при использовании в геометрии тонких дисков является выдающейся благодаря эффективному охлаждению усилительной среды, чтобы одновременно масштабировать пиковую и среднюю мощность. Более того, возникновение самофокусировки внутри усиливающей среды в процессе амплификации подавляется из-за гибкости тонкого диска по сравнению с другими геометриями усиленной среды, что приводит к отличным временным и пространственным профилям усиленных импульсов. Объединение этой концепции с CPA дает обещание генерировать пикосекундные импульсы с сотнями миллиджоумов энергии и сотенВт средней мощности 19 , 20 .
Цель этой работы - продемонстрировать регенеративный усилитель Yb: YAG под ключ Yk: YAG с выдающимися ежедневными характеристиками в качестве подходящего источника для откачки OPCPAs 21 . Для достижения этой цели в этом исследовании используется тонкопленочный генератор 22 Yb: YAG с несколькими микроджоулями энергии импульса для засева усилителя для минимизации накопленной нелинейной фазы в процессе амплификации. Этот протокол обеспечивает рецепт для создания и эксплуатации лазерной системы, который описан в другом месте 21 . Представлены сведения о программном обеспечении реализации и управлении компонентами, описывается процесс выравнивания системы.
Protocol
Внимание! Перед использованием этого оборудования, пожалуйста, ознакомьтесь со всеми правилами техники безопасности, которые имеют отношение к лазерам. Избегайте воздействия на глаза или кожу прямых или рассеянных лазерных лучей. Пожалуйста, надевайте соответствующие лазерные защитные очки на протяжении всего процесса.
Рисунок 1 : Схематическое изображение регенеративного усилителя Yb: YAG с тонким диском. (А) Yb: YAG - тонкий диск Керр-объектив с синхронизацией мод генератор. 13-метровая линейная резонатор осциллятора состоит из 13-процентного выходного соединителя, трех зеркал с высокой дисперсией с GDD с плотностью апертуры медь-серебра -3000 фс 2 , 1 мм и сапфиром Керра. Для уменьшения частоты повторения до 5 кГц используется импульсный сборщик, содержащий 25-миллиметровый BBO-кристалл. ( B ) CPA. Первый блок: установка носителей импульсов вG две антипараллельные золотые решетки (1740 линий / мм), где импульсы затравки временно растягиваются примерно до 2 нс. Второй блок: регенеративный усилитель, где начальный импульс ограничен в полости усилителя для усиления, когда применяется высокое напряжение ячейки Поккеля, которое содержит кристалл BBO толщиной 20 мм. Третий блок: импульсный компрессор, содержащий две параллельные диэлектрические решетки (1740 линий / мм), где усиленные импульсы временно сжаты до 1 пс. Эта цифра была изменена Fattahi et al. , С разрешением от ссылки 21 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Компонент | РПЦ | Расстояние |
| (мм) | (Мм) | |
| OC | ∞ | 0 |
| TD | -17000 | 600 |
| M 1 | -1000 | 5000 |
| BP | ∞ | 510 |
| M 2 | -1000 | 510 |
| ЭМ | ∞ | 800 |
Таблица 1: Конструкция резонатора осциллятора. ROC: радиус кривизны, OC: выходной соединитель, TD: тонкий диск, M: зеркало, BP: Brewster plate, EM: торцевое зеркало.
Рисунок 2 : Конструкция резонатора осциллятора. Радиус расчетного режима на компонентах резонатора. OC: выходной соединитель, TD: тонкий диск, M: зеркало, BP: Brewster plaTe, EM: торцевое зеркало. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Компонент | РПЦ | Расстояние |
| (Мм) | (Мм) | |
| EM 1 | ∞ | 0 |
| ПК | ∞ | 200 |
| M 1 | -5000 | 525 |
| M 2 | 1500 | 1500 |
| TD | -2000 | 1050 |
| EM 2 | -2000 | 2350 |
Таблица 2: Конструкция полости рекуперативного усилителя. ROC: радиус кривизны, EM: конец светаRor, PC: ячейка Pockels, M: зеркало, TD: тонкий диск.
Рисунок 3 : Регенеративная конструкция резонатора усилителя. Радиус расчетного режима на компонентах резонатора. EM: торцевое зеркало, ПК: ячейка Pockels, M: зеркало, TD: тонкий диск. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
1. Осциллятор
- Включите охлаждающую воду для генератора ( рис. 1a ).
- Включите охлаждающие охладители, чтобы охладить диоды насоса, головку тонкого диска и макет. Установите температуру на обеих чиллерах до 20 ° C.
- Включите источник питания для диодного блока насоса (см. Таблицу материалов , № 1) и нажмите «OUTPUT ON / OFF ".
ПРИМЕЧАНИЕ. Программное обеспечение для моделирования лазерных резонаторов (см. Таблицу материалов , № 113) использовалось для моделирования и проектирования резонатора осциллятора и регенеративного усилителя (Таблица 1 и Таблица 2, Рисунок 2 и Рисунок 3 ) 23 . - Направьте тонкий диск (см. Таблицу материалов , № 14) через связанное волокно с длиной волны 940 нм, установив «текущий» регулятор на источнике питания до 26,2 А, соответствующий выходному напряжению 210 Вт, до Начать генерацию в генераторе в режиме непрерывной волны (CW).
- Чтобы наблюдать выходной спектр режима CW, соедините волокно с спектрометром и поместите его перед устройством выбора импульсов после соответствующего затухания.
- В программном обеспечении спектрометра выберите вкладку «Спектрометр», а затем нажмите «Повторить поиск устройств».
- Щелкните правой кнопкой мыши имя спектрометраИ выберите «Spectrum Graph».
- Нажмите кнопку «Принять» в окне «Выбрать цель».
- После блокировки лазерного луча нажмите кнопку «Сохранить темный спектр» на панели инструментов и нажмите кнопку «Область минус темная», чтобы вычесть фоновый спектр.
- Разблокируйте лазерный луч, чтобы наблюдать спектр.
- Наблюдайте выходную мощность режима CW на измерителе мощности перед устройством выбора импульсов.
- Чтобы управлять генератором в импульсном режиме и инициировать блокировку режима, нарушить зеркало с высокой отражательной способностью внутри лазерной полости (на этапе трансляции), механически нажав на ступеньку сзади Рисунок 1а ).
ПРИМЕЧАНИЕ. В осцилляторе и полости регенеративного усилителя использовались зеркала с высокой отражательной способностью с высоким порогом повреждения (см. Таблицу материалов , № 24 и 28). - Соблюдайте спектр и выходную мощность импульсного mОда до выбора импульсов с помощью спектрометра и измерителя мощности соответственно.
ПРИМЕЧАНИЕ. Выход генератора имеет 25 Вт средней мощности при длине волны 1030 нм, частоте повторения 11 МГц и спектральной ширине 4 нм (FWHM). Если оптимизация осциллятора не требуется, пропустите шаги 1.9-1.14. - Слегка увеличьте ток на электросети до тех пор, пока в спектре, измеренном спектрометром, не появится кривая CW.
- Совместите жесткую апертуру в осцилляторе (см. Рис. 1a ), настроив винты микрометра вертикально и горизонтально, чтобы максимизировать всплеск CW.
- Наблюдайте за истощением профиля пучка накачки на тонком диске.
- Запустите программу на диске и выберите «Монохромный» из окна «Выбор режима».
- Нажмите кнопку «Открыть камеру» на панели инструментов, чтобы увидеть пятно луча на тонком диске.
- Настройте пьезолинейные приводы торцевого зеркала (Моторизированные ручки), нажав кнопку «+» или «-» на вертикальном или горизонтальном двигателе с панели управления рукой, чтобы выровнять это истощение с центром профиля луча насоса.
- Слегка уменьшите ток на источнике питания до тех пор, пока пик CW не исчезнет в спектре.
- Повторите шаги в 1.9-1.13 до тех пор, пока не будет достигнут спектр и выходная мощность, аналогичная полученным опорным уровням (см. Измеренный спектр на рисунке 4а (красная кривая) при средней мощности 25 Вт).
- Чтобы наблюдать последовательность выходных импульсов и определять стабильность импульс-импульс, подключите быстрый фотодиод к осциллографу и поместите его перед устройством выбора импульсов (после соответствующего ослабления).
- Выберите соответствующий уровень триггера, настроив ручку «триггерного уровня» на осциллографе, чтобы стабилизировать повторяющиеся сигналы и наблюдать за положением выходного импульса на экране осциллографа.
- Из E «Измерение», выберите «Peak to Peak Amplitude», чтобы определить стабильность импульс-импульс.
- Соблюдайте профиль выходного луча перед устройством выбора импульсов и определите флуктуации пучка.
- Запустите программное обеспечение профилировщика луча и нажмите кнопку «Go, start capture» на панели инструментов, чтобы просмотреть профиль луча.
- На панели инструментов откройте диалоговое окно «блуждание луча», а затем нажмите кнопку «Очистить», чтобы начать новое измерение стабильности луча.
ПРИМЕЧАНИЕ. Флуктуации в луче или искаженном профиле луча (вызванные оптическим повреждением, обрезкой луча и т. Д. ) Могут ухудшить стабильность системы.
- Измерьте длительность импульса с использованием оптического стробирования с частотным разрешением на основе генерации второй гармоники (SHG-FROG) 21 , 24 .
2. Импульсный пикап и пусковой носитель
Content "> ПРИМЕЧАНИЕ. Осторожно, помните о всех соответствующих правилах электробезопасности перед тем, как применять высокое напряжение на пульсометре. Используйте соответствующую изоляцию высокого напряжения. Удалите диагностику с пучка лучей, прежде чем приступать к этому разделу. И его настройка не требуется, пропустите шаги 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 и 2.11.- Перед настройкой выбора импульсов используйте два зеркала, чтобы выровнять выходной луч от генератора через блок выбора импульсов (см. Таблицу материалов , № 5 и 7) и его кристалл бета-бария (BBO) толщиной 25 мм (см. Таблица материалов , № 12) с помощью инфракрасного зрителя и лазерной визитной карточки ( рис. 1а ).
- Запустите программу выбора импульсов на компьютере генератора.
- Соблюдайте сигнал переключения импульсного датчика и последовательность импульсов осциллятора на осциллографе (см. Шаг 1.15) с помощью быстрого фотоodiode.
- В программе выбора импульсов установите время задержки (задержку A) из диалога «Определить параметры задержки», чтобы синхронизировать сигнал переключения и последовательность импульсов на кристалле выбора импульсов.
- Установите окно времени переключения (delay B) из диалогового окна «Определить параметры задержки», чтобы выбрать один импульс из последовательности импульсов.
- Установите внутреннее время запуска (запрет) из диалогового окна «Определить параметры задержки» до 200 мкс, чтобы выбрать один импульс каждые 5 кГц.
- Уменьшите частоту повторения генератора с 11 МГц до 5 кГц, переключив питание драйвера импульсного датчика на «включено», чтобы применить высокое напряжение к кристаллу.
- Выбирайте выбранные импульсы из последовательности импульсов с помощью тонкопленочного поляризатора (TFP) (см. Таблицу материалов , № 31) после выбора импульсов и сбрасывайте оставшиеся импульсы в пучок.
- Улучшите контрастность выбранных импульсов, регулируя полуволновую пластину (seE Таблица материалов , № 32) перед сборщиком импульсов.
- Уменьшите пиковую мощность лазерного импульса, пройдя выбранные импульсы через установку подрамника, чтобы растянуть импульсы на длительность 2 нс (см. Рис. 1а -b ).
- При настройке выбора импульсов используйте два зеркала для выравнивания выбранных импульсов через настройку подрамника, если это необходимо.
ПРИМЕЧАНИЕ. Подрамник содержит две антипараллельные золотые решетки (см. Таблицу материалов , № 20 и 21) с плотностью линий 1740 линий / мм, чтобы растянуть импульсы до продолжительности 2 нс, чтобы избежать повреждения оптики во время процесса амплификации В регенеративном усилителе из-за высокой интенсивности пика. Эти импульсы используются для высева регенеративного усилителя, как описано в следующем разделе ( рис. 1b , сверху).
3. Регенеративный усилитель
Внимание; Будьте в курсе всехСоответствующие электрические правила безопасности перед применением высокого напряжения к ячейке Pockels. Используйте соответствующую высоковольтную изоляцию. Удалите диагностику с пути луча, прежде чем приступать к этому разделу. Импульсы семян поступают с осциллятора с синхронизацией по Керр-объективу Yb: YAG с тонким диском. Другие семенные стратегии могут использоваться для посева усилителя, такого как волоконные усилители.
- Включите охлаждающую воду для регенеративного усилителя ( рис. 1b , середина).
- Включите охладительные охладители, чтобы охладить диоды насоса, тонкий диск, лазерную головку и ячейку Поккельса. Установите температуру чиллеров до 28 ° C, 17 ° C и 18 ° C, а затем активируйте систему блокировки.
ПРИМЕЧАНИЕ. Несвязанный пучок семян может ухудшить стабильность усилителя. Если выравнивание рекуперативного усилителя не требуется, пропустите шаги 3.3-3.13 и 3.25. - Включите питание блока диода насоса (см. Таблицу MateriAls, № 2), а затем нажмите кнопку «OUTPUT ON / OFF».
- Насосите тонкий диск через связанное волокно с длиной волны 940 нм, установив ручку тока на источник питания до порога.
- Соблюдайте профиль луча накачки на диске с помощью дисковой камеры (см. Шаг 1.11) и выберите «Circle Geometry» в меню «Draw» в программе камеры диска, чтобы отметить положение луча в программе камеры.
- Уменьшите ток источника питания до нуля, а затем нажмите кнопку «ВЫХОД ВКЛ / ВЫКЛ». Выключите питание блока диода насоса.
- Используйте два зеркала перед регенеративным усилителем, чтобы выровнять выходной луч от подрамника (импульсы семян) через развязывающую оптику в регенеративном усилителе, чтобы достичь зеркала первого конца (за ячейкой Покельса). Используйте профилировщик луча, инфракрасный просмотрщик и карту просмотра лазера, чтобы помочь в этом.
- Закройте полость усилителя, повернув квартер(См. Таблицу материалов , № 33), за ячейкой Поккеля, устраняя лазерный луч внутри полости.
- Настройте моторизованные ручки зеркала первого конца, нажимая кнопку «+» или «-» на вертикальном или горизонтальном двигателе (драйвер 1) с панели управления рукой, чтобы выровнять лупу с выводом.
- Откройте полость усилителя, повернув четвертьволновую пластинку (за ячейкой Поккеля), пока в полости не будет достигнута максимальная интенсивность лазерного луча. Заблокируйте обратный отраженный луч от второго торцевого зеркала.
- Соблюдайте профиль луча импульсов семян в программе камеры на диске и перекрывайте луч с отмеченным положением, настроив ручки одного из зеркал полости перед тонким диском.
- Разблокируйте обратный отраженный луч и наблюдайте за его пятном в программе на диске.
- Настройте моторизованные ручки второго торцевого зеркала, нажимая кнопку «+» или «-» для вертикальной или горизонтальнойМотор (водитель 2) на панели управления рукой, чтобы наложить отражение назад на отмеченное положение.
- Из сотового компьютера Pockels запустите программу Cell Pockels.
ПРИМЕЧАНИЕ. Если настройка ячейки Pockels не требуется, пропустите шаги 3.15-3.18. - Соблюдайте сигнал переключения ячейки Поккеля (см. Таблицу материалов , № 6 и 8) и импульсы семян на осциллографе (см. Шаг 1.15) с помощью быстрого фотодиода ( рис. 1b , середина).
- В программе ячеек Pockels установите время задержки (задержка A) из диалогового окна «Определить параметры задержки», чтобы синхронизировать переключение ячейки Pockels и импульсов семян в кристалле ячейки Pockels.
- Установите окно времени переключения (задержка B) из диалогового окна «Определить параметры задержки», чтобы ограничить один импульс внутри полости регенеративного усилителя до 4 мкс, что соответствует 87 круговым отключениям импульса.
- Установить внутренний триггерR (запретить) из диалога «Определить параметры задержки» на «200 мкс», чтобы ограничить скорость до одного импульса каждые 5 кГц.
- Включите питание драйвера ячейки Pockels, чтобы применить высокое напряжение на кристалле.
- Включите питание блока диода насоса и нажмите кнопку «ВЫХОД ВКЛ / ВЫКЛ».
- Чтобы усилить импульсы семян в регенеративном усилителе, прокачайте тонкий диск, установив «ток» на блок питания на 57,7 А, что соответствует 280 Вт.
ПРИМЕЧАНИЕ. Усиленный луч отделен от затравочной лунки комбинацией ротатора Фарадея (см. Таблицу материалов , № 19) и TFP. Осциллятор Yb: YAG защищен от обратного отражения усиленного пучка изолятором (см. Таблицу материалов , № 18).
ПРИМЕЧАНИЕ. Храните работу ячейки Pockels и блока диода насоса в указанном выше порядке, чтобы избежать повреждения оптики Q-переключением. - Наблюдайте за спектром и выходной мощностью (см. Шаги 1.5 и 1.6) перед компрессором.
ПРИМЕЧАНИЕ. Выход усилителя имеет среднюю мощность 125 Вт при длине волны 1030 нм, частоте повторения 5 кГц и спектральной ширине 1 нм (FWHM). - Соблюдайте последовательность выходных импульсов перед компрессором на экране осциллографа и определяйте стабильность импульса в импульсе с помощью быстрого фотодиода (см. Шаг 1.15).
- Соблюдайте профиль выходного луча перед компрессором и определяйте флуктуации пучка (см. Шаг 1.16).
- Точно настройте моторизованные ручки второго торцевого зеркала, нажав кнопку «+» или «-» на вертикальном или горизонтальном двигателе (водитель 2) с панели управления рукой, чтобы улучшить работу регенеративного усилителя, если это необходимо.
- Охарактеризуйте эффект сужения усиления.
- Рассмотрим усиление для разных уровней энергии семян путем регулирования энергии затравки с помощью нейтралиL-плотности фильтров.
- Измените количество круговых отключений, чтобы получить максимальную выходную мощность при фиксированной мощности накачки 300 Вт.
- Соблюдайте выходной спектр для каждого случая.
4. Импульсный компрессор, выравнивание луча и система стабилизации
ПРИМЕЧАНИЕ. Перед продолжением работы в этом разделе удалите диагностику с пути луча. Если выравнивание компрессора и блока стабилизатора луча не требуется, пропустите шаги 4.3 и 4.6.
- Поверните моторизованное крепление полуволновой пластины (на выходном тракте), нажав кнопку «+» или «-» на двигателе А (драйвер 5) с панели управления рукой, чтобы отправить несколько ватт выходного усилителя К компрессору ( рис. 1b , внизу).
- Сжатие лазерного импульса до 1 пс путем пропускания усиленного луча через установку компрессора.
- Используйте два зеркала после настройки регенеративного усилителя, чтобы выровнять амплитудуD импульсов через установку компрессора, если это необходимо.
ПРИМЕЧАНИЕ. Компрессор содержит две параллельные диэлектрические решетки (см. Таблицу материалов № 22 и 23) с плотностью линии 1740 линий / мм. - Включите питание блока стабилизатора луча (см. Таблицу материалов , № 98). Запустите программу стабилизации луча на компьютере стабилизатора луча.
- Используйте два зеркала перед установкой детектора стабилизатора луча, чтобы выровнять дифракцию нулевого порядка от первой решетки в компрессоре до детекторов стабилизатора луча.
- Нажмите кнопку «регулировка» на программе стабилизации луча, чтобы заблокировать лазерный луч, чтобы избежать смещения луча после компрессора. Поверните моторизованную полуволновую пластину снова, чтобы передать полную выходную мощность усилителя через компрессор. Отрегулируйте коэффициент усиления детекторов стабилизатора пучка с помощью фильтра с нейтральной плотностью.
- Характеризуйте длительность сжатого pС использованием SHG-FROG 21 , 24 .
5. Источник насоса системы OPCPA
ПРИМЕЧАНИЕ. Перед продолжением работы в этом разделе удалите диагностику с пути луча.
- С компьютера OPCPA запустите программу профилирования луча.
- Совместите и отрегулируйте размер лазерного луча после компрессора, используя соответствующий телескоп, чтобы достичь пиковой интенсивности 80 ГВт / см 2 . Используйте профилировщик луча, инфракрасный просмотрщик и карту лазерного просмотра.
ПРИМЕЧАНИЕ. Для SHG был выбран кристалл BBO толщиной 1,5 мм, основанный на результатах моделирования, выполненного в коде Simulation System for Optical Science (SISYFOS) 25 . - Направляйте основной пучок (1030 нм) через нелинейный кристалл (BBO толщиной 1,5 мм, см. Таблицу материалов , № 54) для генерации второй гармоники (SH) при 515 нм.
- Отделите пучок SH от unconveВ результате чего помещаем гармонический сепаратор при 45 o (см. Таблицу материалов , № 56) после кристалла.
ПРИМЕЧАНИЕ. Пучок SH отражается от разделителя гармоник, в то время как непроизведенный основной пучок передается через. - Точно оптимизируйте угол согласования фаз SH, настроив ручку крепления кристалла, чтобы достичь максимальной эффективности преобразования SH (70%, что соответствует 70 Вт).
- Соблюдайте мощность SH и непреобразованных фундаментальных лучей на измерителях мощности (см. Шаг 1.6).
- Соблюдайте гауссовский профиль пучка СВ и необращенных фундаментальных пучков (см. Шаг 1.16).
- Охарактеризуйте временную форму импульсов SH с использованием оптического стробирования с поперечной корреляцией (XFROG) 21 , 24 .
Representative Results
Генератор генерирует импульсы 350 фс, 2 мкДж, 25 Вт со скоростью повторения 11 МГц с устойчивостью импульса к импульсу 1% (среднеквадратичное значение) и флуктуациями пучка менее 0,6% за 1 час измерения ( рис. 4 ).
Рисунок 4 : Yb: YAG тонкий диск, Kerr-объектив с синхронизацией мод. (А) Спектр (красный), извлеченный временной профиль интенсивности (синий), и пространственный профиль (вставка) импульсов генератора. ( Б ) Измеренный и извлеченный спектрограф SHG-FROG осциллятора. Эта цифра была изменена Fattahi et al. , С разрешения ссылки 21 .> Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Исходные импульсы усиливаются в регенеративном усилителе до 125 Вт при накачке с помощью волоконно-связанного диода CW на длине волны 940 нм при 280 Вт, что соответствует оптико-оптической эффективности 47%. Устойчивость импульса к импульсу усилителя составляет менее 1%, а усилитель демонстрирует отличную долговременную стабильность после 10 часов непрерывной работы. Усиленный луч имеет превосходный пространственный профиль с M 2 1 (M 2 x = 1,08 и M 2 y = 1,07) и отличный временный профиль после сжатия до 1 пс (при FWHM) ( рис. 5 ).
Рисунок 5 : Характеристика регенеративного усилителяВыход и эффект усиления. (А) Стабильность регенеративного усилителя средней мощности после 10 ч непрерывной работы. Вставка: ( a-1 ) Нормализованная мощность до ее среднего значения в окне времени 0,5 часа; ( A-2 ) Профиль выходного луча рекуперативного усилителя. ( B ) Выходной спектр усилителя (зеленый) и полученная временная интенсивность (синяя) лазерных импульсов со средней мощностью 100 Вт после компрессора решетки. ( C ) Энергия семян по сравнению с спектральной полосой пропускания (FWHM) выходного сигнала усилителя и требуемые круговые отключения при одинаковой выходной мощности при 300 Вт мощности накачки. Эта цифра была изменена Fattahi et al. , С разрешения ссылки 21 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
25 . Были рассмотрены два разных кристалла со следующими параметрами: 1) литора трибоната лития типа I, толщиной 6 мм (LBO) с углом фазового согласования 13,7 ° и нелинейным коэффициентом 0,819 мкм / В и 2) a Тип-I, BBO толщиной 3 мм с углом согласования фаз 23,4 ° и нелинейным коэффициентом 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps, 20-mJ импульсы при 1030 нм и пиковая интенсивность 100 ГВт / см 2 рассматривались как вход моделирования. Результаты моделирования показали, что производительность BBO превосходила производительность LBO для SHG ( рис. 6 ).
Рисунок 6 : Генерация второй гармоники. (А) Сымитированный SHG енRgy для кристалла LBO толщиной 6 мм и кристалла BBO толщиной 3 мм. ( B ) Экспериментальная эффективность SHG по сравнению с интенсивностью пика входного насоса в кристалле BBO толщиной 1,5 мм с использованием 0,5 мДж (черный) и 20 мДж (зеленый) выходного сигнала усилителя. ( C ) Полученная спектральная интенсивность и ( d ) групповая задержка измерений XFROG для различных коэффициентов SHG, соответствующих точкам A, B и C в (b). Эта цифра была изменена Fattahi et al. , С разрешением от ссылки 21 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Discussion
Операция «под ключ» генератора достигается за счет оптимального регулирования тепла различными компонентами лазера. Выходной сигнал генератора воспроизводится ежедневно, без необходимости дополнительного выравнивания или оптимизации. Кроме того, энергетическая стабильность импульса и импульса и пространственная направленная стабильность затравочного лазера выполняют предпосылки для достижения стабильной работы регенеративного усилителя.
Другие источники энергии с низкой энергией, такие как волоконные усилители, могут использоваться для засева усилителя. В этом исследовании для облегчения усиления регенеративного усилителя был использован 2 μJ Yb: YAG тонкопленочный KLM-осциллятор, уменьшая рост накопленных нелинейных фаз, поскольку требуемое количество круговых отключений уменьшается для энергии с более высоким входным затравом , Кроме того, более высокая энергия затравки влияет на процесс усиления и уменьшает сужение усиления. Измеренная спектральная ширина усиленных импульсовEs для различных энергий затравки при фиксированной мощности насоса показано на рисунке 5c . Усиленная спектральная ширина полосы уменьшается для более низких энергий затравки из-за сужения усиления. При энергии семян 10 pJ лазер работает в удвоении периода, и достичь стабильной работы невозможно даже за счет увеличения числа круговых поездок. Помимо тщательной оптимизации систем охлаждения и питания диодов, работа регенеративного усилителя при насыщении играет важную роль в достижимой стабильности усилителя.
Фундаментальную или вторую гармонику лазера можно использовать для накачки системы OPCPA. Для SHG сравнивались характеристики LBO и кристалла BBO, так как они обеспечивают высокий нелинейный коэффициент и порог повреждения, несмотря на больший пространственный сдвиг и ограниченную доступную апертуру в случае BBO. Поскольку нелинейный коэффициент BBO почти в два раза больше, чем у LBO, более короткий кристалл равен sufДля достижения предела насыщения для ГСП ( рис. 6а ). Таким образом, BBO является более подходящим выбором, так как накопленная нелинейная фаза меньше 28 .
Длительность импульсов импульсов SH характеризуется экспериментально при различной эффективности преобразования. Было отмечено, что при высокой эффективности преобразования спектр SHG расширяется и появляется спектральная фаза более высокого порядка ( рис. 6 ). Поэтому выбирается случай B с коэффициентом преобразования 70%, где SH и непреобразованные фундаментальные лучи сохраняют превосходное качество.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Мы хотели бы поблагодарить профессора Ференца Крауша за дискуссии и Najd Altwaijry за ее поддержку в финализации рукописи. Эта работа была профинансирована Центром усовершенствованных лазерных приложений (CALA).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Electrooptics | |||
| Fiber-Coupled Diode Laser Module | Dilas Diodenlaser GmbH | M1F8H12-940.5-500C-IS11.34 | |
| Fiber-Coupled Diode Laser Module | Laserline GmbH | LDM1000-500 | |
| Power Supply for Diode Laser | Delta Elektronika B.V. | SM 15-100 | |
| Power Supply for Diode Laser | Delta Elektronika B.V. | SM 35-45 | |
| Pulse Picker's Driver | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Pockels Cell's Driver | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Pulse Picker's Driver Power Supply | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | PCD8m7 | |
| Pockels Cell's Driver Power Supply | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | PCD8m7 | |
| Delay Generator PCI | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | BME_SG08p | |
| Splitter Box | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | N/A, customized | |
| Resonant Preamplifier | Bergmann Messgeräte Entwicklung KG | BME_P03 | |
| Pulse Picker's crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 12*12*20 mm³ |
| Pockels Cell's crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 12*12*20 mm³ |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optics | |||
| Thin-disk | TRUMPF Scientific Lasers | N/A, customized | |
| Thin-disk Head | TRUMPF Scientific Lasers | N/A, customized | |
| Fiber | Frank Optic Products GmbH | N/A, customized | |
| Fiber Objective | Edmund Optics GmbH | N/A, customized | |
| Faraday Isolator | Electro-Optics Technology, Inc | EOT.189.12231 | |
| Faraday Rotator | Electro-Optics Technology, Inc | EOT.189.22040 | |
| Stretcher's Grating 1 | Horiba Jobin Yvon GmbH | N/A, customized | 60*40*10 mm³ |
| Stretcher's Grating 2 | Horiba Jobin Yvon GmbH | N/A, customized | 350*190*50 mm³ |
| Compressor's Grating 1 | Plymouth Grating Laboratory, Inc. | N/A, customized | 40*40*16 mm³ |
| Compressor's Grating 2 | Plymouth Grating Laboratory, Inc. | N/A, customized | 300*100*50 mm³ |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 0° | Layertec GmbH | 108060 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 0° | Laseroptik GmbH | B-09965, S-04484 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 45° | Layertec GmbH | 108063 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), flat, 45° | Laseroptik GmbH | B-09966, S-04484 | |
| HR Mirror, 1" (1030nm), curved | Layertec GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 2" (1030nm), flat, 0° | Laseroptik GmbH | B-09965, S-05474 | |
| HR Mirror, 2" (1030nm), flat, 45° | Laseroptik GmbH | B-09966, S-05474 | |
| Thin Film Polarizer (1030nm), 2" | Layertec GmbH | 103930 | |
| Waveplate L/2 (1030nm) | Layertec GmbH | 106058 | Ø=25mm |
| Waveplate L/4 (1030nm) | Layertec GmbH | 106060 | Ø=25mm |
| AR Window (1030nm), wedge | Laseroptik GmbH | B-00183-01, S-00988 | Ø=38mm |
| Output Coupler, 1" (1030nm) | Layertec GmbH | N/A, customized | PR = 88 % |
| High-dispersion Mirror (1030nm) | UltraFast Innovations GmbH | N/A, customized | GDD = -3000 fs² |
| Lens, 1" (1030nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 1" (1030nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 2" (1030nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 2" (1030nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 0° | Layertec GmbH | 129784 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 0° | Eksma Optics | 042-0515-i0 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 45° | Layertec GmbH | 110924 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), flat, 45° | Eksma Optics | 042-0515 | |
| HR Mirror, 1" (515nm), curved | Layertec GmbH | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 1" (515nm), curved | Eksma Optics | N/A, customized | set |
| HR Mirror, 2" (515nm), flat, 0° | Eksma Optics | 045-0515-i0 | |
| HR Mirror, 2" (515nm), flat, 45° | Eksma Optics | 045-0515 | |
| Thin Film Polarizer (515nm), 2" | Layertec GmbH | 112544 | |
| Waveplate L/2 (515nm) | Layertec GmbH | 112546 | Ø=25mm |
| Lens, 1" (515nm), Plano-Convex | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Lens, 1" (515nm), Plano-Concave | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Kerr Medium | Meller Optics, Inc. | N/A, customized | Sapphire, 1mm |
| BBO Crystal | Castech Inc. | N/A, customized | 7*7*1.5 mm³ |
| Harmonic Separator, 1", 45° | Eksma Optics | 042-5135 | |
| Harmonic Separator, 2", 45° | Eksma Optics | 045-5135 | |
| Silver Mirror, 1", flat | Thorlabs GmbH | PF10-03-P01 | |
| Silver Mirror, 1", curved | Eksma Optics | N/A, customized | set |
| Filter - Absorptive Neutral Density | Thorlabs GmbH | NE##A | set |
| Filter - Reflective Neutral Density | Thorlabs GmbH | ND##A | set |
| Filter - Round Continuously Variable | Thorlabs GmbH | NDC-50C-4M | |
| Filter - Edgepass Filter (Longpass) | Thorlabs GmbH | FEL#### | set |
| Filter - Edgepass Filter (Shortpass) | Thorlabs GmbH | FES#### | set |
| Wedge | Thorlabs GmbH | N/A, customized | set |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optomechanics & Motion | |||
| Mirror Mount 1" (small) | S. Maier GmbH | S1M4-##-1” | |
| Mirror Mount 1" (large) | S. Maier GmbH | S3-## | |
| Mirror Mount 1" | TRUMPF Scientific Lasers | 1" adjustable | |
| Mirror Mount 2" | S. Maier GmbH | S4-## | |
| Mirror Mount 2" | TRUMPF Scientific Lasers | 2" adjustable | |
| Rotation Mount 1” | S. Maier GmbH | D25 | |
| Rotation Mount 1” | Thorlabs GmbH | RSP1/M | |
| Rotation Mount 2” | Thorlabs GmbH | RSP2/M | |
| Precision Rotation Stage | Newport Corporation | M-UTR120 | |
| Four-Axis Diffraction Grating Mount | Newport Corporation | DGM-1 | |
| Translation Stage | OptoSigma Corporation | TADC-651SR25-M6 | |
| Pockels cell stage | Newport Corporation | 9082-M | |
| Pockels Cell Holder | Home-made | N/A, customized | |
| Picomotor Controller/Driver Kit | Newport Corporation | 8742-12-KIT | |
| Picomotor Piezo Linear Actuators | Newport Corporation | 8301NF | |
| Picomotor Rotation Mount | Newport Corporation | 8401-M | |
| Hand Control Pad | Newport Corporation | 8758 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Light Analysis | |||
| Beam Profiling Camera | Ophir Optronics Solutions Ltd | SP620 | |
| Beam Profiling Camera | DataRay Inc. | WCD-UCD23 | |
| Photodiodes (solw) | Thorlabs GmbH | DET10A/M | |
| Photodiodes (fast) | Alphalas GmbH | UPD-200-SP | |
| Thin-disk Camera | Imaging Development Systems GmbH | UI-2220SE-M-GL | |
| Oscilloscope | Tektronix GmbH | DPO5204 | |
| Oscilloscope | Teledyne LeCroy GmbH | SDA 760Zi-A | |
| Spectrometer | Avantes | AvaSpec-ULS3648-USB2 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4C1769 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4C3762 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4D464 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Inc | HR4D466 | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | L50(150)A-PF-35 | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | FL500A | |
| Laser Thermal Power Sensor | Ophir Optronics Solutions Ltd | 3A-P-V1 | |
| Power and Energy Meter | Ophir Optronics Solutions Ltd | Vega | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Systems | |||
| Laser Beam Stabilization System | TEM-Messtechnik GmbH | Aligna | |
| Laser M² Measuring System | Ophir Optronics Solutions Ltd | M²-200s | |
| FROG | Home-made | N/A, customized | |
| XFROG | Home-made | N/A, customized | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Miscellaneous | |||
| Cooling Chiller | H.I.B Systemtechnik GmbH | 6HE-000800-W-W-R23-2-DI | |
| Cooling Chiller | Termotek GmbH | P201 | |
| Cooling Chiller | Termotek GmbH | P208 | |
| Laser Safety Goggles | Protect - Laserschutz GmbH | BGU 10-0165-G-20 | |
| Infra-red Viewer | FJW Optical Systems | 84499A | |
| Laser Viewing Card | Thorlabs GmbH | VRC4 | |
| Laser Viewing Card | Thorlabs GmbH | VRC5 | |
| Laser Viewing Card | Laser Components GmbH | LDT-1064 BG | |
| Flowmeter | KOBOLD Messring GmbH | DTK-1250G2C34P | |
| Pressure Gauge | KOBOLD Messring GmbH | EN 837-1 | |
| Temperature Sensor | KOBOLD Messring GmbH | TDA-15H* ***P3M | |
| WinLase Software | Dr. C. Horvath & Dr. F. Loesel | WinLase Version 2.1 pro. | Laser Cavity Software |
References
- Fattahi, H. Third-generation femtosecond technology. Optica. 1 (1), 45-63 (2014).
- Hentschel, M.
- Cavalieri, A. L. Intense 1.5-cycle near infrared laser waveforms and their use for the generation of ultra-broadband soft-x-ray harmonic continua. New J Phys. 9 (7), 242 (2007).
- Schweinberger, W. Waveform-controlled near-single-cycle milli-joule laser pulses generate sub-10 nm extreme ultraviolet continua. Opt Lett. 37, 3573-3575 (2012).
- Buck, A. Real-time observation of laser-driven electron acceleration. Nature Phys. 7 (7), 543-548 (2011).
- Zhong, H., Karpowicz, N., Zhang, X. C. Terahertz emission profile from laser-induced air plasma. Appl Phys Lett. 88 (26), 261103 (2006).
- Herrmann, D. Generation of sub-three-cycle, 16 TW light pulses by using noncollinear optical parametric chirped-pulse amplification. Opt Lett. 34 (16), 2459-2461 (2009).
- Adachi, S., et al. 1.5 mJ, 6.4 fs parametric chirped-pulse amplification system at 1 kHz. Opt Lett. 32 (17), 2487-2489 (2007).
- Adachi, S. 5-fs, multi-mJ, CEP-locked parametric chirped-pulse amplifier pumped by a 450-nm source at 1 kHz. Opt express. 16 (19), 14341-14352 (2008).
- Yin, Y. High-efficiency optical parametric chirped-pulse amplifier in BiB3O6 for generation of 3 mJ, two-cycle, carrier-envelope-phase-stable pulses at 1.7 µm. Opt Lett. 41 (6), 1142-1145 (2016).
- Deng, Y. Carrier-envelope-phase-stable, 1.2 mJ, 1.5 cycle laser pulses at 2.1 µm. Opt Lett. 37 (23), 4973-4975 (2012).
- Rothhardt, J., Demmler, S., Hädrich, S., Limpert, J., Tünnermann, A. Octave-spanning OPCPA system delivering CEP-stable few-cycle pulses and 22 W of average power at 1 MHz repetition rate. Opt express. 20 (10), 10870-10878 (2012).
- Heckl, O. H., et al. Ultrafast Thin-Disk Lasers.Ultrashort Pulse Laser Technology. Nolte, S., Schrempel, F., Dausinger, F. 195, Springer International Publishing. 93-115 (2016).
- Zapata, L. E., et al. Cryogenic Yb:YAG composite-thin-disk for high energy and average power amplifiers. Opt. Lett. 40 (11), 2610-2613 (2015).
- Schulz, M., et al. Yb:YAG Innoslab amplifier: efficient high repetition rate subpicosecond pumping system for optical parametric chirped pulse amplification. Opt Lett. 36 (13), 2456-2458 (2011).
- Roeser, F. Millijoule pulse energy high repetition rate femtosecond fiber chirped-pulse amplification system. Opt Lett. 32 (24), 3495-3497 (2007).
- Russbueldt, P., et al. 400 W Yb:YAG Innoslab fs-amplifier. Opt Express. 17 (15), 12230-12245 (2009).
- Baumgarten, C., et al. 0.5 kHz repetition rate picosecond laser. Opt Lett. 41 (14), 3339-3342 (2016).
- Klingebiel, S., et al. 220mJ, 1 kHz Picosecond Regenerative Thin-Disk Amplifier. European Conference on Lasers and Electro-Optics - European Quantum Electronics Conference , , Optical Society of America. Paper CA_10_1 (2015).
- Nubbemeyer, T., et al. 1 kW, 200 mJ picosecond thin-disk laser system. Opt Lett. 42 (7), 1381-1384 (2017).
- Fattahi, H., et al. High-power, 1-ps, all-Yb:YAG thin-disk regenerative amplifier. Opt Lett. 41 (6), 1126-1129 (2016).
- Brons, J., et al. Energy scaling of Kerr-lens mode-locked thin-disk oscillators. Opt Lett. 39 (22), 6442-6445 (2014).
- Horvath, C., Loesel, F. WinLase home. , http://www.winlasecom/index.html (2016).
- Trebino, R., et al. Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating. Rev Sci Instrum. 68 (9), 3277-3295 (1997).
- Arisholm, G. General numerical methods for simulating second-order nonlinear interactions in birefringent media. J Opt Soc Am B. 14 (10), 2543-2549 (1997).
- Zhang, D. X., Kong, Y. F., Zhang, J. Y. Optical parametric properties of 532-nm-pumped beta-barium-borate near the infrared absorption edge. Opt Commun. 184 (5), 485-491 (2000).
- Kato, K. Temperature-tuned 90o phase-matching properties of LiB3O5. IEEE J Quant Electron. 30 (12), 2950-2952 (1994).
- Fattahi, H. Third-generation femtosecond technology. , Springer International Publishing. (2016).
