Summary
Un protocole pour le fonctionnement d'une source de pompe à amplificateur à impulsions paramétriques paramétriques à haute énergie et haute puissance basée sur un amplificateur régénérateur à disque fin Yb: YAG est présenté ici.
Abstract
Il s'agit d'un rapport sur un amplificateur régénérateur de 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG en disque mince. Un Yb: YAG de petite taille, un oscillateur verrouillé en mode Kerr-lens avec une performance clé en main et une énergie impulsionnelle à niveau de microjolume est utilisé pour semer l'amplificateur à impulsions chirpées régénératives. L'amplificateur est placé dans un boîtier hermétique. Il fonctionne à température ambiante et présente un fonctionnement stable à un taux de répétition de 5 kHz, avec une impulsion à impulsion inférieure à 1%. En utilisant un cristal de borate de baryum bêta de 1,5 mm d'épaisseur, la fréquence de la sortie laser est doublée à 515 nm, avec une puissance moyenne de 70 W, ce qui correspond à une efficacité optique à optique de 70%. Cette performance supérieure rend le système une source de pompe attrayante pour les amplificateurs paramétriques optiques à impulsions chirpées dans la gamme spectrale proche infrarouge et infrarouge moyen. En combinant la performance clé en main et la stabilité supérieure de l'amplificateur régénératif, le système facilite la génération d'un système à large bande, stable au CEPla graine. La fourniture de la semence et de la pompe de l'amplification paramétrique optique à impulsions chirpées (OPCPA) à partir d'une source laser élimine la demande de synchronisation temporelle active entre ces impulsions. Ce travail présente un guide détaillé pour la mise en place et l'exploitation d'un amplificateur régénérateur Yb: YAG en disque mince, basé sur l'amplification des impulsions chirpées (CPA), en tant que source de pompe pour un amplificateur paramétrique optique à impulsions chirpées.
Introduction
La génération d'impulsions laser à haute énergie et à quelques cycles à un taux de répétition élevé est d'un grand intérêt pour les champs appliqués, tels que les sciences attosecondes 1 , 2 , 3 , 4 et la physique des champs 5 , 6 , qui bénéficient directement De la disponibilité de ces sources. L'OPCPA représente la voie la plus prometteuse pour atteindre des énergies à impulsions élevées et de grandes largeurs de bande d'amplification qui supportent simultanément des impulsions à quelques cycles 1 . À ce jour, OPCPA permet une amplification ultra-large bande, qui génère des impulsions à quelques cycles 7 , 8 , 9 , 10 . Cependant, une mise en œuvre modifiée du schéma OPCPA, qui utilise des impulsions de pompe courtes sur l'échelle de picoseconde, est prometteuse pourRendant cette approche évolutive pour des énergies d'impulsion encore plus élevées et des puissances moyennes dans le régime de quelques cycles 1 , 11 , 12 . En raison de l'intensité élevée de la pompe dans l'OPCPA à impulsion à impulsion courte, le gain à un seul passage permet l'utilisation de cristaux très minces pour supporter de grandes largeurs de bande d'amplification. Bien que l'OPCPA pompé à impulsions courtes présente de nombreux avantages, la réalisation de cette approche est soumise à la disponibilité des lasers spécialement adaptés à cet effet. De tels émetteurs laser de pompes sont nécessaires pour délivrer des impulsions de picoseconde à haute énergie avec une qualité de faisceau faiblement diffraction à des taux de répétition dans la plage de kHz à MHz 13 , 14 , 15 .
L'introduction de lasers dopés à l'ytterbium à différentes géométries, capables de délivrer des impulsions laser à la picoseconde à haute énergie et à une puissance moyenne élevée, Sont sur le point de changer l'état actuel du champ 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG a une bonne conductivité thermique et une longue durée de vie de l'état supérieur, et il peut être pompé par des lasers à diodes rentables. Sa performance lorsqu'elle est utilisée dans la géométrie des disques minces est exceptionnelle en raison du refroidissement efficace du moyen de gain pour augmenter simultanément le pic et la puissance moyenne. En outre, l'apparition d'auto-focalisation à l'intérieur du milieu de gain pendant le processus d'amplification est supprimée en raison de la minceur du disque mince par rapport à d'autres géométries de milieu de gain, ce qui donne lieu à d'excellents profils temporels et spatiaux des impulsions amplifiées. La combinaison de ce concept avec CPA est prometteuse pour générer des impulsions de picoseconde avec des centaines de millijoules d'énergie et des centainesDe watts de puissance moyenne 19 , 20 .
Le but de ce travail est de démontrer un amplificateur régénérateur Yb: YAG à disque mince avec une performance quotidienne remarquable comme source appropriée pour le pompage des OPCPA 21 . Pour atteindre cet objectif, cette étude utilise un oscillateur à disque mince Yb: YAG 22 avec plusieurs microjoules d'énergie impulsionnelle pour semer l'amplificateur afin de minimiser la phase non linéaire accumulée pendant le processus d'amplification. Ce protocole fournit la recette pour la construction et l'exploitation du système laser, qui est décrit ailleurs 21 . Des détails sur les logiciels de mise en œuvre et de contrôle des composants sont présentés et le processus d'alignement du système est décrit.
Protocol
Attention: soyez conscient de toutes les règles de sécurité applicables aux lasers avant d'utiliser cet équipement. Évitez l'exposition des yeux ou de la peau aux rayons laser directs ou dispersés. Portez des lunettes de sécurité laser appropriées tout au long de la procédure.
Figure 1 : Mise en page schématique de l'amplificateur regeneratif Yb: YAG thin-disk. (A) Yb: oscillateur verrouillé en mode-YAG Kerr-lentille mince disque. La cavité linéaire de 13 m de l'oscillateur se compose d'un coupleur de sortie de transmission de 13%, de trois miroirs à grande dispersion avec GDD de -3 000 fs 2 , d'un milieu Kerr saphir de 1 mm et d'une ouverture dure en cuivre. Un sélecteur d'impulsion, contenant un cristal BBO de 25 mm d'épaisseur, est utilisé pour réduire le taux de répétition à 5 kHz. ( B ) CPA. Premier bloc: la configuration de la cadence d'impulsion contenantG deux réseaux d'or antiparallèles (1 740 lignes / mm), où les impulsions de graines sont étirées temporairement à environ 2 ns. Deuxième bloc: l'amplificateur régénératif, où l'impulsion de semence est confinée dans la cavité de l'amplificateur pour l'amplification lorsque la haute tension de la cellule Pockels, qui contient un cristal BBO d'une épaisseur de 20 mm, est appliquée. Troisième bloc: le compresseur à impulsions contenant deux réseaux diélectriques parallèles (1,740 lignes / mm), où les impulsions amplifiées sont comprimées temporairement jusqu'à 1 ps. Ce chiffre a été modifié de Fattahi et al. , Avec l'autorisation de la référence 21 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Composant | ROC | Distance |
| (Mm) | (Mm) | |
| OC | ∞ | 0 |
| TD | -17000 | 600 |
| M 1 | -1000 | 5000 |
| BP | ∞ | 510 |
| M 2 | -1000 | 510 |
| EM | ∞ | 800 |
Tableau 1: Conception de cavité de l'oscillateur. ROC: rayon de courbure, OC: coupleur de sortie, TD: disque mince, M: miroir, BP: plaque Brewster, EM: miroir fin.
Figure 2 : conception de la cavité de l'oscillateur. Rayon de mode calculé sur les composants de la cavité. OC: coupleur de sortie, TD: disque mince, M: miroir, BP: Brewster plaTe, EM: miroir fin. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Composant | ROC | Distance |
| (Mm) | (Mm) | |
| EM 1 | ∞ | 0 |
| PC | ∞ | 200 |
| M 1 | -5000 | 525 |
| M 2 | 1500 | 1500 |
| TD | -2000 | 1050 |
| EM 2 | -2000 | 2350 |
Tableau 2: Conception de cavité de l'amplificateur régénératif. ROC: rayon de courbure, EM: miroirRor, PC: cellule Pockels, M: miroir, TD: disque fin.
Figure 3 : conception de la cavité de l'amplificateur régénératif. Rayon de mode calculé sur les composants de la cavité. EM: miroir de fin, PC: cellule Pockels, M: miroir, TD: disque fin. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
1. Oscillateur
- Allumez l'eau de refroidissement de l'oscillateur ( Figure 1a ).
- Allumez les refroidisseurs de refroidissement pour refroidir les diodes de la pompe, la tête du disque mince et la platane. Réglez la température sur les deux refroidisseurs à 20 ° C.
- Allumez l'alimentation de l'unité de diode de la pompe (voir la Table des matériaux , n ° 1) et cliquez sur "OUT"PUT ON / OFF ".
NOTE: Un logiciel de simulation de la cavité laser (voir la Table des matériaux , n ° 113) a été utilisé pour simuler et concevoir l'oscillateur et la cavité de l'amplificateur régénératif (tableau 1 et tableau 2, figure 2 et figure 3 ) 23 . - Pomper le disque mince (voir la Table des matériaux , n ° 14) via la fibre couplée à une longueur d'onde de 940 nm en réglant le bouton "courant" sur l'alimentation à 26.2 A, correspondant à la sortie de 210 W, à Démarrez le laser dans l'oscillateur en mode veille continue (CW).
- Pour observer le spectre de sortie du mode CW, connectez une fibre au spectromètre et placez-le avant le sélecteur d'impulsions après avoir utilisé une atténuation appropriée.
- Dans le logiciel du spectromètre, sélectionnez l'onglet "Spectromètre", puis cliquez sur "Rescan Devices".
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur le nom du spectromètreEt sélectionnez "Spectrum Graph".
- Cliquez sur le bouton "Accepter" dans la fenêtre "Choisir la cible".
- Après avoir bloqué le faisceau laser, cliquez sur le bouton "Store Dark Spectrum" sur la barre d'outils et cliquez sur le bouton "Scope Minus Dark" pour soustraire le spectre d'arrière-plan.
- Débloquer le faisceau laser pour observer le spectre.
- Observez la puissance de sortie du mode CW sur le compteur d'énergie avant le sélecteur d'impulsion.
- Pour faire fonctionner l'oscillateur en mode pulsé et pour déclencher le verrouillage du mode, perturber le miroir à haute réflectivité à l'intérieur de la cavité laser (sur un étage de translation) en poussant mécaniquement le plateau depuis le dos Figure 1a ).
REMARQUE: Des rétroviseurs à haute réflectivité avec un seuil de dommage élevé ont été utilisés dans l'oscillateur et la cavité de l'amplificateur régénératif (voir la Table des matériaux , n ° 24 et 28). - Observez le spectre et la puissance de sortie du m pulséOde avant le sélecteur d'impulsions à l'aide d'un spectromètre et d'un compteur de puissance, respectivement.
NOTE: La sortie de l'oscillateur a 25 W de puissance moyenne à une longueur d'onde de 1 030 nm, un taux de répétition de 11 MHz et une bande passante spectrale de 4 nm (FWHM). Si l'optimisation de l'oscillateur n'est pas nécessaire, ignorez les étapes 1.9-1.14. - Augmente légèrement le courant de l'alimentation jusqu'à ce qu'une pointe CW apparaisse dans le spectre mesuré par le spectromètre.
- Alignez l'ouverture dure dans l'oscillateur (voir la figure 1a ) en réglant ses vis micrométriques verticalement et horizontalement pour maximiser la pointe CW.
- Observez l'épuisement du profil du faisceau de pompe sur le disque mince.
- Exécutez le programme de la caméra disque et sélectionnez "Monochrome" dans la fenêtre "Choisir le mode".
- Cliquez sur le bouton "Ouvrir la caméra" sur la barre d'outils pour observer le point du faisceau sur le disque mince.
- Accorder les actionneurs piézo-linéaires du miroir de fin (Boutons motorisés) en appuyant sur le bouton "+" ou "-" sur le moteur vertical ou horizontal du pavé de commande manuelle pour aligner cette épuisement au centre du profil du faisceau de la pompe.
- Réduisez légèrement le courant de l'alimentation jusqu'à ce que la pointe CW disparaisse dans le spectre.
- Répétez les étapes de 1.9-1.13 jusqu'à ce qu'un spectre et une puissance de sortie semblables aux niveaux de référence obtenus soient atteints (voir le spectre mesuré à la Figure 4a (courbe rouge) à 25 W de puissance moyenne).
- Pour observer le train d'impulsions de sortie et pour déterminer la stabilité de l'impulsion à l'impulsion, connectez une photodiode rapide à un oscilloscope et placez-le avant le sélecteur d'impulsions (après avoir utilisé une atténuation appropriée).
- Sélectionnez un niveau de déclenchement approprié en réglant le bouton "niveau de déclenchement" sur l'oscilloscope pour stabiliser les formes d'onde répétitives et observer le train d'impulsions de sortie sur l'écran de l'oscilloscope.
- À partir de E "Mesurer", sélectionnez "Peak to Peak Amplitude" pour déterminer la stabilité de l'impulsion à l'impulsion.
- Observez le profil du faisceau de sortie avant le sélecteur d'impulsions et déterminez les fluctuations de pointage du faisceau.
- Exécutez le logiciel profiler le faisceau et cliquez sur le bouton "Aller, commencez la capture" de la barre d'outils pour observer le profil du faisceau.
- Dans la barre d'outils, ouvrez la boîte de dialogue "errer", puis cliquez sur le bouton "effacer" pour démarrer une nouvelle mesure de stabilité par pointage de faisceau.
REMARQUE: Les fluctuations du faisceau ou un profil de faisceau déformé (causé par des dommages optiques, des coupures de faisceau, etc. ) peuvent détériorer la stabilité du système.
- Mesurer la durée de l'impulsion en utilisant un affichage optique résolu en fonction de la génération de deuxième harmonique (SHG-FROG) 21 , 24 .
2. Sécheur d'impulsion et balai d'impulsion
Contenu "> REMARQUE: Attention, soyez conscient de toutes les réglementations de sécurité électrique pertinentes avant d'appliquer la haute tension sur le sélecteur d'impulsions. Utilisez une isolation haute tension appropriée. Retirez les diagnostics du chemin du faisceau avant de procéder à cette section. Si vous alignez le sélecteur d'impulsions Et son réglage n'est pas nécessaire, ignorez les étapes 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 et 2.11.- Utilisez deux miroirs avant la configuration du sélecteur d'impulsions pour aligner le faisceau de sortie de l'oscillateur à travers l'unité de sélecteur d'impulsions (voir la Table des matériaux , n ° 5 et 7) et son cristal de borate de baryum baryum (BBO) de 25 mm d'épaisseur (voir le Table des matières , n ° 12) à l'aide de la visionneuse infrarouge et de la carte de visualisation laser ( Figure 1a ).
- Exécutez le programme de sélection d'impulsions sur l'ordinateur de l'oscillateur.
- Observez le signal de commutation du sélecteur d'impulsions et le train d'impulsions de l'oscillateur sur l'oscilloscope (voir l'étape 1.15) à l'aide d'un photographe rapideOdiode.
- Dans le programme de sélection d'impulsions, régler le temps de retard (délai A) à partir de la boîte de dialogue "définir les paramètres de retard" pour synchroniser le signal de commutation et le train d'impulsions au cristal de sélection d'impulsion.
- Réglez la fenêtre de temps de commutation (délai B) dans la boîte de dialogue "définir les paramètres de retard" pour sélectionner une impulsion du train d'impulsions.
- Réglez le temps de déclenchement interne (inhiber) de la boîte de dialogue "définir les paramètres de retard" à 200 μs pour sélectionner une impulsion tous les 5 kHz.
- Réduisez le taux de répétition de l'oscillateur de 11 MHz à 5 kHz en allumant l'alimentation du variateur d'impulsions sur "on" pour appliquer une haute tension au cristal.
- Sélectionnez les impulsions sélectionnées dans le train d'impulsions en utilisant un polariseur à film mince (TFP) (voir la Table des matières , n ° 31) après le sélecteur d'impulsions et vidagez les impulsions restantes dans une décharge de faisceau.
- Améliorer le contraste des impulsions sélectionnées en ajustant la plaque à demi-onde (seE la Table des matériaux , n ° 32) avant le sélecteur d'impulsion.
- Réduisez la puissance de crête de l'impulsion laser en passant les impulsions sélectionnées à travers la configuration du brancard pour étirer les impulsions jusqu'à une durée de 2 ns (voir la figure 1a- b ).
- Utilisez deux rétroviseurs après la configuration du sélecteur d'impulsions pour aligner les impulsions sélectionnées dans la configuration du brancard, si nécessaire.
REMARQUE: Le brancard contient deux réseaux d'or antiparallèles (voir la Table des matériaux , n ° 20 et 21) avec une densité de ligne de 1,740 lignes / mm pour étirer les impulsions jusqu'à une durée de 2 ns pour éviter d'endommager l'optique pendant le processus d'amplification Dans l'amplificateur régénératif en raison d'une intensité de pointe élevée. Ces impulsions sont utilisées pour semer l'amplificateur régénératif, comme décrit dans la section suivante ( Figure 1b , haut).
3. Amplificateur régénératif
Mise en garde; Soyez conscient de tousDes consignes de sécurité électrique pertinentes avant d'appliquer la haute tension à la cellule de Pockels. Utilisez une isolation haute tension appropriée. Supprimez les diagnostics du chemin du faisceau avant de procéder à cette section. Les impulsions de graines sont délivrées à partir de l'oscillateur verrouillé en mode Kerr-lens de Yb: YAG. D'autres stratégies de semences peuvent être utilisées pour semer l'amplificateur, comme les amplificateurs à fibre optique.
- Allumez l'eau de refroidissement de l'amplificateur régénératif ( Figure 1b , milieu).
- Allumez les refroidisseurs de refroidissement pour refroidir les diodes de la pompe, le disque mince, la tête laser et la cellule Pockels. Réglez la température des refroidisseurs à 28 ° C, 17 ° C et 18 ° C, puis activez le système de verrouillage.
REMARQUE: Le faisceau de graines mal aligné peut détériorer la stabilité de l'amplificateur. Si l'alignement de l'amplificateur régénératif n'est pas nécessaire, ignorez les étapes 3.3-3.13 et 3.25. - Allumez l'alimentation de l'unité de diode de la pompe (voir la Table de MateriAls, n ° 2), puis cliquez sur le bouton "OUTPUT ON / OFF".
- Pomper le disque mince via la fibre couplée à une longueur d'onde de 940 nm en réglant le bouton "courant" sur l'alimentation du seuil.
- Observez le profil du faisceau de la pompe sur le disque en utilisant la caméra disque (voir l'étape 1.11) et sélectionnez "Cercle géométrie" sur le menu "Dessiner" du programme caméra disque pour marquer la position du faisceau dans le programme de la caméra.
- Réduisez le courant d'alimentation à zéro, puis cliquez sur le bouton "OUTPUT ON / OFF". Éteignez l'alimentation de l'unité de diode de la pompe.
- Utilisez deux miroirs avant l'amplificateur régénératif pour aligner le faisceau de sortie du brancard (impulsions de graines) par l'optique d'incolore dans l'amplificateur régénératif pour atteindre le miroir de première extrémité (derrière la cellule de Pockels). Utilisez le profileur de faisceau, la visionneuse infrarouge et la carte de vision laser pour vous aider.
- Fermez la cavité de l'amplificateur en tournant le quartPlaque er-wave (voir la Table des matériaux , n ° 33), derrière la cellule Pockels, éliminant le faisceau laser à l'intérieur de la cavité.
- Réglez les boutons motorisés du miroir de première extrémité en appuyant sur le bouton "+" ou "-" sur le moteur vertical ou horizontal (conducteur 1) du pavé de commande manuelle pour aligner le faisceau de sortie.
- Ouvrez la cavité de l'amplificateur en tournant la plaque quart d'onde (derrière la cellule Pockels) jusqu'à ce que l'intensité maximale du faisceau laser soit atteinte à l'intérieur de la cavité. Bloquez le faisceau rétro-réfléchi du miroir de la seconde extrémité.
- Observez le profil du faisceau des impulsions de graines sur le programme de la caméra disque et chevaucher le faisceau avec la position marquée en réglant les boutons d'un des miroirs de cavité avant le disque mince.
- Débloquer le faisceau rétro-réfléchi et observer sa place sur le programme de la caméra disque.
- Réglez les boutons motorisés du miroir de la deuxième extrémité en appuyant sur le bouton "+" ou "-" pour la verticale ou l'horizontaleMoteur (conducteur 2) sur le cadran de contrôle de la main pour chevaucher la réflexion arrière avec la position marquée.
- De l'ordinateur cellulaire Pockels, exécutez le programme de cellules Pockels.
REMARQUE: si le réglage de la cellule Pockels n'est pas nécessaire, ignorez les étapes 3.15-3.18. - Observez le signal de commutation de la cellule Pockels (voir la Table des matériaux , n ° 6 et 8) et les impulsions de graines sur l'oscilloscope (voir étape 1.15) à l'aide d'une photodiode rapide ( Figure 1b , milieu).
- Dans le programme de cellule Pockels, réglez le temps de retard (délai A) à partir de la boîte de dialogue "définir les paramètres de retard" pour synchroniser la commutation de la cellule Pockels et les impulsions de graines au cristal cellulaire Pockels.
- Réglez la fenêtre de temps de commutation (délai B) dans la boîte de dialogue "définir les paramètres de retard" pour limiter une impulsion à l'intérieur de la cavité de l'amplificateur régénératif à 4 μs, ce qui correspond à 87 tours de la pulsation.
- Définir le déclenchement interneR time (inhibit) de la boîte de dialogue "définir les paramètres de retard" à "200 μs" pour limiter le débit à une impulsion toutes les 5 kHz.
- Allumez l'alimentation du pilote de pile Pockels pour appliquer la haute tension sur le cristal.
- Allumez l'alimentation de l'unité de diode de la pompe et cliquez sur le bouton "OUTPUT ON / OFF".
- Pour amplifier les impulsions de graines dans l'amplificateur régénératif, pomper le disque mince en réglant le bouton "actuel" sur l'alimentation à 57,7 A, correspondant à 280 W.
REMARQUE: Le faisceau amplifié est séparé du faisceau de graines par la combinaison d'un rotateur Faraday (voir la Table des matériaux , n ° 19) et une TFP. L'oscillateur Yb: YAG est protégé de la réflexion arrière du faisceau amplifié par un isolateur (voir la Table des matériaux , n ° 18).
REMARQUE: Gardez le fonctionnement de la cellule Pockels et de l'unité de diode de la pompe dans l'ordre mentionné ci-dessus pour éviter d'endommager l'optique par la commutation Q. - Observez le spectre et la puissance de sortie (voir les étapes 1.5 et 1.6) avant le compresseur.
REMARQUE: la sortie de l'amplificateur a 125 W de puissance moyenne à une longueur d'onde de 1 030 nm, un taux de répétition de 5 kHz et une bande passante spectrale de 1 nm (FWHM). - Observez le train d'impulsions de sortie avant le compresseur sur l'écran de l'oscilloscope et déterminez la stabilité de l'impulsion à l'impulsion à l'aide d'une photodiode rapide (voir l'étape 1.15).
- Observez le profil du faisceau de sortie avant le compresseur et déterminez les fluctuations du faisceau (voir l'étape 1.16).
- Ajustez les boutons motorisés du miroir de la deuxième extrémité en appuyant sur le bouton "+" ou "-" sur le moteur vertical ou horizontal (conducteur 2) du pavé de commande manuelle pour améliorer le fonctionnement de l'amplificateur régénératif, si nécessaire.
- Caractériser l'effet de réduction de gain.
- Considérons l'amplification pour différents niveaux d'énergie de semences en ajustant l'énergie de semence avec neutraFiltres de densité l.
- Modifiez le nombre de tours aller pour obtenir la puissance de sortie la plus élevée pour une puissance de pompe fixe de 300 W.
- Observez le spectre de sortie pour chaque cas.
4. Compresseur d'impulsion, alignement de faisceau et système de stabilisation
REMARQUE: Retirez les diagnostics du chemin du faisceau avant de procéder à cette section. Si l'alignement du compresseur et de l'unité de stabilisation du faisceau n'est pas nécessaire, ignorez les étapes 4.3 et 4.6.
- Tournez le support de rotation motorisé de la plaque à demi-onde (dans le chemin de sortie) en appuyant sur le bouton "+" ou "-" du moteur A (pilote 5) du pavé de commande manuelle pour envoyer quelques watts de sortie de l'amplificateur Au compresseur ( Figure 1b , en bas).
- Compressez l'impulsion laser jusqu'à 1 ps en faisant passer le faisceau amplifié à travers la configuration du compresseur.
- Utilisez deux miroirs après la configuration de l'amplificateur régénératif pour aligner l'amplificateurD augmente la configuration du compresseur, si nécessaire.
REMARQUE: Le compresseur contient deux réseaux diélectriques parallèles (voir la Table des matériaux , n ° 22 et 23), avec une densité de ligne de 1 740 lignes / mm. - Allumez l'alimentation de l'unité de stabilisation du faisceau (voir la Table des matières , n ° 98). Exécutez le programme de stabilisation du faisceau sur l'ordinateur stabilisateur de faisceau.
- Utilisez deux miroirs avant la configuration du détecteur du stabilisateur de faisceau pour aligner la diffraction d'ordre zéro du premier réseau dans le compresseur aux détecteurs du stabilisateur de faisceau.
- Appuyez sur le bouton "Régulation" sur le programme de stabilisation du faisceau pour verrouiller le faisceau laser pour éviter la dérive du faisceau après le compresseur. Tournez à nouveau la plaque à demi-onde motorisée pour passer la puissance de sortie complète de l'amplificateur à travers le compresseur. Réglez le gain des détecteurs du stabilisateur de faisceau à l'aide d'un filtre de densité neutre.
- Caractériser la durée de temps de la p compresséeUlses à l'aide de SHG-FROG 21 , 24 .
5. Source de la pompe du système OPCPA
REMARQUE: Retirez les diagnostics du chemin du faisceau avant de procéder à cette section.
- À partir de l'ordinateur OPCPA, exécutez le programme du profileur de faisceau.
- Collimate et ajustez la taille du faisceau laser après le compresseur, en utilisant un télescope approprié pour atteindre l'intensité maximale de 80 GW / cm 2 . Utilisez le profileur de faisceau, la visionneuse infrarouge et la carte de vision laser.
REMARQUE: Un cristal BBO de 1,5 mm d'épaisseur a été sélectionné pour SHG en fonction des résultats de la simulation effectuée sur le code de simulation du système de simulation pour les sciences optiques (SISYFOS) 25 . - Guidez le faisceau fondamental (1 030 nm) à travers un cristal non linéaire (BBO 1,5 mm d'épaisseur, voir la Table des matériaux , n ° 54) pour générer le second harmonique (SH) à 515 nm.
- Séparez le faisceau SH de l'unconveIrradié en plaçant un séparateur harmonique à 45 o (voir la Table des matériaux , n ° 56) après le cristal.
REMARQUE: Le faisceau SH est réfléchi par le séparateur harmonique, tandis que le faisceau fondamental non converti est transmis. - Optimisez précisément l'angle de correspondance de phase du SH en réglant le bouton de la monture de cristal pour atteindre le rendement de conversion le plus élevé du SH (70% correspondant à 70 W).
- Observez la puissance du SH et les faisceaux fondamentaux non convertis sur les compteurs de puissance (voir l'étape 1.6).
- Observez le profil du faisceau gaussien du SH et les faisceaux fondamentaux non convertis (voir l'étape 1.16).
- Caractériser la forme temporelle des impulsions SH en utilisant la liaison optique résolue en fréquence de corrélation croisée (XFROG) 21 , 24 .
Representative Results
L'oscillateur délivre des impulsions de 350 fs, 2 μJ, 25-W au taux de répétition de 11 MHz, avec une impulsion-impulsion de 1% (rms) et des fluctuations de pointage de faisceau inférieures à 0,6% sur 1 h de mesure ( Figure 4 ).
Figure 4 : Yb: YAG thin-disk, oscillateur verrouillé en mode Kerr-lens. (A) Le spectre (rouge), le profil d'intensité temporelle récupérée (bleu), et le profil spatial (encart) des impulsions d'oscillateur. ( B ) Spectrographie SHG-FROG mesurée et récupérée de l'oscillateur. Ce chiffre a été modifié de Fattahi et al. , Avec la permission de la référence 21 .> Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Les impulsions de graines sont amplifiées dans l'amplificateur régénératif à 125 W tout en étant pompées avec une diode à fibre optique CW à une longueur d'onde de 940 nm à 280 W, ce qui correspond à un rendement optique à optique de 47%. La stabilité de l'impulsion à l'impulsion de l'amplificateur est inférieure à 1%, et l'amplificateur présente une excellente stabilité à long terme après 10 heures de fonctionnement continu. Le faisceau amplifié a un excellent profil spatial, avec un M 2 de 1 (M 2 x = 1,08 et M 2 y = 1,07) et un excellent profil temporel après compression à 1 ps (à FWHM) ( Figure 5 ).
Figure 5 : Caractérisation de l'amplificateur régénératifLa sortie et l'effet de réduction de gain. (A) La stabilité de l'amplificateur régénératif puissance moyenne au bout de 10 h de fonctionnement continu. Insertion: ( a-1 ) Puissance normalisée à sa valeur moyenne dans une fenêtre temporelle de 0,5 h; (A -2 ) Profil de faisceau de sortie de l'amplificateur régénératif. ( B ) Le spectre de sortie de l'amplificateur (vert) et l'intensité temporelle récupérée (bleu) des impulsions laser à une puissance moyenne de 100 W après le compresseur de réseau. ( C ) L'énergie des semences par rapport à la bande passante spectrale (FWHM) de la sortie de l'amplificateur et les déplacements aller-retour requis pour la même puissance moyenne de sortie à 300 W de la puissance de la pompe. Ce chiffre a été modifié de Fattahi et al. , Avec la permission de la référence 21 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
25 . Deux cristaux différents avec les paramètres suivants ont été considérés: 1) un triborate de lithium de type I, 6 mm d'épaisseur (LBO), avec un angle de concordance de phase de 13,7 ° et un coefficient non linéaire de 0,819 pm / V et 2) a BBO de type I, 3 mm d'épaisseur avec un angle de correspondance de phase de 23,4 ° et un coefficient non linéaire de 2 pm / V 26 , 27 . Les impulsions de 1-ps, 20-mJ à 1 030 nm et une intensité maximale de 100 GW / cm 2 ont été considérées comme l'entrée de la simulation. Les résultats de la simulation ont montré que la performance BBO était supérieure à celle du LBO pour SHG ( Figure 6 ).
Figure 6 : Génération de deuxième harmonique. (A) Simulated SHG èneRgy pour un cristal LBO de 6 mm d'épaisseur et un cristal BBO de 3 mm d'épaisseur. ( B ) L'efficacité SHG expérimentale par rapport à l'intensité du pic de la pompe d'entrée dans un cristal BBO de 1,5 mm d'épaisseur utilisant 0,5 mJ (noir) et 20 mJ (vert) de la sortie de l'amplificateur. ( C ) L'intensité spectrale récupérée et ( d ) le retard de groupe des mesures XFROG pour différentes efficacités SHG correspondant aux points A, B et C dans (b). Ce chiffre a été modifié de Fattahi et al. , Avec l'autorisation de la référence 21 . Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Discussion
L'opération clé en main de l'oscillateur est assurée par la gestion optimale de la chaleur des différents composants du laser. La sortie de l'oscillateur est reproductible quotidiennement, sans besoin d'alignement supplémentaire ou d'optimisation. En outre, la stabilité de l'impulsion-impulsion et la stabilité de pointage spatiale du laser à graines remplissent les conditions préalables à la réalisation d'un fonctionnement stable de l'amplificateur régénératif.
D'autres sources de graines à faible énergie, telles que des amplificateurs à fibres, peuvent être utilisées pour semer l'amplificateur. Dans cette étude, on a utilisé un oscillateur KLM à faible épaisseur Yb: YAG de 2 μJ pour aider à l'amplification de l'amplificateur régénératif en réduisant la croissance des phases non linéaires accumulées, car le nombre requis de déplacements aller-retour est réduit pour l'énergie de graines d'entrée supérieure . De plus, l'énergie de semences supérieure influence le processus d'amplification et réduit le rétrécissement des gains. La largeur de bande spectrale mesurée de la pulsation amplifiéeEs pour différentes énergies de semences à une puissance de pompe fixe est représentée sur la figure 5c . La largeur de bande spectrale amplifiée diminue pour les énergies de graines inférieures en raison du rétrécissement des gains. Pour 10 pJ d'énergie de graines, le laser opère pendant la période doublée, et il n'est pas possible d'atteindre un fonctionnement stable, même en augmentant le nombre de déplacements aller-retour. En plus de l'optimisation soigneuse des systèmes de refroidissement et de l'alimentation des diodes, le fonctionnement de l'amplificateur régénératif à saturation joue un rôle majeur dans la stabilité de l'amplificateur.
La base ou la seconde harmonique du laser peuvent être utilisées pour pomper un système OPCPA. Pour SHG, les performances d'un LBO et d'un cristal BBO ont été comparées, car elles offrent un coefficient non linéaire élevé et un seuil de dégâts, en dépit d'une plus grande distance spatiale et de l'ouverture disponible limitée dans le cas de BBO. Comme le coefficient non linéaire de BBO est presque deux fois supérieur au LBO, un cristal plus court suffitPour atteindre la limite de saturation pour SHG ( Figure 6a ). Par conséquent, BBO est le choix le plus approprié, car la phase non linéaire accumulée est inférieure à 28 .
Les durées d'impulsion des impulsions SH sont caractérisées expérimentalement à différentes efficacités de conversion. On a observé qu'à haute efficacité de conversion, le spectre SHG est élargi et une phase spectrale d'ordre supérieur apparaît ( figure 6 ). Par conséquent, le cas B, avec l'efficacité de conversion de 70%, est choisi là où le SH et les faisceaux fondamentaux non convertis conservent une excellente qualité.
Disclosures
Les auteurs n'ont rien à dévoiler.
Acknowledgments
Nous tenons à remercier le Professeur Ferenc Krausz pour les discussions et Najd Altwaijry pour son soutien à la finalisation du manuscrit. Ce travail a été financé par le Centre for Advanced Laser Applications (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
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