Summary
Een protocol voor de werking van een high-energy, high-power optische parametrische chirped pulsversterkerpompbron op basis van een Yb: YAG thin-disk regeneratieve versterker wordt hier weergegeven.
Abstract
Dit is een rapport op een regeneratieve versterker van 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG. Een zelfgemaakte Yb: YAG dunne schijf, Kerr-lens-mode-vergrendelde oscillator met draaischakelprestatie en microjoule-niveau pulsenergie wordt gebruikt om de regeneratieve chirped-pulsversterker te zaaien. De versterker is in een luchtdichte behuizing geplaatst. Het werkt bij kamertemperatuur en vertoont stabiele werking bij een herhalingssnelheid van 5 kHz, met een puls-tot-pulsstabiliteit van minder dan 1%. Door gebruik te maken van een 1,5 mm dik bitaire boriumkristal, wordt de frequentie van de laseruitgang verdubbeld tot 515 nm, met een gemiddelde vermogen van 70 W, die overeenkomt met een optische-naar-optische efficiency van 70%. Deze superieure prestatie maakt het systeem een aantrekkelijke pompbron voor optische parametrische chirped-pulse versterkers in het bijna infrarood en midden infrarood spectraal bereik. Het combineren van de key-key prestaties en de superieure stabiliteit van de regeneratieve versterker, vergemakkelijkt het systeem de opwekking van een breedband, CEP-stabielzaad. Het verschaffen van het zaad en de pomp van de optische parametrische chirped-pulsversterking (OPCPA) van een laserbron elimineert de vraag naar actieve temporale synchronisatie tussen deze pulsen. Dit werk bevat een gedetailleerde handleiding voor het opzetten en bedienen van een regeneratieve versterker Yb: YAG op dunne schijf, gebaseerd op gecorpuleerde pulsversterking (CPA), als pompbron voor een optische parametrische chirped-pulse versterker.
Introduction
De opwekking van hoog-energie-, paar-cyclische laserpulsen met een hoge herhalingssnelheid is van groot belang voor toegepaste velden, zoals Attosecond Science 1 , 2 , 3 , 4 en High-Field Physics 5 , 6 , die rechtstreeks kunnen profiteren Van de beschikbaarheid van dergelijke bronnen. OPCPA vertegenwoordigt de meest veelbelovende route om hoge pulsergieën en grote versterkingsbandbreedten te bereiken die tegelijkertijd paarcycluspulsen 1 ondersteunen . Tot op heden zorgt OPCPA voor ultra-breedband versterking, die een paar cycluspulsen 7 , 8 , 9 , 10 genereert. Een gewijzigde implementatie van het OPCPA-schema, dat gebruik maakt van korte pompimpulsen op de picosecondeskaal, houdt echter een belofte voorWaardoor deze aanpak schaalbaar is voor nog hogere pulsenergieën en gemiddelde krachten in het paarcyclusregime 1 , 11 , 12 . Door de hoge pompintensiteit in kortpomppompen OPCPA maakt de hoge single-pass-gain het gebruik van zeer dunne kristallen om grote versterkingsbandbreedtes te ondersteunen. Hoewel de OPCPA met kortpompen veel voordelen heeft, is de realisatie van deze aanpak afhankelijk van de beschikbaarheid van lasers die speciaal voor dit doel zijn aangepast. Dergelijke pomplasers moeten hoge-energie-picoseconde pulsen leveren met een beperkte straalkwaliteit met bijna diffractie bij herhalingssnelheden in het kHz-MHz-bereik 13 , 14 , 15 .
De introductie van ytterbium-gedoteerde lasers op verschillende geometrieën, die in staat zijn om picoseconde laserimpulsen met hoge energie en hoge gemiddelde kracht te leveren, Staan op het punt om de huidige toestand van het veld 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 te wijzigen . Yb: YAG heeft een goede warmtegeleiding en een lange levensduur van de bovenstand, en kan worden gepompt door kosteneffectieve diode lasers. De prestaties ervan bij gebruik in de geometrische dunne schijf zijn uitstekend dankzij de efficiënte afkoeling van het winstmedium om de piek- en gemiddelde vermogen tegelijkertijd te schalen. Bovendien wordt het voorkomen van zelffocusing binnen het versterkingsmedium tijdens het amplificatieproces onderdrukt door de slankheid van de dunne schijf in vergelijking met andere winstmedia-geometrieën, wat resulteert in uitstekende temporale en ruimtelijke profielen van de versterkte pulsen. Door dit concept te combineren, heeft CPA een belofte voor het genereren van picoseconde pulsen met honderden millijoules energie en honderdenVan watt met gemiddelde kracht 19 , 20 .
Het doel van dit werk is om een wervelende Yb: YAG dunne schijf regeneratieve versterker te demonstreren met uitstekende dagelijkse prestaties als een geschikte bron voor het pompen van OPCPAs 21 . Om dit doel te bereiken, gebruikt deze studie een Yb: YAG thin-disk oscillator 22 met meerdere microjoule pulsenergie om de versterker te zaaien om de geaccumuleerde niet-lineaire fase tijdens het amplificatieproces te minimaliseren. Dit protocol bevat het recept voor het bouwen en bedienen van het lasersysteem, dat elders beschreven is 21 . Details over component implementatie en controle software worden gepresenteerd, en het uitlijnproces van het systeem wordt beschreven.
Protocol
Let op: Let op alle veiligheidsvoorschriften die relevant zijn voor lasers voordat u deze apparatuur gebruikt. Vermijd blootstelling van de ogen of de huid aan directe of verspreide laserstralen. Draag alstublieft geschikte veiligheidsgordels voor de veiligheid van de laser.
Figuur 1 : Schematische indeling van de regeneratieve versterker Yb: YAG dunne schijf. (A) Yb: YAG dunne schijf Kerr-lens modevergrendelde oscillator. De 13 m lineaire holte van de oscillator bestaat uit een 13% transmissie uitgangskoppelaar, drie hoogdispersie spiegels met GDD van -3000 fs 2 , 1 mm saffier Kerr medium en een koper harde diafragma. Een pulsplukker, die een 25 mm dik BBO-kristal bevat, wordt gebruikt om de herhalingssnelheid tot 5 kHz te verminderen. ( B ) CPA. Eerste blok: de instelling van de pulsstokhouder bevatG twee antiparallelle gouden roosters (1,740 lijnen / mm), waarbij de zaadpulsen tijdelijk worden uitgerekt tot ongeveer 2 ns. Tweede blok: de regeneratieve versterker, waarbij de zaadpuls in de versterkerholte voor amplificatie wordt beperkt wanneer de hoge spanning van de Pockels-cel, die een BBO-kristal met een dikte van 20 mm bevat, wordt aangebracht. Derde blok: de pulskompressor die twee parallelle diëlektrische roosters bevat (1.740 lijnen / mm), waarbij de versterkte pulsen tijdelijk worden samengeperst naar 1 ps. Dit cijfer is gewijzigd van Fattahi et al. , Met toestemming van referentie 21 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| bestanddeel | ROC | Afstand |
| (mm) | (Mm) | |
| OC | ∞ | 0 |
| TD | -17.000 | 600 |
| M 1 | -1000 | 5000 |
| BP | ∞ | 510 |
| M 2 | -1000 | 510 |
| EM | ∞ | 800 |
Tabel 1: Cavity ontwerp van de oscillator. ROC: krommingsstraal, OC: uitgangskoppelaar, TD: dunne schijf, M: spiegel, BP: Brewster plaat, EM: eindspiegel.
Figuur 2 : Oscillator holte ontwerp. Berekende modusradius op de holtecomponenten. OC: uitgangskoppelaar, TD: dunne schijf, M: spiegel, BP: Brewster plaTe, EM: eindspiegel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| bestanddeel | ROC | Afstand |
| (Mm) | (Mm) | |
| EM 1 | ∞ | 0 |
| PC | ∞ | 200 |
| M 1 | -5000 | 525 |
| M 2 | 1500 | 1500 |
| TD | -2000 | 1050 |
| EM 2 | -2000 | 2350 |
Tabel 2: Cavity ontwerp van de regeneratieve versterker. ROC: krommingsstraal, EM: eindspiegelRor, PC: Pockels cel, M: spiegel, TD: dunne schijf.
Figuur 3 : Regeneratief versterker holte ontwerp. Berekende modusradius op de holtecomponenten. EM: eindspiegel, PC: Pockels cel, M: spiegel, TD: dunne schijf. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
1. Oscillator
- Zet het koelwater voor de oscillator aan ( figuur 1a ).
- Schakel de koelkoelers in om de pompdiodes, de dunne schijfkop en het broodbord af te koelen. Stel de temperatuur op beide chillers op tot 20 ° C.
- Schakel de voeding voor de pompdiode-eenheid in (zie de Tabel van Materialen , Nr. 1) en klik op de "OUT"PUT ON / OFF "knop.
OPMERKING: Een simulator van de laserholte (zie de tabel van materialen , nr. 113) werd gebruikt om de oscillator en de regeneratieve versterkerholte te simuleren en te ontwerpen (tabel 1 en tabel 2; figuur 2 en figuur 3 ) 23 . - Pomp de dunne schijf (zie de Tafel van Materialen , nr. 14) via de gekoppelde vezel bij een golflengte van 940 nm door de "huidige" knop op de voedingsspanning aan te zetten op 26,2 A, overeenkomend met de 210 W uitgang Start de lasing in de oscillator in de continue golf (CW) modus.
- Om het uitgangsspectrum van de CW-modus in acht te nemen, sluit een vezel aan op de spectrometer en plaats deze voor de pulspicker na gebruik van een passende demping.
- In spectrometer software selecteert u het tabblad "Spectrometer" en klikt u vervolgens op "Rescan Devices."
- Klik met de rechtermuisknop op de spectrometer naamEn selecteer "Spectrumgrafiek."
- Klik op de knop 'Accepteren' in het venster 'Kies doel'.
- Nadat u de laserstraal hebt geblokkeerd, klikt u op de knop "Dark Dark Spectrum" op de werkbalk en klikt u op de knop "Scope Minus Dark" om het achtergrondspectrum af te trekken.
- Ontgrendel de laserstraal om het spectrum te waarnemen.
- Let op de uitgangsvermogen van de CW-modus op de vermogensmeter voor de pulspijp.
- Om de oscillator in de pulserende modus te bedienen en om de modus vergrendeling te activeren, verstoord de spiegelreflector in de laserholte (in een vertaalfase) door het stadium van de achterkant van figuur 1a mechanisch te duwen.
OPMERKING: Hoge reflectiviteitsspiegels met een hoge schadedrempel werden gebruikt in de oscillator- en regeneratieve versterkerholte (zie de tabel van materialen , nr. 24 en 28). - Let op het spectrum en de uitgangsvermogen van de gepulseerde mOde voor de pulspicker met respectievelijk een spectrometer en een vermogenmeter.
OPMERKING: De oscillatoruitgang heeft 25 W gemiddelde vermogen bij een golflengte van 1.030 nm, een herhalingssnelheid van 11 MHz en een 4 nm spectrale bandbreedte (FWHM). Als er geen vereiste oscillatoroptimalisatie nodig is, sla de stappen 1.9-1.14 over. - Verhoog de stroom op de stroomtoevoer licht tot een CW-spike verschijnt in het spectrum gemeten door de spectrometer.
- Zet de harde opening in de oscillator uit (zie figuur 1a ) door de micrometerschroeven verticaal en horizontaal af te stemmen om de CW-piek te maximaliseren.
- Let op de uitputting van het pompbundelprofiel op de dunne schijf.
- Voer schijfcamera programma uit en selecteer "Monochroom" in het venster "kiesmodus".
- Klik op de knop 'Open camera' op de werkbalk om de straalvlek op de dunne schijf te observeren.
- Stel de piezo lineaire actuatoren van de eindspiegel af (Gemotoriseerde knoppen) door de "+" of "-" knop op de verticale of horizontale motor van het handbedieningspaneel te drukken om deze uitputting in het midden van het pompbundelprofiel in te stellen.
- Verlaag de stroom op de voedingsbron licht tot de CW-spijker in het spectrum verdwijnt.
- Herhaal stappen in 1.9-1.13 totdat een spectrum en een uitgangsvermogen vergelijkbaar met de verkregen referentieniveaus worden bereikt (zie het gemeten spectrum in Figuur 4a (rode bocht) bij 25 W gemiddelde vermogen).
- Om de uitgangspuls te observeren en de puls-tot-pulsstabiliteit te bepalen, sluit u een snelle fotodiode aan op een oscilloscoop en plaatst u deze voor de pulspicker (na gebruik van een passende demping).
- Selecteer een geschikt triggerniveau door de "trigger level" knop op de oscilloscoop af te stemmen om de herhalende golfvormen te stabiliseren en de uitgangspulsentrein op het oscilloscoopscherm te observeren.
- Van Th E "Meet" menu, selecteer "Peak to Peak Amplitude" om de puls-tot-pulsstabiliteit te bepalen.
- Let op het uitgangsbalkprofiel voor de pulspijler en bepaal de schijnbeveiligingsschommelingen.
- Voer de balkprofiel-software uit en klik op de knop "Ga, start opnemen" vanaf de werkbalk om het balkprofiel te observeren.
- Open de balkbalk van het gereedschapsbalk en klik op de knop "Clear" om nieuwe meetpunten op het gebied van stabiliteit van de balk te starten.
OPMERKING: Fluctuaties in de straal of een vertekend straalprofiel (veroorzaakt door optische schade, bundelclip, enz. ) Kunnen de stabiliteit van het systeem verminderen.
- Meet de pulsduur met behulp van frequentie opgeloste optische gating op basis van tweede harmonische generatie (SHG-FROG) 21 , 24 .
2. Pulse Picker en Pulse Stretcher
Inhoud "> OPMERKING: Let op, let op alle relevante elektrische veiligheidsvoorschriften voordat u de hoogspanning op de pulsplugmeter toepast. Gebruik geschikte isolatie van hoogspanning. Verwijder de diagnose van het straalpad voordat u verder gaat met dit gedeelte. En de instelling is niet nodig, sla de stappen 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 en 2.11 over.- Gebruik twee spiegels voor de instelling van de pulsplugter om de uitgangsstraling van de oscillator via de pulspijpeenheid (zie de Tabel van Materialen nr. 5 en 7) en zijn 25 mm dikke bèta-bariumboraat (BBO) kristal (zie de Table of Materials , No. 12) met behulp van de infrarood kijker en de laser kijkkaart ( Figuur 1a ).
- Voer het pulspijpprogramma op de oscillatorcomputer uit.
- Let op het schakelsignaal van de pulspijler en de pulstrein van de oscillator op de oscilloscoop (zie stap 1.15) met behulp van een snelle fotoodiode.
- Stel in het pulspijpprogramma de vertragingstijd (vertraging A) in van het dialoogvenster 'Definieer vertraging parameters' om het schakelsignaal en de pulstrein bij het pulspaletkristal te synchroniseren.
- Stel het schakeltijdvenster (vertraging B) in het dialoogvenster "Definieer vertraging parameters" om één puls van de pulstrein te selecteren.
- Stel de interne triggertijd (remmen) van het dialoogvenster 'Definieer vertraging parameters' in op 200 μs om één puls elke 5 kHz te kiezen.
- Verminder de herhalingssnelheid van de oscillator van 11 MHz tot 5 kHz door de stroomvoorziening van de pulsstuurprogramma te schakelen naar "aan" om hoogspanning aan het kristal toe te passen.
- Selecteer de gepulste pulsen uit de pulstrein met behulp van een dunne polarisator (TFP) (zie de tabel van materialen , nr. 31) na de pulspijler en druppel de resterende pulsen in een straaltje.
- Verbeter het contrast van de geplande pulsen door de halfgolfplaat aan te passen (zieE de Tafel van Materialen , nr. 32) voor de pulspijzer.
- Verminder de piekvermogen van de laserpuls door de gepulseerde pulsen door de dragerinstelling te passeren om de pulsen te verlengen tot een duur van 2 ns (zie Figuur 1a- b ).
- Gebruik twee spiegels na de instelling van de pulsplukker om de geplande pulsen door de dragerinstelling af te stemmen, indien nodig.
OPMERKING: De drager bevat twee antiparallelle gouden roosters (zie de Tabel van Materialen nr. 20 en 21) met een lijndichtheid van 1,740 lijnen / mm om de pulsen te verlengen tot 2 ns om de optiek tijdens het amplificatieproces te beschadigen In de regeneratieve versterker door een hoge piekintensiteit. Deze pulsen worden gebruikt om de regeneratieve versterker te zaaien, zoals beschreven in de volgende sectie ( Figuur 1b , bovenaan).
3. Regeneratieve versterker
Voorzichtigheid; Wees ervan bewust van allesRelevante elektrische veiligheidsvoorschriften voordat u de hoogspanning op de Pockels-cel toepast. Gebruik geschikte isolatie met hoge spanning. Verwijder de diagnose van het straalpad voordat u verder gaat met dit gedeelte. Zaadpulsen worden afgeleverd van de Yb: YAG dunne-schijf Kerr-lens mode-vergrendelde oscillator. Andere zaadstrategieën kunnen gebruikt worden om de versterker te zaaien, zoals vezelversterkers.
- Zet het koelwater aan voor de regeneratieve versterker ( Figuur 1b , midden).
- Schakel de koelkoelers in om de pompdiodes, de dunne schijf, de laserkop en de Pockels-cel af te koelen. Stel de temperatuur van de koelers in op 28 ° C, 17 ° C en 18 ° C en activeer vervolgens het vergrendelingssysteem.
OPMERKING: Onjuiste zaadbundel kan de stabiliteit van de versterker verslechteren. Als het regenereren van de regeneratieve versterker niet nodig is, sla de stappen 3.3-3.13 en 3.25 over. - Zet de voedingsspanning van de pompdiode-eenheid aan (zie tabel van MateriAls, nr. 2) en klik dan op de knop "OUTPUT ON / OFF".
- Pomp de dunne schijf via de gekoppelde vezel bij een golflengte van 940 nm door de "huidige" knop op de voeding op de drempel te zetten.
- Controleer het pompbundelprofiel op de schijf met behulp van de schijfcamera (zie stap 1.11) en selecteer "Cirkelmethode" in het menu "Draw" op het schijfcameraprogramma om de positie van de balk in het cameraprogramma te markeren.
- Verminder de stroomtoevoer naar nul en klik vervolgens op de knop "OUTPUT ON / OFF". Schakel de voeding van de pompdiode uit.
- Gebruik twee spiegels voor de regeneratieve versterker om de uitgangsstraling van de drager (zaadpulsen) uit te lijnen via de optiekoptiek in de regeneratieve versterker om de eerste-eindspiegel (achter de Pockels-cel) te bereiken. Gebruik de balkprofiel, de infrarood kijker en de laser kijkkaart om hierbij te helpen.
- Sluit de versterkerholte door de kwart te draaienErgolfplaat (zie de Tabel van Materialen , nr. 33), achter de Pockels-cel, waardoor de laserstraal in de holte wordt verwijderd.
- Stel de gemotoriseerde knoppen van de eerste-eindspiegel in door de "+" of "-" knop op de verticale of horizontale motor (bestuurder 1) van het handbedieningspaneel te drukken om de uitkoppelbundel in te stellen.
- Open de versterkerholte door de kwartwandplaat (achter de Pockels-cel) te draaien tot de maximale laserstraalintensiteit binnen de holte is bereikt. Blokkeer de achteruitkijkspiegel van de tweede eindspiegel.
- Let op het straalprofiel van de zaadpulsen op het programma van de schijfcamera en overlap de balk met de gemarkeerde positie door de knoppen van een van de holtespiegels voor de dunne schijf af te stemmen.
- Ontgrendel de achteruitkijkspiegel en observeer de plaats op het programma van de schijfcamera.
- Stel de gemotoriseerde knoppen van de tweede eindspiegel in door de "+" of "-" knop voor de verticale of horizontaleMotor (bestuurder 2) op het bedieningspaneel om de achteruitkijkspiegel te overlappen met de gemarkeerde positie.
- Uit Pockels-cellcomputer, voer het Pockels-celprogramma.
OPMERKING: Als de instelling van de Pockels-cel niet vereist is, slaat u stap 3.15-3.18 over. - Let op het schakelsignaal van de Pockels-cel (zie de Tabel van Materialen , nr. 6 en 8) en de zaadpulsen op de oscilloscoop (zie stap 1.15) met behulp van een snelle fotodiode ( Figuur 1b , midden).
- Stel in het Pockels-celprogramma de vertragingstijd (vertraging A) in van het dialoogvenster 'Definieer vertraging parameters' om de wisselwerking van de Pockels-cel en de zaadpulsen bij het Pockels-kristal te synchroniseren.
- Stel het schakeltijdvenster (vertraging B) in het dialoogvenster 'Definieer vertraging parameters' in om een pulse in de holte van de regeneratieve versterker te beperken tot 4 μs, overeenkomend met 87 ronde uitstapjes van de puls.
- Stel de interne trigge inR tijd (remmen) van de "definieer vertraging parameters" dialoog naar "200 μs" om de snelheid te beperken tot 1 puls elke 5 kHz.
- Schakel de voedingsspanning van de Pockels-celstuurprogramma in om de hoogspanning op het kristal aan te brengen.
- Schakel de voeding van de pompdiode-eenheid in en klik op de knop "OUTPUT ON / OFF".
- Om de zaadpulsen in de regeneratieve versterker te versterken, pomp de dunne schijf door de "huidige" knop op de voeding op te zetten tot 57,7 A, overeenkomend met 280 W.
OPMERKING: De versterkte bundel wordt gescheiden van de zaadbundel door de combinatie van een Faraday-rotator (zie de Tabel van Materialen , nr. 19) en een TFP. De Yb: YAG-oscillator is beschermd tegen de terugreflectie van de versterkte bundel door een isolator (zie de tabel van materialen , nr. 18).
OPMERKING: Houd de werking van de Pockels-cel en de pompdiode-eenheid in de hierboven vermelde volgorde vermeden om de optiek door Q-schakelen te voorkomen. - Let op het spectrum en de uitgangsstroom (zie stappen 1.5 en 1.6) voor de compressor.
OPMERKING: De versterkeruitgang heeft 125 W gemiddelde kracht bij een golflengte van 1.030 nm, een 5 kHz herhalingssnelheid en een 1 nm spectrale bandbreedte (FWHM). - Let op de uitgangspulsentrein voor de compressor op het oscilloscoopscherm en bepaal de puls-tot-pulsstabiliteit met behulp van een snelle fotodiode (zie stap 1.15).
- Let op het uitgangsbalkprofiel voor de compressor en bepaal de straalpuntsschommelingen (zie stap 1.16).
- Zet de gemotoriseerde knoppen van de tweede eindspiegel fijn door de "+" of "-" knop op de verticale of horizontale motor (bestuurder 2) van het bedieningspaneel te drukken om de werking van de regeneratieve versterker zo nodig te verbeteren.
- Kenmerk het winst-verkleinende effect.
- Overweeg de versterking voor verschillende zaadenergie niveaus door de zaadenergie met neutra aan te passenL-dichtheid filters.
- Verander het aantal rondreizen om de hoogste uitgangsvermogen te verkrijgen voor een vaste pompvermogen van 300 W.
- Let op het uitgangsspectrum voor elk geval.
4. Pulskompressor, Stralingslijn en Stabilisatiesysteem
OPMERKING: Verwijder de diagnose van het straalpad voordat u verder gaat met dit gedeelte. Als de compressor en de balkstabilisatoren niet worden aangepast, moet u stap 4.3 en 4.6 overslaan.
- Draai de gemotoriseerde rotatiebevestiging van de halfgolfplaat (in het uitgangspad) door op de knop "+" of "-" op motor A (driver 5) van het bedieningspaneel te duwen om een paar watt van de versterkeruitgang te sturen Naar de compressor ( figuur 1b , bodem).
- Druk de laserpuls tot 1 ps door de versterkte straal door de compressorinstelling te passeren.
- Gebruik twee spiegels na de regeneratieve versterker setup om de versterker uit te lijnenD pulsen door de compressor setup, indien nodig.
OPMERKING: De compressor bevat twee parallelle diëlektrische roosters (zie de tabel van materialen , nr. 22 en 23), met een lijndichtheid van 1,740 lijnen / mm. - Schakel de stroomtoevoer van de straalstabilisator-eenheid in (zie de tabel , nr. 98). Run het beam stabilizer programma op de beam stabilizer computer.
- Gebruik twee spiegels voor de detectoropstelling van de straalstabilisator om de nulorde-diffractie van het eerste raster in de compressor op de straalstabilisatiedetectoren af te stemmen.
- Druk op de regelregelaar op het straalstabilisatorprogramma om de laserstraal te vergrendelen om te voorkomen dat de drijfveer na de compressor wordt gedempt. Zet de gemotoriseerde halfgolfplaat weer om de volledige uitgangsvermogen van de versterker door de compressor te verzenden. Stel de versterker van de straalstabilisatiedetectoren aan met behulp van een neutrale dichtheidsfilter.
- Ken de tijdsduur van de samengeperste pUlses met SHG-FROG 21 , 24 .
5. Pompbron van het OPCPA-systeem
OPMERKING: Verwijder de diagnose van het straalpad voordat u verder gaat met dit gedeelte.
- Uit de OPCPA-computer rijdt u het programma van de balkprofiel.
- Collimeer en pas de laserstraalgrootte na de compressor aan met behulp van een geschikte telescoop om de piekintensiteit van 80 GW / cm 2 te bereiken . Gebruik de balkprofiel, infrarood kijker en laser kijkkaart.
OPMERKING: Een 1,5 mm dik BBO-kristal werd geselecteerd voor SHG op basis van de resultaten van de simulatie die is uitgevoerd op het SYSYFOS-code 25 van het simulatiesysteem voor optische wetenschappen (SISYFOS). - Leid de fundamentele bundel (1.030 nm) door een niet-lineair kristal (1,5 mm dikke BBO, zie de tabel van materialen , nr. 54) om de tweede harmonische (SH) bij 515 nm te genereren.
- Scheid de SH straal van de unconveRted fundamentele bundel door een harmonische scheider bij 45 o (zie de Tafel van Materialen , nr. 56) na het kristal te plaatsen.
OPMERKING: De SH-balk wordt weerspiegeld van de harmonische scheider, terwijl de onoverwogen fundamentele straal doorgegeven wordt. - Optimaliseer de fase-matchinghoek van de SH precies door de knop van de kristalbevestiging af te stemmen om de hoogste conversie-efficiëntie van de SH (70%, overeenkomend met 70 W) te bereiken.
- Let op de kracht van de SH en de niet-omgekeerde fundamentele balken op de vermogensmeters (zie stap 1.6).
- Let op het Gaussische straalprofiel van de SH en de niet-omgekeerde fundamentele balken (zie stap 1.16).
- Karakteriseer de temporele vorm van SH-pulsen met behulp van cross-correlatiefrequentie opgeloste optische gating (XFROG) 21 , 24 .
Representative Results
De oscillator levert 350 fs, 2 uJ, 25-W pulsen bij 11 MHz herhalingsfrequentie, met een puls-tot-puls stabiliteit van 1% (rms) en balk wijzende fluctuaties van minder dan 0,6% gedurende 1 uur metingen (fig 4 ).
Figuur 4 : Yb: YAG dunne schijf, Kerr-lens mode-vergrendelde oscillator. (A) Het spectrum (rood), de verkregen temporele intensiteitprofiel (blauw), en de ruimtelijke profiel (inzet) van het oscillatorpulsen. ( B ) Gemeten en opgehaald SHG-FROG spectrograaf van de oscillator. Dit cijfer is gewijzigd van Fattahi et al. , Met toestemming van referentie 21 .> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te zien.
De zaadpulsen worden versterkt in de regeneratieve versterker tot 125 W, terwijl ze worden gepompt met een CW-vezelgekoppelde diode bij een golflengte van 940 nm bij 280 W, die overeenkomt met een optische tot optische efficiency van 47%. De puls-tot-pulsstabiliteit van de versterker is minder dan 1%, en de versterker vertoont uitstekende langetermijnstabiliteit na 10 uur continue werking. De versterkte bundel heeft een uitstekend ruimtelijk profiel, met een M 2 van 1 (M 2 x = 1,08 en M 2 y = 1,07) en een uitstekend tijdsprofiel na compressie tot 1 ps (bij FWHM) ( Figuur 5 ).
Figuur 5 : Karakterisering van de regeneratieve versterkerOutput en het gain-narrowing effect. (A) De stabiliteit van de regeneratieve versterker gemiddelde vermogen na 10 uur continue werking. Inset: ( a-1 ) Normaliseerde vermogen tot zijn gemiddelde waarde in een tijdvenster van 0,5 uur; (A -2 ) Uitgangsbalkprofiel van de regeneratieve versterker. ( B ) Versterker uitgangsspectrum (groen) en de teruggetrokken tijdelijke intensiteit (blauw) van de laserimpulsen bij 100 W gemiddelde vermogen na de rastercompressor. C ) Zaadenergie versus spectrale bandbreedte (FWHM) van de versterkeruitgang en de vereiste ronde uitstapjes voor dezelfde uitgangsmiddelstroom bij 300 W pompvermogen. Dit cijfer is gewijzigd van Fattahi et al. , Met toestemming van referentie 21 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
25 . Twee verschillende kristallen met de volgende parameters werden overwogen: 1) een type I, 6 mm dik lithiumtriboraat (LBO), met een fase-matching-hoek van 13,7 ° en een niet-lineaire coëfficiënt van 0,819 pm / V en 2) een Type-I, 3 mm dikke BBO met een fase-matching-hoek van 23,4 ° en een niet-lineaire coëfficiënt van 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps, 20 mJ-pulsen bij 1030 nm en een piekintensiteit 100 GW / cm2 werden als de ingang van de simulatie. De simulatie resultaten toonden aan dat de BBO prestatie superieur was dan die van de LBO voor SHG ( Figuur 6 ).
Figuur 6 : Tweede harmonische generatie. (A) Simulated SHG eneRgy voor een 6 mm dik LBO kristal en een 3 mm dik BBO kristal. ( B ) Experimentele SHG-efficiëntie versus de pompintensiteit van de invoerpomp in een 1,5 mm dik BBO-kristal met 0,5 mJ (zwart) en 20 mJ (groen) van de versterkeruitgang. ( C ) De opgehaalde spectrale intensiteit en ( d ) de groepsvertraging van XFROG metingen voor verschillende SHG efficiënties die overeenkomen met punten A, B en C in (b). Dit cijfer is gewijzigd van Fattahi et al. , Met toestemming van referentie 21 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussion
De draaischijf van de oscillator wordt bereikt door het optimale warmtebeheer van de verschillende componenten van de laser. De output van de oscillator is dagelijks reproduceerbaar, zonder extra uitlijning of optimalisatie. Daarnaast voldoet de puls-tot-puls energie stabiliteit en ruimtelijke puntstabiliteit van de zaadlaser aan de voorwaarde om de stabiele werking van de regeneratieve versterker te bereiken.
Andere energiezuinige bronnen, zoals vezelversterkers, kunnen gebruikt worden om de versterker te zaaien. In deze studie werd een KLM-oscillator van 2 μJ Yb: YAG gebruikt om de versterking van de regeneratieve versterker te ondersteunen door de groei van de opgehoopte niet-lineaire fasen te verminderen, aangezien het vereiste aantal ronde reizen wordt verlaagd voor hogere input zaadenergie . Bovendien beïnvloedt de hogere zaadenergie het versterkingsproces en vermindert de winstvermindering. De gemeten spectrale bandbreedte van de versterkte pulsenEs voor verschillende zadenergieën bij een vaste pompkracht wordt getoond in figuur 5c . Versterkte spectrale bandbreedte afneemt voor lagere zaad-energieën als gevolg van winstvermindering. Voor 10 pJ zadenergie werkt de laser in de periode verdubbeling, en het is niet mogelijk om een stabiele werking te bereiken, zelfs door het aantal ronde uitstapjes te verhogen. Naast de zorgvuldige optimalisatie van de koelsystemen en de stroomvoorziening van de dioden speelt de werking van de regeneratieve versterker bij verzadiging een belangrijke rol in de bereikte stabiliteit van de versterker.
De fundamentele of tweede harmonische van de laser kan gebruikt worden om een OPCPA-systeem te pompen. Voor SHG werden de prestaties van een LBO en een BBO-kristal vergeleken, aangezien zij een hoge niet-lineaire coëfficiënt en schadedrempel bieden, ondanks de grotere ruimtelijke afloop en de beperkte beschikbare diafragma bij BBO. Aangezien de niet-lineaire coëfficiënt van BBO bijna twee keer die van de LBO is, is er een korter kristalFicient om de verzadigingsgrens voor SHG te bereiken ( Figuur 6a ). Daarom is BBO de meer geschikte keuze, aangezien de geaccumuleerde niet-lineaire fase kleiner is 28 .
De pulsduur van de SH-pulsen wordt experimenteel gekenmerkt bij verschillende conversie-efficiënties. Er werd opgemerkt dat bij hoge conversie-efficiënties het SHG-spectrum wordt verbreed en een hogere orde spectrale fase verschijnt ( Figuur 6 ). Daarom wordt B, met de conversie-efficiëntie van 70% gekozen, waar de SH en de niet-omgekeerde fundamentele balken uitstekende kwaliteit behouden.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Wij danken prof. Ferenc Krausz voor de besprekingen en Najd Altwaijry voor haar steun voor het afronden van het manuscript. Dit werk is gefinancierd door het Center 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
- 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).
