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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |