En protokol for driften av en høy-energi, høyspennings optisk parametrisk chirped pulsforsterkerpumpe kilde basert på en Yb: YAG thin-disk regenerativ forsterker er presentert her.
Dette er en rapport på en regenerativ forsterker på 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG. En hjemmelaget Yb: YAG tynn-disk, Kerr-objektiv-moduslåset oscillator med nøkkelytelse og mikrojoule-nivå pulsenergi brukes til å frøke den regenerative chirped-pulsforsterkeren. Forsterkeren er plassert i lufttett hus. Den opererer ved romtemperatur og viser stabil drift ved en 5 kHz repetisjon, med en puls-til-puls stabilitet mindre enn 1%. Ved bruk av en 1,5 mm tykk beta-bariumboratkrystall dobles frekvensen av laserutgangen til 515 nm, med en gjennomsnittlig effekt på 70 W, hvilket tilsvarer en optisk-optisk effektivitet på 70%. Denne overlegne ytelsen gjør systemet til en attraktiv pumpekilde for optiske parametriske chirped-pulsforsterkere i det nær-infrarøde og mid-infrarøde spektralområdet. Kombinere nøkkelytelsen og den overordnede stabiliteten til den regenerative forsterkeren, letter systemet til å generere et bredbånd, CEP-stabiltfrø. Å gi frøet og pumpe av den optiske parametriske chirped-pulsamplifisering (OPCPA) fra en laserkilde eliminerer etterspørselen av aktiv tidssynkronisering mellom disse pulser. Dette arbeidet presenterer en detaljert veiledning for å konfigurere og betjene en regenerativ forsterker Yb: YAG-tynnplate, basert på forsterket pulsforsterkning (CPA), som en pumpekilde for en optisk parametrisk chirped-pulsforsterker.
Genereringen av høy-energi, få-syklus laserpulser med høy repetisjon er av stor interesse for anvendte felt, slik som Attosecond Science 1 , 2 , 3 , 4 og High Field Physics 5 , 6 , som står til direkte nytte Fra tilgjengeligheten av slike kilder. OPCPA representerer den mest lovende ruten for å oppnå høypuls energier og store forsterkningsbåndbredder som samtidig støtter fåsykluspulser 1 . Hittil gir OPCPA mulighet for ultrabredbåndsforsterkning, som genererer få sykluspulser 7 , 8 , 9 , 10 . En modifisert implementering av OPCPA-ordningen, som bruker korte pumpeimpulser på picosecond-skalaen, innebærer imidlertid lov forGjør denne tilnærmingen skalerbar for enda høyere puls energier og gjennomsnittlige krefter i få-syklus regime 1 , 11 , 12 . På grunn av den høye pumpeintensiteten i kortpulserte OPCPA, tillater den høye single-pass-forsterkningen bruk av svært tynne krystaller for å støtte store forsterkningsbåndbredder. Selv om den kortpulserte OPCPA har mange fordeler, er realiseringen av denne tilnærmingen gjenstand for tilgjengeligheten av lasere som er spesielt skreddersydd for dette formålet. Slike pumpe lasere er pålagt å levere høydenergiske pikosekundpulser med nær diffraksjon begrenset strålekvalitet ved repetisjonshastigheter i kHz til MHz-området 13 , 14 , 15 .
Innføringen av ytterbiumdoterte lasere i forskjellige geometrier, i stand til å levere picosekund laserpulser med høy energi og høy gjennomsnittlig effekt, Er i ferd med å endre den nåværende tilstanden til feltet 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG har god termisk ledningsevne og lang overstatstid, og den kan pumpes av kostnadseffektive diode lasere. Dens ytelse når den brukes i tynn-disk geometri er fremragende på grunn av effektiv kjøling av forsterkningsmediet til samtidig å skala topp og gjennomsnittlig effekt. Videre undertrykkes forekomsten av selvfokusering i forsterkningsmediet under amplifikasjonsprosessen på grunn av slankheten i tynn-disken i sammenligning med andre forsterkningsmedier geometrier, hvilket resulterer i gode temporale og romlige profiler av de forsterkede pulser. Kombinere dette konseptet med CPA holder løfte om å generere picosecond pulser med hundrevis av millijoules energi og hundrevisAv watt med gjennomsnittlig effekt 19 , 20 .
Målet med dette arbeidet er å demonstrere en nøkkel Yb: YAG tynnplate regenerativ forsterker med enestående daglig ytelse som en egnet kilde til å pumpe OPCPAs 21 . For å oppnå dette målet anvender denne studien en Yb: YAG tynn-diskoscillator 22 med flere mikrosyler av pulsenergi for å frøere forsterkeren for å minimere den akkumulerte ikke-lineære fase under amplifikasjonsprosessen. Denne protokollen gir oppskriften til å bygge og betjene lasersystemet, som er beskrevet andre steder 21 . Detaljer om komponentimplementerings- og kontrollprogramvare presenteres, og justeringsprosessen til systemet er beskrevet.
Oscillatorens svingnøkkeloperasjon oppnås ved optimal varmebehandling av de forskjellige komponentene i laseren. Utgangen fra oscillatoren kan gjentas daglig, uten behov for ekstra justering eller optimalisering. I tillegg oppfyller puls-til-puls-energistabiliteten og romlig pekestabilitet av frølaseren forutsetningene for å oppnå stabil drift av den regenerative forsterkeren.
Andre energikildekilder, som for eksempel fiberforsterkere, kan brukes til å frøke forsterkeren. I denne studien ble en KLM-oscillator på 2 μJ Yb: YAG brukt til å hjelpe forsterkningen av den regenerative forsterkeren ved å redusere veksten av de akkumulerte, ikke-lineære faser, siden det nødvendige antall rundturer er redusert for høyere inngangsfrøenergi . I tillegg påvirker den høyere frøenergien forsterkningsprosessen og reduserer forsterkningsinnsnevringen. Den målte spektrale båndbredden til den forsterkede pulsenEs for forskjellige frøenergier ved en fast pumpeffekt er vist i figur 5c . Forsterket spektralbåndbredde reduseres for lavere frøenergier på grunn av forsterkning. For 10 pJ frøenergi opererer laseren i perioden dobling, og det er ikke mulig å nå stabil drift, selv ved å øke antall rundturer. I tillegg til nøye optimalisering av kjølesystemene og strømforsyningen til diodene spiller operasjonen av den regenerative forsterkeren ved metning en stor rolle i forsterkerens oppnådde stabilitet.
Den grunnleggende eller andre harmoniske av laseren kan brukes til å pumpe et OPCPA-system. For SHG ble sammenligningene av en LBO og en BBO-krystall sammenlignet, da de tilbyr en høy, ikke-lineær koeffisient og skadegrense, til tross for større romlig avgang og begrenset tilgjengelig blenderåpning ved BBO. Siden den ikke-lineære koeffisienten av BBO er nesten dobbelt så stor som for LBO, er en kortere krystall sufFikient å nå metningsgrensen for SHG ( figur 6a ). Derfor er BBO det mer hensiktsmessige valget, da den akkumulerte, ikke-lineære fasen er mindre 28 .
Pulsperioden for SH-pulser karakteriseres eksperimentelt ved forskjellige konverteringseffekter. Det ble observert at ved høy konverteringseffektivitet, blir SHG-spektret utvidet og en høyere rekkefølge spektralfase vises ( figur 6 ). Derfor er saks B, med konverteringseffektiviteten på 70%, valgt der SH og de ukonverterte grunnleggende bjelker opprettholder utmerket kvalitet.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gjerne takke prof. Ferenc Krausz for diskusjonene og Najd Altwaijry for hennes støtte til å fullføre manuskriptet. Dette arbeidet er finansiert av 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 |