Ett protokoll för driften av en kraftkälla med hög energi, optisk parametrisk chirped pulsförstärkarepump baserat på en regenerativ förstärkare Yb: YAG-skiva, presenteras här.
Detta är en rapport om en regenerativ förstärkare på 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG. En hemlagad Yb: YAG tunndisk, Kerr-objektivslåst oscillator med nyckelfärdig prestanda och puls energi på mikrojulnivå används för att fröja den regenerativa chirped-pulsförstärkaren. Förstärkaren är placerad i lufttät hus. Den arbetar vid rumstemperatur och uppvisar stabil drift vid en 5 kHz upprepningshastighet, med en puls-till-pulsstabilitet mindre än 1%. Genom att använda en 1,5 mm tjock beta-bariumboratkristall dubblas laserproduktens frekvens till 515 nm med en genomsnittlig effekt på 70 W vilket motsvarar en optisk-optisk effektivitet på 70%. Denna överlägsna prestanda gör systemet till en attraktiv pumpkälla för optiska parametriska chirped-pulsförstärkare i det nära infraröda och mittinfraröda spektralområdet. Kombinationen av nyckelfärdiga prestanda och överlägsen stabilitet hos den regenerativa förstärkaren underlättar systemet generering av ett bredband, CEP-stabiltutsäde. Att tillhandahålla utsädet och pumpen för den optiska parametriska chirped-pulsförstärkningen (OPCPA) från en laserkälla eliminerar efterfrågan av aktiv tidssynkronisering mellan dessa pulser. Detta arbete presenterar en detaljerad guide för att konfigurera och driva en regenerativ förstärkare av Yb: YAG-tunnskiva, baserad på CPA, som en pumpkälla för en optisk parametrisk chirped-pulsförstärkare.
Genereringen av hög-energi, få-cykellaserpulser med hög repetitionshastighet är av stor intresse för tillämpade fält, såsom attosekundvetenskap 1 , 2 , 3 , 4 och högfysikfysik 5 , 6 som står för direkt nytta Från tillgången på sådana källor. OPCPA representerar den mest lovande vägen för att uppnå högpuls energier och stora förstärkningsbandbredd som samtidigt stöder fåcykelpulser 1 . Hittills tillåter OPCPA ultra-bredbandsförstärkning, vilket genererar få cykelpulser 7 , 8 , 9 , 10 . Ett modifierat genomförande av OPCPA-systemet, som använder korta pumppulser på picosecond-skalaen, innehar dock ett lov förVilket gör detta tillvägagångssätt skalbart för ännu högre pulsenergier och medelkrafter i fåcykelregimen 1 , 11 , 12 . På grund av den höga pumpintensiteten i kortpulspumpad OPCPA möjliggör den höga single-pass-förstärkningen användningen av mycket tunna kristaller för att stödja stora förstärkningsbandbredd. Även om den kortpulserade OPCPA har många fördelar, är realiseringen av detta tillvägagångssätt beroende av tillgången till lasrar som är skräddarsydda för detta ändamål. Sådana pumplaser erfordras för att leverera hög energi-picosekundpulser med nära diffraktionsbegränsad strålekvalitet vid repetitionshastigheter i kHz till MHz-området 13 , 14 , 15 .
Introduktionen av ytterbiumdopade lasrar i olika geometrier, som kan leverera picosekundlaserpulser med hög energi och hög medelkraft, Håller på att ändra nuvarande tillstånd i fältet 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG har god värmeledningsförmåga och lång livslängd på övre delstater, och den kan pumpas av kostnadseffektiva diodlasrar. Dess prestanda när den används i tunnskivsmetri är enastående på grund av effektiv kylning av förstärkningsmediet för att samtidigt skala topp och medelkraft. Vidare undertrycks förekomsten av självfokusering i förstärkningsmediet under amplifieringsprocessen på grund av smalheten hos tunnskivan i jämförelse med andra förstärkningsmetallgeometrier, vilket resulterar i utmärkta temporala och rumsliga profiler för de förstärkta pulserna. Kombinera detta koncept med CPA håller lov för att generera picosecond pulser med hundratals millijoules energi och hundratalsAv watt med medelkraft 19 , 20 .
Syftet med detta arbete är att demonstrera en nyckelfärdig Yb: YAG tunna disk regenerativ förstärkare med enastående daglig prestanda som en lämplig källa för pumpning av OPCPAs 21 . För att uppnå detta mål utnyttjar denna studie en Yb: YAG-tunnskiva-oscillator 22 med flera mikrolier av pulsenergi för att förstärka förstärkaren för att minimera den ackumulerade olinjära fasen under amplifieringsprocessen. Detta protokoll tillhandahåller receptet för att bygga och driva lasersystemet, vilket beskrivs på annat håll 21 . Detaljer om komponentimplementerings- och kontrollprogramvara presenteras, och systemets inriktningsprocess beskrivs.
Oscillatorns vridmomentoperation uppnås genom optimal värmebehandling av de olika komponenterna i lasern. Oscillatorns utgång är reproducerbar dagligen, utan behov av extra justering eller optimering. Dessutom uppfyller puls-till-puls-energistabiliteten och den spatiala pekstabiliteten hos frölasern förutsättningarna för att uppnå den stabila driften av den regenerativa förstärkaren.
Andra lågenergiska frökällor, såsom fiberförstärkare, kan användas för att frö förstärkaren. I denna studie användes en KLM-oscillator med 2 μJ Yb: YAG för att hjälpa till med förstärkningen av den regenerativa förstärkaren genom att minska tillväxten av de ackumulerade olinjära faserna, eftersom det erforderliga antalet rundresor reduceras för högre inmatad fröenergi . Dessutom påverkar den högre frösenergin förstärkningsprocessen och minskar förstärkningsminskningen. Den uppmätta spektralbandbredden hos den amplifierade pulsenEs för olika fröerergier vid en fast pumpkraft visas i figur 5c . Förstärkt spektral bandbredd minskar för lägre fröenergier på grund av förstärkning av förstärkningen. För 10 pJ fröenergi fungerar lasern under perioden fördubbling, och det går inte att nå en stabil drift, även genom att öka antalet rundresor. Förutom noggrann optimering av kylsystemen och diodernas strömförsörjning spelar regenerativförstärkarens funktion vid mättnad en viktig roll i förstärkarens uppnådda stabilitet.
Den grundläggande eller andra övertonen hos lasern kan användas för att pumpa ett OPCPA-system. För SHG jämfördes prestationerna hos en LBO och en BBO-kristall, eftersom de erbjuder en hög, icke-linjär koefficient och skada tröskel, trots den större rumsliga avstängningen och den begränsade tillgängliga bländaren vid BBO. Eftersom den olinjära koefficienten för BBO är nästan dubbelt så stor som för LBO, är en kortare kristall sufTillräcklig för att nå mättnadsgränsen för SHG ( figur 6a ). Därför är BBO det lämpligare valet, eftersom den ackumulerade olinjära fasen är mindre 28 .
Pulsperioden för SH-pulserna karakteriseras experimentellt vid olika omvandlingseffektiviteter. Det observerades att vid hög omvandlingseffektivitet breddas SHG-spektret och en spektralfas med högre ordning visas ( Figur 6 ). Därför väljas fall B, med omvandlingseffektiviteten på 70%, där SH och de oföränderliga grundläggande strålarna upprätthåller utmärkt kvalitet.
The authors have nothing to disclose.
Vi skulle vilja tacka prof. Ferenc Krausz för diskussionerna och Najd Altwaijry för hennes stöd för att slutföra manuskriptet. Detta arbete har finansierats 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 |