En protokol til driften af en høj-energi, høj-effekt optisk parametrisk chirped pulsforstærkerpumpe kilde baseret på en Yb: YAG thin-disk regenerativ forstærker er præsenteret her.
Dette er en rapport om en 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG tynddisk regenerativ forstærker. En hjemmelavet Yb: YAG tynddisk, Kerr-objektiv mode-låst oscillator med drejeknappen ydeevne og mikrojoule-puls energi bruges til at udså den regenerative chirped-puls forstærker. Forstærkeren er anbragt i lufttæt hus. Den virker ved stuetemperatur og udviser stabil drift ved en 5 kHz gentagelseshastighed med en puls-til-puls stabilitet mindre end 1%. Ved at anvende en 1,5 mm tykt beta-bariumboratkrystal fordobles laserproduktionens frekvens til 515 nm med en gennemsnitlig effekt på 70 W, hvilket svarer til en optisk-til-optisk effektivitet på 70%. Denne overlegne ydeevne gør systemet til en attraktiv pumpekilde for optiske parametriske chirped-pulsforstærkere i det nær-infrarøde og mid-infrarøde spektralområde. Kombination af turnkey-ydeevnen og den overordnede stabilitet i den regenerative forstærker, letter systemet til dannelse af et bredbånd, CEP-stabiltfrø. Tilvejebringelse af frø og pumpe af den optiske parametriske chirped-pulsamplifikation (OPCPA) fra en laserkilde eliminerer efterspørgslen efter aktiv tidslig synkronisering mellem disse impulser. Dette værk præsenterer en detaljeret vejledning til oprettelse og drift af en Yb: YAG tynddisk regenerativ forstærker baseret på chirped-pulse amplification (CPA) som en pumpe kilde til en optisk parametrisk chirped-puls forstærker.
Frembringelsen af høj-energi, få-cyklus laserpulser ved en høj gentagelseshastighed er af stor interesse for anvendte felter, såsom attosecond science 1 , 2 , 3 , 4 og high-field physics 5 , 6 , som står direkte til gavn Fra tilgængeligheden af sådanne kilder. OPCPA repræsenterer den mest lovende rute til opnåelse af høje puls energier og store forstærkningsbåndbredder, der samtidigt understøtter få cykluspulser 1 . Til dato tillader OPCPA ultra-bredbåndsforstærkning, som genererer få cyklusimpulser 7 , 8 , 9 , 10 . En modificeret implementering af OPCPA-ordningen, som bruger korte pulsimpulser på picosecond-skalaen, indebærer dog lov forGør denne tilgang skalerbar for endnu højere puls energier og gennemsnitlige beføjelser i fåcyklusregimet 1 , 11 , 12 . På grund af den høje pumpeintensitet i kortpulseret OPCPA giver den høje single-pass-forstærkning mulighed for brug af meget tynde krystaller til understøttelse af store forstærkningsbåndbredder. Selvom den kortpulserede OPCPA har mange fordele, er realiseringen af denne tilgang afhængig af tilgængeligheden af lasere, som er specielt skræddersyet til dette formål. Sådanne pumpelaser er forpligtet til at levere høj-energi picosekundpulser med nær diffraktion begrænset strålekvalitet ved gentagelseshastigheder i kHz til MHz-området 13 , 14 , 15 .
Indførelsen af ytterbiumdoterede lasere i forskellige geometrier, der er i stand til at levere picosecond laserimpulser med høj energi og høj gennemsnitlig effekt, Er i færd med at ændre den aktuelle tilstand i feltet 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG har god termisk ledningsevne og en lang overstatstid, og den kan pumpes af omkostningseffektive diode lasere. Dens ydeevne, når den anvendes i tynddisk geometri, er fremragende på grund af den effektive afkøling af forstærkningsmediet til samtidig at skala top og gennemsnitskraft. Endvidere undertrykkes forekomsten af selvfokusering i forstærkningsmediet under amplifikationsprocessen på grund af slankheden af tyndskiven i sammenligning med andre forstærkningsmedier geometrier, hvilket resulterer i fremragende tidsmæssige og rumlige profiler af de amplificerede impulser. Kombinere dette koncept med CPA holder løfte om at generere picosecond pulser med hundredvis af millijoules energi og hundredvisAf watt med gennemsnitlig effekt 19 , 20 .
Formålet med dette arbejde er at demonstrere en Yb: YAG tynddisk regenerativ forstærker med fremragende daglige ydeevne som en passende kilde til pumpning af OPCPAs 21 . For at opnå dette mål anvender denne undersøgelse en Yb: YAG tynddiskoscillator 22 med adskillige mikrojoleer af pulsenergi for at frøere forstærkeren for at minimere den akkumulerede, ikke-lineære fase under amplifikationsprocessen. Denne protokol indeholder opskriften til opbygning og drift af lasersystemet, som er beskrevet andetsteds 21 . Detaljer om komponentimplementerings- og styringssoftware er præsenteret, og systemets justeringsproces beskrives.
Oscillatorens dreje nøgleoperation opnås ved optimal varmebehandling af de forskellige komponenter i laseren. Oscillatorens output kan reproduceres dagligt uden behov for ekstra justering eller optimering. Derudover opfylder puls-til-puls-energistabiliteten og rumlig pegestabilitet af frølaseren forudsætningerne for at opnå den stabile drift af den regenerative forstærker.
Andre energikilder med lav energi, som f.eks. Fiberforstærkere, kan bruges til at frøere forstærkeren. I denne undersøgelse blev en KLM-oscillator på 2 μJ Yb: YAG brugt til at hjælpe forstærkningen af den regenerative forstærker ved at reducere væksten af de akkumulerede ikke-lineære faser, da det krævede antal runde ture er reduceret for højere input-frøenergi . Derudover påvirker den højere frøenergi amplifikationsprocessen og reducerer forstærkningsminskningen. Den målte spektrale båndbredde af den amplificerede pulserEs for forskellige frøenergier ved en fast pumpeffekt er vist i figur 5c . Forstærket spektral båndbredde falder for lavere frøenergier på grund af forstærkning af forstærkningen. For 10 pJ frøenergi opererer laseren i perioden fordobling, og det er ikke muligt at nå stabil drift, selv ved at øge antallet af runde ture. Ud over den omhyggelige optimering af kølesystemerne og diodernes strømforsyning spiller funktionen af den regenerative forstærker ved mætning en stor rolle i forstærkerens opnåede stabilitet.
Den grundlæggende eller anden harmoniske af laseren kan bruges til at pumpe et OPCPA-system. For SHG blev sammenligningerne af en LBO og en BBO-krystal sammenlignet, da de giver en høj, ikke-lineær koefficient og skadegrænse, på trods af den større rumlige afgang og den begrænsede tilgængelige blænde i tilfælde af BBO. Da den ikke-lineære koefficient for BBO er næsten dobbelt så stor som for LBO, er en kortere krystal sufTilstrækkelig til at nå mætningsgrænsen for SHG ( figur 6a ). Derfor er BBO det mere egnede valg, da den akkumulerede ikke-lineære fase er mindre 28 .
Pulshændelserne for SH-pulserne karakteriseres eksperimentelt ved forskellige konverteringseffektiviteter. Det blev observeret, at SHG-spektret ved høje konverteringseffekter udvides, og en højere-spektralfase vises ( Figur 6 ). Derfor vælges sag B med konverteringseffektiviteten på 70%, hvor SH og de ukonverterede grundlæggende bjælker opretholder fremragende kvalitet.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke prof. Ferenc Krausz for diskussionerne og Najd Altwaijry for hendes støtte til færdiggørelse af manuskriptet. Dette arbejde er blevet finansieret af 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 |