20 mJ, 1 ps Yb: YAG Dünnschicht-Regenerationsverstärker

Zusammenfassung

Ein Protokoll für den Betrieb einer hochenergetischen, hochleistungsfähigen, optisch parametrischen Chirp-Impulsverstärker-Pumpquelle auf der Basis eines Yb: YAG-Dünnschicht-Regenerationsverstärkers ist hier dargestellt.

Zusammenfassung

Dies ist ein Bericht über einen 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG Dünnschicht-regenerative Verstärker. Ein hausgemachter Yb: YAG-Dünnschicht-, Kerr-Objektiv-Modus-gesperrter Oszillator mit schlüsselfertiger Leistung und Mikrojoule-Puls-Energie wird verwendet, um den regenerativen Chirped-Puls-Verstärker zu säen. Der Verstärker befindet sich im luftdichten Gehäuse. Es arbeitet bei Raumtemperatur und zeigt einen stabilen Betrieb bei einer Wiederholrate von 5 kHz bei einer Puls-zu-Puls-Stabilität von weniger als 1%. Durch die Verwendung eines 1,5 mm dicken Beta-Barium-Borat-Kristalls wird die Frequenz der Laserleistung auf 515 nm verdoppelt, mit einer durchschnittlichen Leistung von 70 W, was einem optisch-optischen Wirkungsgrad von 70% entspricht. Diese überlegene Leistung macht das System zu einer attraktiven Pumpquelle für optische parametrische Chirped-Puls-Verstärker im Nah-Infrarot- und Mid-Infrarot-Spektralbereich. Durch die Kombination der schlüsselfertigen Leistung und der überlegenen Stabilität des regenerativen Verstärkers erleichtert das System die Erzeugung eines breitbandigen, CEP-stabilenSamen. Die Bereitstellung des Saatguts und der Pumpe der optischen parametrischen Chirped-Puls-Verstärkung (OPCPA) von einer Laserquelle eliminiert den Bedarf einer aktiven zeitlichen Synchronisation zwischen diesen Impulsen. Diese Arbeit stellt eine detaillierte Anleitung zum Aufbau und Betrieb eines Yb: YAG-Dünnschicht-Regenerationsverstärkers, basierend auf Chirped-Puls-Verstärkung (CPA), als Pumpquelle für einen optischen parametrischen Chirped-Puls-Verstärker dar.

Einleitung

Die Erzeugung von hochenergetischen, wenigen Zyklus-Laserpulsen mit einer hohen Wiederholrate ist für angewandte Felder wie die Attosekundenwissenschaft ^{1 , 2 , 3 , 4} und die Hochfeldphysik ^{5 , 6} von großem Interesse, die direkt zugute kommen Aus der Verfügbarkeit solcher Quellen. OPCPA stellt den vielversprechendsten Weg zur Erzielung hoher Pulsenergien und großer Verstärkungsbandbreiten dar, die gleichzeitig wenige Zyklusimpulse unterstützen ¹ . Bis heute ermöglicht OPCPA eine Ultrabreitbandverstärkung, die wenige Zyklusimpulse ^{7 , 8 , 9 , 10 erzeugt} . Eine modifizierte Implementierung des OPCPA-Schemas, das kurze Pumpimpulse auf der Pikosekunden-Skala verwendet, hält jedoch VersprechenWobei dieser Ansatz für noch höhere Puls-Energien und durchschnittliche Potenzen im wenigen Zyklus-Regime ^{1 , 11 , 12} skalierbar ist. Aufgrund der hohen Pumpenintensität bei kurzimpulsgepumptem OPCPA ermöglicht die hohe Single-Pass-Verstärkung die Verwendung von sehr dünnen Kristallen, um große Verstärkungsbandbreiten zu unterstützen. Obwohl das kurzpulsgepumpte OPCPA viele Vorteile hat, unterliegt die Realisierbarkeit dieses Ansatzes der Verfügbarkeit von Lasern, die speziell für diesen Zweck zugeschnitten sind. Solche Pumplaser sind verpflichtet, hochenergetische Pikosekundenimpulse mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität bei Wiederholraten im kHz bis MHz Bereich ^{13 , 14 , 15} zu liefern.

Die Einführung von Ytterbium-dotierten Lasern in verschiedenen Geometrien, die in der Lage sind, Pikosekunden-Laserpulse mit hoher Energie und hoher Durchschnittsleistung zu liefernUm den aktuellen Zustand des Feldes ^{1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18} zu ändern. Yb: YAG hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine lange Lebensdauer des oberen Lebens und kann durch kostengünstige Diodenlaser gepumpt werden. Seine Leistung bei Verwendung in Dünnschicht-Geometrie ist hervorragend aufgrund der effizienten Kühlung des Verstärkungsmediums, um gleichzeitig die Spitzen- und Durchschnittsleistung zu skalieren. Darüber hinaus wird das Auftreten von Selbstfokussierung innerhalb des Verstärkungsmediums während des Verstärkungsprozesses aufgrund der Schlankheit der Dünnschicht im Vergleich zu anderen Verstärkungsmediumgeometrien unterdrückt, was zu exzellenten zeitlichen und räumlichen Profilen der verstärkten Impulse führt. Die Kombination dieses Konzepts mit CPA hält Versprechen für die Erzeugung von Pikosekunden-Impulsen mit Hunderten von Millajoulen Energie und HundertenVon Watt der durchschnittlichen Macht ^{19 , 20} .

Ziel dieser Arbeit ist es, einen schlüsselfertigen Yb: YAG-Dünnschicht-Regenerationsverstärker mit hervorragender Tagesleistung als geeignete Quelle für das Pumpen von OPCPAs ^{21 zu} demonstrieren. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendet diese Studie einen Yb: YAG-Dünnschicht-Oszillator ²² mit mehreren Mikrokoppeln von Pulsenergie, um den Verstärker zu säubern, um die akkumulierte nichtlineare Phase während des Verstärkungsprozesses zu minimieren. Dieses Protokoll liefert das Rezept für den Bau und Betrieb des Lasersystems, das an anderer Stelle beschrieben wird ²¹ . Details zur Komponentenimplementierung und Steuerungssoftware werden vorgestellt und der Ausrichtungsprozess des Systems beschrieben.

Protokoll

Achtung: Bitte beachten Sie alle Sicherheitsregeln, die für Laser relevant sind, bevor Sie dieses Gerät benutzen. Vermeiden Sie die Exposition der Augen oder der Haut zu direkten oder gestreuten Laserstrahlen. Bitte tragen Sie während des gesamten Prozesses entsprechende Laserschutzbrillen.

Abbildung 1 : Schematische Darstellung des Yb: YAG-Dünnschicht-Regenerationsverstärkers. ( A ) Yb: YAG Dünnschicht-Kerr-Objektiv-Modus-gesperrter Oszillator. Der 13 m lange Hohlraum des Oszillators besteht aus einem 13% igen Getriebeausgangskoppler, drei hochdispersen Spiegeln mit GDD von -3000 fs ² , 1 mm Saphir Kerr Medium und einer Kupferharte Blende. Ein Impulsgeber, der einen 25 mm dicken BBO-Kristall enthält, wird verwendet, um die Wiederholrate auf 5 kHz zu reduzieren. ( B ) CPA. Erster Block: Der Pulsstreckeraufbau enthältG zwei antiparallele Goldgitter (1.740 Linien / mm), wobei die Saatpulse zeitlich auf etwa 2 ns gedehnt werden. Zweiter Block: Der regenerative Verstärker, bei dem der Saatimpuls im Verstärkerhohlraum zur Verstärkung eingeschlossen ist, wenn die Hochspannung der Pockelszelle, die einen BBO-Kristall mit einer Dicke von 20 mm enthält, angewendet wird. Dritter Block: Der Impulsverdichter, der zwei parallele dielektrische Gitter (1.740 Zeilen / mm) enthält, wobei die verstärkten Impulse zeitlich auf 1 ps komprimiert werden. Diese Figur wurde von Fattahi et al. , Mit Erlaubnis aus Referenz ²¹ . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Komponente	ROC	Entfernung
	(Mm)	(Mm)
OC	∞	0
TD	-17000	600
M 1	-1000	5000
BP	∞	510
M 2	-1000	510
EM	∞	800

Tabelle 1: Hohlraumdesign des Oszillators ROC: Krümmungsradius, OC: Ausgangskoppler, TD: Dünnscheibe, M: Spiegel, BP: Brewsterplatte, EM: Endspiegel.

Abbildung 2 : Oszillator-Hohlraum-Design. Berechneter Modusradius auf den Hohlraumkomponenten. OC: Ausgangskoppler, TD: Dünnscheibe, M: Spiegel, BP: Brewster plaTe, EM: Endspiegel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Komponente	ROC	Entfernung
	(Mm)	(Mm)
EM 1	∞	0
PC	∞	200
M 1	-5000	525
M 2	1500	1500
TD	-2000	1050
EM 2	-2000	2350

Tabelle 2: Hohlraumdesign des regenerativen Verstärkers. ROC: Krümmungsradius, EM: Ende mirRor, PC: Pockels Zelle, M: Spiegel, TD: Dünnschicht.

Abbildung 3 : Regenerationsverstärker-Hohlraum-Design. Berechneter Modusradius auf den Hohlraumkomponenten. EM: Endspiegel, PC: Pockels Zelle, M: Spiegel, TD: Dünnschicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

1. Oszillator

1. Schalten Sie das Kühlwasser für den Oszillator ein ( Abbildung 1a ).
2. Schalten Sie die Kühlkühler ein, um die Pumpdioden, den Dünnscheibenkopf und das Steckbrett abzukühlen. Stellen Sie die Temperatur auf beiden Kältemaschinen auf 20 ° C ein.
3. Schalten Sie die Stromversorgung für die Pumpdiodeneinheit ein (siehe Tabelle der Werkstoffe Nr. 1) und klicken Sie auf "OUT"PUT ON / OFF "-Taste drücken.
   HINWEIS: Zur Simulation und Auslegung des Oszillators und des regenerativen Verstärkerhohlraums wurde eine Laser-Hohlraum-Simulationssoftware (siehe Tabelle der Materialien , Nr. 113) verwendet (Tabelle 1 und Tabelle 2, Abbildung 2 und Abbildung 3 ) ²³ .
4. Pumpen Sie die Dünnscheibe (siehe Tabelle der Werkstoffe Nr. 14) über die gekoppelte Faser bei einer Wellenlänge von 940 nm, indem Sie den "Strom" -Knopf auf die Stromversorgung auf 26,2 A einstellen, entsprechend dem 210-W-Ausgang Starten Sie das Laser im Oszillator im Dauerbetrieb (CW).
5. Um das Ausgangsspektrum des CW-Modus zu beobachten, schließen Sie eine Faser an das Spektrometer an und legen Sie es vor dem Impulsgeber nach einer geeigneten Dämpfung ab.
   1. Wählen Sie in der Spektrometer-Software die Registerkarte "Spektrometer" und klicken Sie dann auf "Geräte neu scannen".
   2. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Namen des SpektrometersUnd wählen Sie "Spektrum Graph".
   3. Klicken Sie im Fenster "Select Target" auf die Schaltfläche "Accept".
   4. Nach dem Blockieren des Laserstrahls klicken Sie auf die Schaltfläche "Dunkles Spektrum speichern" auf der Symbolleiste und klicken Sie auf die Schaltfläche "Scope Minus Dark", um das Hintergrundspektrum zu subtrahieren.
   5. Entriegeln Sie den Laserstrahl, um das Spektrum zu beobachten.
6. Beachten Sie die Ausgangsleistung des CW-Modus am Leistungsmesser vor dem Impulsgeber.
7. Um den Oszillator im gepulsten Betrieb zu betreiben und die Modenverriegelung einzuleiten, stören Sie den hochreflektierenden Spiegel im Inneren des Laserhohlraums (auf einer Translationsstufe) durch mechanisches Drücken der Bühne von hinten. Abbildung 1a ).
   HINWEIS: Im Oszillator und im regenerativen Verstärkerhohlraum wurden hochreflektierende Spiegel mit einer hohen Schadensschwelle verwendet (siehe Tabelle der Werkstoffe Nr. 24 und 28).
8. Beobachten Sie das Spektrum und die Ausgangsleistung des gepulsten mOde vor dem Impulsgeber mit einem Spektrometer und einem Leistungsmesser.
   HINWEIS: Der Oszillatorausgang hat 25 W durchschnittliche Leistung bei einer Wellenlänge von 1.030 nm, eine Wiederholrate von 11 MHz und eine 4 nm-Spektralbandbreite (FWHM). Wenn keine Oszillatoroptimierung erforderlich ist, überspringen Sie die Schritte 1.9-1.14.
9. Erhöhen Sie den Strom auf die Stromversorgung, bis ein CW-Spike im Spektrum des Spektrometers erscheint.
10. Richten Sie die harte Blende im Oszillator aus (siehe Abbildung 1a ), indem Sie die Mikrometerschrauben vertikal und horizontal abstimmen, um die CW-Spitze zu maximieren.
11. Beachten Sie die Erschöpfung des Pumpstrahlprofils auf der Dünnscheibe.
    1. Führen Sie das Disk-Kamera-Programm aus und wählen Sie "Monochrom" aus dem Fenster "Auswahlmodus".
    2. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Kamera öffnen" auf der Werkzeugleiste, um den Strahlfleck auf der Dünnscheibe zu beobachten.
12. Die Piezo-Linearantriebe des Endspiegels (Motorisierte Knöpfe), indem man den "+" oder "-" Knopf am vertikalen oder horizontalen Motor von der Handbedienung drückt, um diese Erschöpfung an die Mitte des Pumpstrahlprofils auszurichten.
13. Den Strom auf die Stromversorgung leicht reduzieren, bis die CW-Spike im Spektrum verschwindet.
14. Wiederholen Sie die Schritte in 1.9-1.13, bis ein Spektrum und eine Ausgangsleistung ähnlich den erhaltenen Referenzpegeln erreicht sind (siehe das gemessene Spektrum in Abbildung 4a (rote Kurve) bei 25 W der durchschnittlichen Leistung).
15. Um die Ausgangsimpulsfolge zu beobachten und die Puls-zu-Puls-Stabilität zu bestimmen, schließen Sie eine schnelle Photodiode an ein Oszilloskop an und legen Sie sie vor dem Impulsgeber (nach einer geeigneten Dämpfung).
    1. Wählen Sie einen geeigneten Triggerpegel, indem Sie den "Triggerpegel" -Knopf auf das Oszilloskop abstimmen, um die sich wiederholenden Wellenformen zu stabilisieren und die Ausgangsimpulsfolge auf dem Oszilloskop-Bildschirm zu beobachten.
    2. Von th E "Measure" -Menü, wählen Sie "Peak to Peak Amplitude", um die Puls-zu-Puls-Stabilität zu bestimmen.
16. Beachten Sie das Ausgangsstrahlprofil vor dem Impulsgeber und bestimmen Sie die Strahlpunktschwankungen.
    1. Führen Sie die Balkenprofilsoftware aus und klicken Sie auf die Schaltfläche "Go, Start Capture" aus der Symbolleiste, um das Balkenprofil zu beobachten.
    2. Von der Werkzeugleiste aus öffnen Sie den "Strahlwander" -Dialog und klicken dann auf die Schaltfläche "Löschen", um eine neue Strahlpunktstabilitätsmessung zu starten.
       HINWEIS: Schwankungen im Strahl oder ein verzerrtes Strahlprofil (verursacht durch optische Beschädigung, Strahlschnitt etc. ) können die Systemstabilität verschlechtern.
17. Messen Sie die Pulsdauer mit dem frequenzaufgelösten optischen Gating auf der Basis der Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG-FROG) ^{21 , 24} .

2. Pulse Picker und Pulse Stretcher

Inhalt "> HINWEIS: Achtung, beachten Sie alle relevanten elektrischen Sicherheitsvorschriften, bevor Sie die Hochspannung an den Impulsgeber anschauen. Verwenden Sie eine geeignete Hochspannungsisolation. Entfernen Sie die Diagnose aus dem Strahlengang, bevor Sie mit diesem Abschnitt fortfahren Und seine Einstellung ist nicht erforderlich, überspringen Schritte 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 und 2.11.

1. Verwenden Sie zwei Spiegel vor dem Pulsauswahl-Setup, um den Ausgangsstrahl vom Oszillator durch die Impulsgebereinheit (siehe Tabelle der Materialien , Nr. 5 und 7) und dessen 25 mm dickes Beta-Bariumborat (BBO) -Kristall auszurichten (siehe Tabelle der Materialien , Nr. 12) mit Hilfe des Infrarot-Betrachters und der Lasersichtkarte ( Abbildung 1a ).
2. Führen Sie das Impulsgeberprogramm auf dem Oszillatorrechner aus.
3. Beobachten Sie das Schaltsignal des Impulsmessers und der Impulsfolge des Oszillators auf dem Oszilloskop (siehe Schritt 1.15) mit Hilfe eines schnellen PhotosOdiode
4. Im Impulsgeberprogramm die Verzögerungszeit (Verzögerung A) aus dem Dialog "Verzögerungsparameter definieren" einstellen, um das Schaltsignal und die Impulsfolge am Pulsauswahlkristall zu synchronisieren.
5. Stellen Sie das Schaltzeitfenster (Verzögerung B) aus dem Dialogfeld "Verzögerungsparameter definieren" ein, um einen Impuls aus der Impulsfolge auszuwählen.
6. Setzen Sie die interne Triggerzeit (Sperre) aus dem Dialogfeld "Verzögerungsparameter definieren" auf 200 μs, um einen Impuls alle 5 kHz auszuwählen.
7. Reduzieren Sie die Wiederholrate des Oszillators von 11 MHz auf 5 kHz, indem Sie die Stromversorgung des Impulsgeber-Treibers auf "Ein" schalten, um eine hohe Spannung an den Kristall anzulegen.
8. Wählen Sie die gepickten Impulse aus dem Pulszug aus, indem Sie nach dem Impulsgeber einen Dünnfilm-Polarisator (TFP) (siehe Tabelle der Werkstoffe Nr. 31) verwenden und die verbleibenden Impulse in einen Strahlabfall fallen lassen.
9. Verbessern Sie den Kontrast der gepickten Impulse durch Einstellen der Halbwellenplatte (seE die Tabelle der Materialien , Nr. 32) vor dem Impulsgeber.
10. Reduzieren Sie die Spitzenleistung des Laserpulses, indem Sie die gepickten Impulse durch den Tragapparat durchführen, um die Impulse auf eine Dauer von 2 ns zu dehnen (siehe Abbildung 1a- b ).
11. Benutze zwei Spiegel nach dem Puls-Picker-Setup, um die gepickten Impulse durch die Trage-Einstellung auszurichten, falls erforderlich.
    HINWEIS: Die Trage enthält zwei antiparallele Goldgitter (siehe Tabelle der Materialien , Nr. 20 und 21) mit einer Liniendichte von 1.740 Zeilen / mm, um die Impulse auf eine Dauer von 2 ns zu dehnen, um eine Beschädigung der Optik während des Verstärkungsprozesses zu vermeiden Im regenerativen Verstärker aufgrund einer hohen Spitzenintensität. Diese Impulse werden verwendet, um den regenerativen Verstärker zu seedieren, wie im nächsten Abschnitt beschrieben ( Abbildung 1b , oben).

3. Regenerationsverstärker

Vorsicht; Sei euch bewusst?Relevante elektrische Sicherheitsvorschriften vor dem Anlegen der Hochspannung an die Pockels-Zelle. Verwenden Sie eine geeignete Hochspannungsisolation. Entfernen Sie die Diagnose aus dem Strahlengang, bevor Sie mit diesem Abschnitt fortfahren. Seed-Impulse werden vom Yb: YAG-Dünnschicht-Kerr-Linsen-Modus-gesperrten Oszillator geliefert. Andere Saatstrategien können verwendet werden, um den Verstärker, wie Faserverstärker, zu säen.

1. Schalten Sie das Kühlwasser für den regenerativen Verstärker ein ( Abbildung 1b , Mitte).
2. Schalten Sie die Kühlkühler ein, um die Pumpdioden, die Dünnscheibe, den Laserkopf und die Pockelszelle abzufahren. Stellen Sie die Temperatur der Kältemaschinen auf 28 ° C, 17 ° C und 18 ° C ein und aktivieren Sie dann das Verriegelungssystem.
   HINWEIS: Falsches Saatgut kann die Stabilität des Verstärkers verschlechtern. Wenn die Ausrichtung des regenerativen Verstärkers nicht erforderlich ist, überspringen Sie die Schritte 3.3-3.13 und 3.25.
3. Schalten Sie die Stromversorgung der Pumpdiodeneinheit ein (siehe Tabelle der MateriAls Nr. 2) und dann auf die Schaltfläche "OUTPUT ON / OFF" klicken.
4. Pumpen Sie die Dünnschicht über die gekoppelte Faser mit einer Wellenlänge von 940 nm, indem Sie den "aktuellen" Knopf auf die Stromversorgung der Schwelle einstellen.
5. Beachten Sie das Pumpstrahlprofil auf der Festplatte mit der Diskkamera (siehe Schritt 1.11) und wählen Sie im Menü "Zeichnen" im Menü "Zeichnen" die Option "Geometrie", um die Position des Strahls im Kameraprogramm zu markieren.
6. Verringern Sie den Stromversorgungsstrom auf Null und klicken Sie dann auf die Schaltfläche "OUTPUT ON / OFF". Schalten Sie die Stromversorgung der Pumpdiodeneinheit aus.
7. Verwenden Sie zwei Spiegel vor dem regenerativen Verstärker, um den Ausgangsstrahl von der Trage (Seed-Impulse) durch die Einkopplungsoptik im regenerativen Verstärker auszurichten, um den First-End-Spiegel (hinter der Pockels-Zelle) zu erreichen. Verwenden Sie den Strahlprofiler, den Infrarot-Viewer und die Laser-Viewing-Karte, um mit diesem zu helfen.
8. Schließen Sie den Verstärkerhohlraum, indem Sie den Quar drehenEr-wave-Platte (siehe Tabelle der Materialien , Nr. 33), hinter der Pockels-Zelle, wodurch der Laserstrahl im Inneren des Hohlraums eliminiert wird.
9. Stellen Sie die motorischen Knöpfe des First-End-Spiegels ein, indem Sie die Taste "+" oder "-" auf den vertikalen oder horizontalen Motor (Treiber 1) von der Handbedienung drücken, um den Auskopplungsbalken auszurichten.
10. Öffnen Sie den Verstärkerhohlraum, indem Sie die Viertelwellenplatte (hinter der Pockelszelle) drehen, bis die maximale Laserstrahlintensität innerhalb des Hohlraums erreicht ist. Blockieren Sie den rückstrahlenden Strahl vom zweiten Endspiegel.
11. Beachten Sie das Strahlprofil der Saatgutimpulse auf dem Plattenkameraprogramm und überlappen Sie den Strahl mit der markierten Position, indem Sie die Knöpfe eines der Hohlraumspiegel vor der Dünnscheibe abstimmen.
12. Entriegeln Sie den rückstrahlenden Strahl und beobachten Sie den Spot auf dem Festplattenkameraprogramm.
13. Stellen Sie die motorischen Knöpfe des zweiten Endspiegels ein, indem Sie die Taste "+" oder "-" für die vertikale oder horizontale drückenMotor (Fahrer 2) auf dem Handbedienfeld, um die Rückreflexion mit der markierten Position zu überlappen.
14. Von Pockels Zelle Computer, führen Sie die Pockels Zelle Programm.
    HINWEIS: Wenn die Einstellung der Pockels-Zelle nicht erforderlich ist, überspringen Sie die Schritte 3.15-3.18.
15. Beobachten Sie das Schaltsignal der Pockelszelle (siehe Tabelle der Werkstoffe , Nr. 6 und 8) und die Saatimpulse am Oszilloskop (siehe Schritt 1.15) mit Hilfe einer schnellen Photodiode ( Bild 1b , Mitte).
16. Im Pockels-Zellenprogramm die Verzögerungszeit (Verzögerung A) aus dem Dialogfenster "Verzögerungsparameter definieren" einstellen, um das Umschalten der Pockels-Zelle und die Seed-Impulse am Pockels-Zellkristall zu synchronisieren.
17. Stellen Sie das Schaltzeitfenster (Verzögerung B) aus dem Dialogfeld "Verzögerungsparameter definieren" ein, um einen Impuls innerhalb des Hohlraums des regenerativen Verstärkers auf 4 μs zu beschränken, was 87 Rundfahrten des Pulses entspricht.
18. Setzen Sie den internen TriggerR Zeit (Sperrung) aus dem Dialog "Verzögerungsparameter definieren" auf "200 μs", um die Rate auf einen Impuls alle 5 kHz zu beschränken.
19. Schalten Sie die Stromversorgung des Pockels-Zellen-Treibers ein, um die Hochspannung auf den Kristall anzulegen.
20. Schalten Sie die Stromversorgung der Pumpdiodeneinheit ein und klicken Sie auf die Schaltfläche "OUTPUT ON / OFF".
21. Um die Saatimpulse im regenerativen Verstärker zu verstärken, pumpen Sie die Dünnscheibe, indem Sie den "Strom" -Knopf auf die Stromversorgung auf 57,7 A einstellen, entsprechend 280 W.
    HINWEIS: Der verstärkte Strahl wird durch die Kombination eines Faraday-Rotators (siehe Tabelle der Materialien , Nr. 19) und eines TFP vom Saatbalken getrennt. Der Yb: YAG-Oszillator ist vor der Rückreflexion des verstärkten Strahls durch einen Isolator geschützt (siehe Tabelle der Werkstoffe Nr. 18).
    HINWEIS: Halten Sie den Betrieb der Pockels-Zelle und der Pumpdiodeneinheit in der oben genannten Reihenfolge, um eine Beschädigung der Optik durch Q-Switching zu vermeiden.
22. Beachten Sie das Spektrum und die Ausgangsleistung (siehe Schritte 1.5 und 1.6) vor dem Kompressor.
    HINWEIS: Der Verstärkerausgang hat 125 W mit einer mittleren Leistung bei einer Wellenlänge von 1.030 nm, einer Wiederholrate von 5 kHz und einer 1 nm-Spektralbandbreite (FWHM).
23. Beobachten Sie die Ausgangsimpulsfolge vor dem Kompressor auf dem Oszilloskop-Bildschirm und bestimmen Sie die Impuls-zu-Puls-Stabilität mit Hilfe einer schnellen Photodiode (siehe Schritt 1.15).
24. Beachten Sie das Ausgangsstrahlprofil vor dem Kompressor und bestimmen Sie die Strahlpunktschwankungen (siehe Schritt 1.16).
25. Die motorisierten Knöpfe des zweiten Endspiegels durch Drücken der Taste "+" oder "-" auf den vertikalen oder horizontalen Motor (Treiber 2) von der Handbedienleiste fein abgestimmt, um den Betrieb des regenerativen Verstärkers zu verbessern, falls erforderlich.
26. Charakterisieren die Verstärkungsverengung.
    1. Betrachten Sie die Verstärkung für verschiedene Samenergieniveaus, indem Sie die Samenenergie mit Neutra einstellenL-Dichte-Filter
    2. Ändern Sie die Anzahl der Rundfahrten, um die höchste Ausgangsleistung für eine feste Pumpleistung von 300 W zu erhalten.
    3. Beobachten Sie das Ausgangsspektrum für jeden Fall.

4. Pulsverdichter, Strahlausrichtung und Stabilisierungssystem

HINWEIS: Entfernen Sie die Diagnose aus dem Strahlengang, bevor Sie mit diesem Abschnitt fortfahren. Wenn die Ausrichtung des Kompressors und der Strahlstabilisatoreinheit nicht erforderlich ist, überspringen Sie die Schritte 4.3 und 4.6.

1. Drehen Sie die motorische Drehung der Halbwellenplatte (im Ausgangspfad) durch Drücken der Taste "+" oder "-" am Motor A (Treiber 5) vom Handbedienfeld, um ein paar Watt des Verstärkerausgangs zu senden Zum Kompressor ( Abbildung 1b , unten).
2. Komprimieren Sie den Laserpuls auf 1 ps, indem Sie den verstärkten Strahl durch den Kompressoraufbau passieren.
3. Verwenden Sie zwei Spiegel nach dem regenerativen Verstärker-Setup, um die Verstärkung auszurichtenD Impulse durch den Kompressoraufbau, falls erforderlich.
   HINWEIS: Der Kompressor enthält zwei parallele dielektrische Gitter (siehe Tabelle der Werkstoffe Nr. 22 und 23) mit einer Leitungsdichte von 1.740 Zeilen / mm.
4. Schalten Sie die Stromversorgung der Strahlstabilisatoreinheit ein (siehe Tabelle der Werkstoffe Nr. 98). Führen Sie das Strahlstabilisatorprogramm auf dem Strahlstabilisator-Computer aus.
5. Verwenden Sie zwei Spiegel vor dem Detektoraufbau des Strahlstabilisators, um die Beugung nullter Ordnung vom ersten Gitter im Kompressor zu den Strahlstabilisatordetektoren auszurichten.
6. Drücken Sie die Taste "Regulierung" auf das Strahlstabilisatorprogramm, um den Laserstrahl zu sperren, um eine Strahlendrift nach dem Kompressor zu vermeiden. Drehen Sie die motorisierte Halbwellenplatte wieder, um die volle Ausgangsleistung des Verstärkers durch den Kompressor zu übergeben. Stellen Sie die Verstärkung der Strahlstabilisator-Detektoren mit Hilfe eines Neutral-Dichte-Filters ein.
7. Charakterisieren die zeitdauer des komprimierten pUlsen mit SHG-FROG ^{21 , 24} .

5. Pumpenquelle des OPCPA-Systems

HINWEIS: Entfernen Sie die Diagnose aus dem Strahlengang, bevor Sie mit diesem Abschnitt fortfahren.

1. Vom OPCPA-Rechner aus führen Sie das Programm des Strahlprofils aus.
2. Kollimieren und justieren Sie die Laserstrahlgröße nach dem Kompressor mit einem geeigneten Teleskop, um die Spitzenintensität von 80 GW / cm ^{2 zu erreichen} . Verwenden Sie den Strahlprofiler, den Infrarot-Viewer und die Lasersichtkarte.
   ANMERKUNG: Für SHG wurde ein 1,5 mm dicker BBO-Kristall ausgewählt, basierend auf den Ergebnissen der Simulation des Simulationssystems für Optikwissenschaft (SISYFOS) Code ²⁵ .
3. Führen Sie den Grundstrahl (1.030 nm) durch einen nichtlinearen Kristall (1,5 mm dickes BBO, siehe Tabelle der Materialien , Nr. 54), um die zweite Harmonische (SH) bei 515 nm zu erzeugen.
4. Trennen Sie den SH-Strahl von der UnconveIndem man einen harmonischen Separator bei 45 ^o (siehe Tabelle der Materialien , Nr. 56) nach dem Kristall platziert.
   HINWEIS: Der SH-Strahl wird vom harmonischen Separator reflektiert, während der nicht umgesetzte Grundstrahl durchgeleitet wird.
5. Präzise optimieren Sie den Phasenanpassungswinkel des SH durch Abstimmen des Knopfes der Kristallhalterung, um den höchsten Umwandlungswirkungsgrad des SH zu erreichen (70%, entsprechend 70 W).
6. Beobachten Sie die Leistung des SH und die nicht umgesetzten Grundstrahlen auf den Leistungsmessern (siehe Schritt 1.6).
7. Beobachten Sie das Gaußsche Strahlprofil des SH und die nicht umgesetzten Grundstrahlen (siehe Schritt 1.16).
8. Charakterisieren Sie die zeitliche Form der SH-Impulse mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfrequenz aufgelöstes optisches Gating (XFROG) ^{21 , 24} .

Ergebnisse

Der Oszillator liefert 350 fs, 2 μJ, 25-W-Impulse bei 11 MHz Wiederholrate mit einer Puls-zu-Puls-Stabilität von 1% (rms) und Strahlpunktschwankungen von weniger als 0,6% über 1 h Messwert ( Abbildung 4 ).

Abbildung 4 : Yb: YAG-Dünnschicht, Kerr-Linsen-Modus-gesperrter Oszillator. ( A ) Das Spektrum (rot), das abgerufene zeitliche Intensitätsprofil (blau) und das räumliche Profil (Einfügung) der Oszillatorimpulse. ( B ) Gemessener und abgerufener SHG-FROG-Spektrograph des Oszillators. Diese Figur wurde von Fattahi et al. , Mit Erlaubnis aus Referenz ²¹ .> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die Seed-Impulse werden im regenerativen Verstärker auf 125 W verstärkt, während sie mit einer CW-fasergekoppelten Diode bei einer Wellenlänge von 940 nm bei 280 W gepumpt werden, was einer optisch-optischen Effizienz von 47% entspricht. Die Puls-zu-Puls-Stabilität des Verstärkers beträgt weniger als 1%, und der Verstärker weist nach 10 h Dauerbetrieb eine ausgezeichnete Langzeitstabilität auf. Der verstärkte Strahl hat ein ausgezeichnetes Raumprofil mit einem M ² von 1 (M ² _x = 1,08 und M ² _y = 1,07) und einem ausgezeichneten zeitlichen Profil nach Kompression auf 1 ps (bei FWHM) ( Abbildung 5 ).

Abbildung 5 : Charakterisierung des regenerativen VerstärkersAusgabe und der Verstärkungsverengung. ( A ) Die Stabilität der regenerativen Verstärker-Durchschnittsleistung nach 10 h Dauerbetrieb. Inset: ( a-1 ) Normalisierte Leistung auf ihren Mittelwert in einem Zeitfenster von 0,5 h; ( A-2 ) Ausgangsstrahlprofil des regenerativen Verstärkers. ( B ) Verstärkerausgangsspektrum (grün) und die abgerufene zeitliche Intensität (blau) der Laserpulse bei 100 W durchschnittlicher Leistung nach dem Gitterverdichter. ( C ) Samenergie gegen Spektralbandbreite (FWHM) des Verstärkerausgangs und die erforderlichen Rundfahrten für die gleiche Ausgangsleistung bei 300 W Pumpleistung. Diese Figur wurde von Fattahi et al. , Mit Erlaubnis aus Referenz ²¹ . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Das SHG wurde mit dem SISYFOS-Code ²⁵ analysiert. Es wurden zwei verschiedene Kristalle mit folgenden Parametern in Betracht gezogen: 1) ein Typ-I, 6 mm dickes Lithiumtriborat (LBO) mit einem Phasenanpassungswinkel von 13,7 ° und einem nichtlinearen Koeffizienten von 0,819 pm / V und 2) a Typ-I, 3 mm dickes BBO mit einem Phasenanpassungswinkel von 23,4 ° und einem nichtlinearen Koeffizienten von 2 pm / V ^{26 , 27} . 1-ps, 20-mJ-Pulse bei 1.030 nm und eine Peak-Intensität von 100 GW / cm ² wurden als Eingang der Simulation betrachtet. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die BBO-Leistung dem des LBO für SHG überlegen war ( Abbildung 6 ).

Abbildung 6 : Zweite Harmonische Generation. ( A ) simuliertes SHG eneRgy für einen 6 mm dicken LBO-Kristall und einen 3 mm dicken BBO-Kristall. ( B ) Experimentelle SHG-Effizienz gegenüber Input-Inputity-Intensität in einem 1,5 mm dicken BBO-Kristall mit 0,5 mJ (schwarz) und 20 mJ (grün) des Verstärkerausgangs. ( C ) Die abgetastete spektrale Intensität und ( d ) die Gruppenverzögerung von XFROG-Messungen für verschiedene SHG-Effizienzen entsprechend den Punkten A, B und C in (b). Diese Figur wurde von Fattahi et al. , Mit Erlaubnis aus Referenz ²¹ . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Diskussion

Der schlüsselfertige Betrieb des Oszillators wird durch die optimale Wärmemanagement der verschiedenen Komponenten des Lasers erreicht. Der Ausgang des Oszillators ist täglich reproduzierbar, ohne dass eine zusätzliche Ausrichtung oder Optimierung erforderlich ist. Darüber hinaus erfüllt die Puls-zu-Puls-Energiestabilität und die räumliche Punktstabilität des Saatlasers die Voraussetzungen, um den stabilen Betrieb des regenerativen Verstärkers zu erreichen.

Andere Niedrigenergie-Saatquellen, wie z. B. Faserverstärker, können verwendet werden, um den Verstärker zu säen. In dieser Studie wurde ein 2 μJ Yb: YAG-Dünnschicht-KLM-Oszillator verwendet, um die Verstärkung des regenerativen Verstärkers durch Verringerung des Wachstums der angesammelten nichtlinearen Phasen zu unterstützen, da die erforderliche Anzahl von Rundfahrten für höher eingeführte Samenergie verringert wird . Darüber hinaus beeinflusst die höhere Saatgut-Energie den Verstärkungsprozess und reduziert die Verstärkung. Die gemessene spektrale Bandbreite der verstärkten ImpulseEs für verschiedene Samenergien bei einer festen Pumpenleistung ist in Abbildung 5c ​​gezeigt . Verstärkte spektrale Bandbreite sinkt für niedrigere Samenergien wegen der Verringerung der Verstärkung. Für 10 pJ Samenenergie arbeitet der Laser in der Periodenverdopplung, und es ist nicht möglich, einen stabilen Betrieb zu erreichen, auch wenn die Anzahl der Rundfahrten erhöht wird. Neben der sorgfältigen Optimierung der Kühlsysteme und der Stromversorgung der Dioden spielt der Betrieb des regenerativen Verstärkers bei der Sättigung eine wesentliche Rolle bei der erreichten Stabilität des Verstärkers.

Die grundlegende oder zweite Harmonische des Lasers kann verwendet werden, um ein OPCPA-System zu pumpen. Für SHG wurden die Leistungen eines LBO und eines BBO-Kristalls verglichen, da sie trotz des größeren räumlichen Walk-offs und der begrenzten verfügbaren Blende im Falle von BBO einen hohen nichtlinearen Koeffizienten und Schadensschwelle bieten. Da der nichtlineare Koeffizient von BBO fast doppelt so hoch ist wie der LBO, ist ein kürzerer Kristall sufUm die Sättigungsgrenze für SHG zu erreichen ( Abbildung 6a ). Daher ist BBO die geeignetere Wahl, da die akkumulierte nichtlineare Phase kleiner ist ²⁸ .

Die Pulsdauern der SH-Impulse werden experimentell bei unterschiedlichen Umwandlungswirkungsgraden charakterisiert. Es wurde beobachtet, dass bei hohen Umwandlungswirkungsgraden das SHG-Spektrum erweitert und eine höherwertige Spektralphase erscheint ( Abbildung 6 ). Daher wird der Fall B mit dem Umwandlungswirkungsgrad von 70% gewählt, wo der SH und die nicht umgesetzten Grundstrahlen eine ausgezeichnete Qualität erhalten.

Materialien

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