20 mJ, 1 ps Yb: YAG İnce Diskli Şarj Edici Amplifikatör

Özet

Burada Yb: YAG ince diskli rejeneratif yükselticiye dayanan yüksek enerjili, yüksek güçlü bir optik parametrik darbeli darbeli amplifikatör pompa kaynağının çalışması için bir protokol sunulmuştur.

Özet

Bu, 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG ince diskli rejeneratif yükseltici hakkında bir rapordur. Rejeneratif darbeli darbe amplifikatörünü tohumlamak için, anahtar teslimi performans ve mikrojüple seviye darbe enerjisi ile bir ev yapımı Yb: YAG ince disk, Kerr-mercek mod kilitli osilatör kullanılır. Amplifikatör, hava geçirmez muhafazaya yerleştirilir. Oda sıcaklığında çalışır ve% 5'den daha düşük darbe-darbe kararlılığı ile 5 kHz tekrarlama hızında kararlı bir çalışma sergilemektedir. 1.5 mm kalınlığında bir beta baryum borat kristali kullanarak, lazer çıktısının frekansı, 70 W'lik ortalama bir güçle,% 70 optik-optik verimliliğe karşılık gelen 515 nm'ye iki katına çıkarılır. Bu üstün performans, sistemi yakın kızılötesi ve orta kızıl ötesi spektral aralıktaki optik parametrik darbeli amplifikatörler için çekici bir pompa kaynağı haline getirir. Anahtar teslim performansı ve rejeneratif amplifikatörün üstün stabilitesini birleştiren sistem, geniş bant, CEP-kararlıtohum. Bir lazer kaynağından optik parametrik darbeli amplifikasyonun (OPCPA) tohum ve pompasının sağlanması, bu darbeler arasında aktif geçici senkronizasyon talebini ortadan kaldırır. Bu çalışma, optik parametrik darbeli darbe amplifikatörü için bir pompa kaynağı olarak, darbeli darbe amplifikasyonuna (CPA) dayanan bir Yb: YAG ince disk rejeneratif amplifikatörü kurmak ve çalıştırmak için ayrıntılı bir kılavuz sunmaktadır.

Giriş

Yüksek tekrarlama hızında yüksek enerjili, birkaç devirli lazer atımlarının üretilmesi, attosaniye feneri ^{1 , 2 , 3 , 4} ve yüksek alan fiziği ^{5 , 6} gibi uygulanan alanlarda büyük yarar sağlamaktadır ve bunlar doğrudan faydalanmaktadır Bu kaynaklardan edinilebilir. OPCPA, aynı anda birkaç devir atım sayısını destekleyen yüksek darbe enerjileri ve geniş amplifikasyon bant genişliği elde etmek için en umut verici yolu temsil eder ¹ . Bugüne kadar OPCPA, çok çevrimli darbeler ^{7 , 8 , 9 , 10} üreten ultra geniş bant amplifikasyonuna izin verir. Bununla birlikte, pikosaniye skalasında kısa pompa darbeleri kullanan OPCPA şemasının modifiye edilmiş bir uygulaması,Bu yaklaşımı birkaç çevrimli rejim ^{1 , 11 ve 12'de} daha yüksek darbe enerjileri ve ortalama güçler için ölçeklenebilir hale getiriyor. Kısa darbeli pompalı OPCPA'daki yüksek pompa yoğunluğu nedeniyle, yüksek tek geçişli kazanç, geniş amplifikasyon bant genişliklerini desteklemek için çok ince kristallerin kullanılmasına olanak tanır. Kısa darbeli pompalı OPCPA'nın birçok avantajı olmasına rağmen, bu yaklaşımın gerçeklenebilirliği, bu amaca özel olarak uyarlanmış lazerlere tabidir. Bu gibi pompa lazerlerinin, kHz ila MHz aralığı ^{13 , 14 , 15} arasında tekrarlama hızlarında yakın kırınımlı sınırlı kiriş kalitesi ile yüksek enerjili piksakiye bakliyat sunması gerekiyor.

Yüksek enerjili ve yüksek ortalama güç ile pikosaniye lazer darbeleri sağlayabilen, farklı geometrilere sahip ititerbiyum katkılı lazerlerin piyasaya sürülmesi, ^{1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18} alanlarının güncel durumunu değiştirmek üzeredir. Yb: YAG iyi bir termal iletkenliğe sahiptir ve uzun süre üst-devlet ömrüne sahiptir ve uygun maliyetli diyot lazerleri ile pompalanabilir. İnce disk geometrisinde kullanıldığında performansı, pik ve ortalama gücü aynı anda ölçeklendirmek için kazanç ortamının verimli bir şekilde soğutulması nedeniyle belirgindir. Dahası, amplifikasyon işlemi sırasında kazanç ortamı içinde kendi kendine odaklamanın meydana gelmesi, diğer kazanç ortamı geometrilerine kıyasla ince diskin narinliğinden dolayı bastırılmış ve amplifikasyonlu darbelerin mükemmel zamansal ve mekansal profilleri elde edilmiştir. Bu konsepti EBM ile birleştirmek, yüzlerce milijoule enerji ve yüzlerce saniyelik pikselsiyal darbe üretme vaat ediyorOrtalama güç watt ^{19 , 20} .

OPCPAs ²¹ pompalamak için uygun bir kaynak olarak üstün Günlük performans YAG ince disk rejeneratif amplifikatör: Bu çalışmanın amacı, bir anahtar Yb göstermektir. Bu amaca ulaşmak için, bu çalışma amplifikasyon işlemi sırasında birikmiş doğrusal olmayan fazı en aza indirgemek için amplifikatörü tohumlamak için birkaç mikron zıplama enerjili bir Yb: YAG ince disk osilatör ^{22 kullanmaktadır} . Bu protokol, başka bir yerde tanımlanan lazer sistemini kurma ve çalıştırma reçetesi sağlar ²¹ . Bileşen uygulaması ve kontrol yazılımı ile ilgili ayrıntılar sunulmuş ve sistemin hizalama işlemi anlatılmıştır.

Protokol

Dikkat: Bu ekipmanı kullanmadan önce lazerlerle ilgili olan tüm güvenlik yönetmeliklerine dikkat edin. Gözleri veya cildi doğrudan veya dağınık lazer ışınlarına maruz bırakmayın. İşlem boyunca uygun lazer güvenlik gözlükleri takın.

Şekil 1 : Yb: YAG ince diskli rejeneratif yükselticinin şematik yerleşimi. ( A ) Yb: YAG ince disk Kerr-merceği mod kilitli osilatör. Osilatör 13 m çizgisel boşluğu% 13 şanzıman çıkış bağlayıcı oluşur, -3000 fs ^2, 1 mm safir Kerr ortamı, ve bir bakır sabit açıklığın GDD üç yüksek dispersiyonlu aynalar. Tekrarlama oranını 5 kHz'e düşürmek için, 25 mm kalınlığında bir BBO kristali içeren bir darbe toplama aracı kullanılır. ( B ) EBM. İlk blok: nabız sedye ayarı içerenG iki antiparalel altın ızgaralar (1,740 hat / mm), burada tohum darbeleri geçici olarak yaklaşık 2 ns'ye gerilir. İkinci blok: 20 mm kalınlığında bir BBO kristali içeren Pockels hücresinin yüksek gerilimi uygulandığında, amplifikasyon için çekirdek darbesinin amplifikatör kavitesinde sınırlandığı rejeneratif amplifikatör. Üçüncü blok: darbeli kompresör, iki paralel dielektrik ızgaralar (1,740 hat / mm), burada yükseltilmiş darbeler geçici olarak 1 ps'ye kadar sıkıştırılır. Bu rakam Fattahi ve diğerleri tarafından değiştirilmiştir . , Referans izni ile ²¹ . Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

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

Tablo 1: Osilatörün boşluk tasarımı. ROC: eğrilik yarıçapı, OC: çıkış kuplörü, TD: ince disk, M: ayna, BP: Brewster plakası, EM: uç ayna.

Şekil 2 : Osilatör boşluğu tasarımı. Boşluk bileşenleri üzerinde hesaplanan mod yarıçapı. OC: çıkış kuplörü, TD: ince disk, M: ayna, BP: Brewster plaTe, EM: uç ayna. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

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

Tablo 2: Rejeneratif yükselticinin boşluk tasarımı. ROC: eğrilik yarıçapı, EM: sondajRor, PC: Pockels cell, M: ayna, TD: ince disk.

Şekil 3 : Rejeneratif amplifikatör boşluğu tasarımı. Boşluk bileşenleri üzerinde hesaplanan mod yarıçapı. EM: uç ayna, PC: Pockels cell, M: ayna, TD: ince disk. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

1. Osilatör

1. Osilatör için soğutma suyunu açın ( Şekil 1a ).
2. Pompa diyotlarını, ince disk kafasını ve ekmek fırını soğutmak için soğutma soğutucularını açın. Her iki soğutucudaki sıcaklığı 20 ° C'ye ayarlayın.
3. Pompa diyot ünitesinin güç kaynağını açın (bkz . Malzeme Tablosu No. 1) ve "OUTPUT ON / OFF "düğmesini tıklayın.
   NOT: Osilatör ve rejeneratif amplifikatör oyuğunu (Tablo 1 ve Tablo 2, Şekil 2 ve Şekil 3 ) simüle etmek ve tasarlamak için bir lazer oyuk simülasyon yazılımı (bkz . Malzeme Tablosu , No. 113) ²³ .
4. Güç kaynağındaki "akım" düğmesini, 210 W çıktıya karşılık gelen 26.2 A'ya ayarlayarak, ince diski (bkz . Malzeme Tablosu , No. 14) birleştirilmiş fiber vasıtasıyla 940 nm dalga boyunda pompalayın Osilatördeki lazerlemeyi sürekli dalga (CW) modunda başlatın.
5. CW modunun çıktı spektrumunu gözlemlemek için spektrometreye bir fiber bağlayın ve uygun bir zayıflatma uyguladıktan sonra puls seçiciye yerleştirin.
   1. Spektrometre yazılımında "Spektrometre" sekmesini seçin ve ardından "Cihazları Yeniden Tara" yı tıklayın.
   2. Spektrometre adını sağ tıklayınVe "Spektrum Grafiği" ni seçin.
   3. "Hedefi Seç" penceresindeki "Kabul Et" düğmesini tıklayın.
   4. Lazer ışını engelledikten sonra, araç çubuğundaki "Mağaza Karanlık Spektrum" düğmesine tıklayın ve arka plan spektrumunu çıkarmak için "Kapsam Eksi Karanlığı" düğmesine tıklayın.
   5. Spektrumun gözlemlenmesi için lazer ışınının engelini kaldırın.
6. Darbe seçiciden önce güç ölçerdeki CW modunun çıkış gücünü gözleyin.
7. Osilatörü darbeli modda çalıştırmak ve mod kilidini başlatmak için sahne arka tarafından mekanik olarak iterek Şekil 3a) lazer kavitesindeki (bir çeviri aşamasındaki) yüksek yansıtma aynasını bozun.
   NOT: Osilatör ve rejeneratif amplifikatör boşluğunda yüksek hasar eşiğine sahip yüksek yansıma aynaları kullanılmıştır (Bkz . Malzeme Tablosu No. 24 ve 28).
8. Darbeli m'nin spektrumunu ve çıktı gücünü gözlemleyinSırasıyla bir spektrometre ve bir güç ölçer kullanarak nabız seçiciden önce.
   NOT: Osilatör çıkışı 1,030 nm'lik bir dalga boyunda 25 W ortalama güç, 11 MHz tekrarlama oranı ve 4 nm spektral bant genişliği (FWHM) içerir. Osilatör optimizasyonu gerekmiyorsa, 1.9-1.14 adımlarını atlayın.
9. Spektrometre tarafından ölçülen spektrumda bir CW sivrisineği görünene kadar güç kaynağı üzerindeki akımı hafifçe arttırın.
10. CW yükselmesini en üst düzeye çıkarmak için mikrometre vidalarını dikey ve yatay olarak ayarlayarak osilatördeki sert diyaframı hizalayın (bkz. Şekil 1a ).
11. İnce disk üzerindeki pompa kiriş profilinin tükenmesine dikkat edin.
    1. Disk kamera programını çalıştırın ve "mod seç" penceresinden "Siyah Beyaz" ı seçin.
    2. İnce disk üzerindeki ışın noktasını izlemek için araç çubuğundaki "Kamera aç" düğmesini tıklayın.
12. Uç aynanın piezo doğrusal aktüatörlerini ayarlayın (Pompa kiriş profilinin ortasına hizalamak için el kumandası pedinden dikey veya yatay motor üzerindeki "+" veya "-" düğmesine basarak motorlu topuzları ayarlayın.
13. CW sivrisineği yelpazede kayboluncaya kadar güç kaynağı üzerindeki akımı hafifçe azaltın.
14. Elde edilen referans seviyelere benzer bir spektrum ve bir çıkış gücü elde edilinceye kadar 1.9-1.13'deki adımları tekrarlayın (ortalama gücü 25 W'da Şekil 4a'daki (kırmızı eğri) ölçülen spektruma bakın).
15. Çıkış sinyali trenini gözlemlemek ve darbe-darbe istikrarını belirlemek için hızlı bir foto diyodu bir osiloskopa bağlayın ve puls toplayıcıya (uygun zayıflatma kullandıktan sonra) yerleştirin.
    1. Yinelenen dalga formlarını stabilize etmek ve osiloskop ekrandaki çıkış darbe trenini izlemek için osiloskop üzerindeki "tetikleyici seviyesi" düğmesini ayarlayarak uygun bir tetikleme seviyesi seçin.
    2. Th E "Ölçme" menüsünde puls-pals istikrarını belirlemek için "Peak to Peak Amplitude" seçin.
16. Darbe toplayıcıdan önce çıkış ışın profilini gözlemleyin ve kirişle işaret eden dalgalanmaları belirleyin.
    1. Işın profiler yazılımını çalıştırın ve ışın profilini izlemek için araç çubuğundan "Git, yakala başla" düğmesine tıklayın.
    2. Araç çubuğundan "ışın dolaşımı" iletişim kutusunu açın ve ardından yeni ışın belirleme istikrar ölçümü başlatmak için "temizle" düğmesini tıklayın.
       NOT: Kirişteki dalgalanmalar veya bozulmuş kiriş profili (optik hasar, kiriş kırpma vb. Neden olur ) sistem kararlılığını bozabilir.
17. İkinci harmonik üretimi (SHG-FROG) ^{21 , 24'e} dayanan frekans özümlü optik kapılama kullanarak darbe süresini ölçün.

2. Nabız Seçici ve Nabız Sedye

İçerik "> NOT: Dikkat, darbe toplama cihazına yüksek gerilim uygulamadan önce tüm ilgili elektrik güvenlik yönetmeliklerine dikkat edin .. Uygun yüksek voltaj izolasyonunu kullanın Bu bölümü devam ettirmeden önce diyagnozu ışın yolundan kesin. Ve ayarı gerekli değildir, adımlar 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 ve 2.11'i atlayın.

1. Nabız seçici kurulumundan önce osilatörden gelen çıkış demetini nabız seçici ünite ( Madde 5 ve 7'ye bakınız) ve 25 mm kalınlığında beta baryum borat (BBO) kristali ile hizalamak için iki aynayı kullanın (bkz. Malzeme Tablosu No. 12) kızıl ötesi görüntüleyici ve lazer görüntüleme kartı yardımıyla ( Şekil 1a ).
2. Osilatör bilgisayarda nabız seçici programını çalıştırın.
3. Osiloskop üzerindeki puls seçicinin ve osilatörün puls çizgisinin anahtarlama sinyalini izleyin (adım 1.15'e bakın), hızlı bir foto yardımıylaodiode.
4. Darbe toplama programında, "gecikme parametresini tanımla" iletişim kutusundaki gecikme süresini (gecikme A) ayarlayın ve sinyal değiştirme sinyalini ve puls seçici kristalindeki darbe trenini senkronize edin.
5. Darbe treninden bir darbe seçmek için "gecikme parametrelerini tanımla" diyalog kutusunda geçiş süresi penceresini (gecikme B) ayarlayın.
6. Her 5 kHz'de bir darbe almak için "gecikme parametrelerini tanımla" iletişim kutusundan dahili tetikleme zamanı (engelleme) değerini 200 μs olarak ayarlayın.
7. Kristale yüksek voltaj uygulamak için puls seçici sürücünün güç kaynağını "açık" a çevirerek osilatörün tekrarlama oranını 11 MHz'den 5 kHz'e düşürün.
8. Nabız seçiciden sonra bir ince film polarizörünü (TFP) ( Malzeme Tablosu , No. 31'e bakın) kullanarak darbe trenindeki alınan darbeleri seçin ve kalan darbeleri bir kiriş dökümüne atın.
9. Seçilen pulsların kontrastını yarım dalga plakasını (seE Malzeme Tablosu No. 32) puls seçiciden önce.
10. Çekilen darbeleri sedye tertibatından geçirerek pulsları 2 ns'lik bir sürede gerdirmek için lazer darbesinin pik gücünü azaltın (bkz. Şekil 1a -b ).
11. Gerekirse, seçilen darbeleri sedye tertibatıyla hizalamak için puls seçici kurulumundan sonra iki aynayı kullanın.
    NOT: Sedye, büyütme işlemi sırasında optiğe zarar vermemek için darbeleri 2 ns uzatmak için 1,740 hat / mm hat yoğunluğuna sahip iki adet antiparalel altın ızgaraya sahiptir (bkz . Malzeme Tablosu , No. 20 ve 21) Rejeneratif amplifikatörde yüksek pik yoğunluğundan dolayı. Bu darbeler, bir sonraki bölümde ( Şekil 1b , üstte) açıklandığı gibi rejeneratif amplifikatörü tohumlamak için kullanılır.

3. Şebeke Geri Besleme Amfisi

Dikkat; Herkesin farkında olmakPockels hücresine yüksek voltaj uygulamadan önce ilgili elektrik güvenlik yönetmeliklerine uyun. Uygun yüksek gerilim yalıtımı kullanın. Bu bölümü devam ettirmeden önce diyagnostikleri ışın yolundan çıkartın. Tohum darbeleri Yb: YAG ince disk Kerr-merceği mod kilitli osilatörden sağlanır. Fiber amplifikatörleri gibi amplifikatörü tohumlamak için başka tohum stratejileri de kullanılabilir.

1. Rejeneratif amplifikatörün soğutma suyunu açın ( Şekil 1b , orta).
2. Pompa diyotlarını, ince diski, lazer kafasını ve Pockels hücresini soğutmak için soğutma soğutucularını açın. Soğutucuların sıcaklığını 28 ° C, 17 ° C ve 18 ° C'ye ayarlayın ve ardından kilitleme sistemini etkinleştirin.
   NOT: Yanlış hizalanmış tohum ışını amplifikatörün kararlılığını bozabilir. Rejeneratif amplifikatörü hizalamak gerekmiyorsa, 3.3-3.13 ve 3.25 adımlarını atlayın.
3. Pompa diyot ünitesinin gç beslemesini açın (bkz . Materi TablosuAls, No. 2) ve daha sonra "OUTPUT ON / OFF" düğmesine tıklayın.
4. Güç kaynağındaki "akım" düğmesini eşiğe ayarlayarak, ince diski, birleştirilmiş fiber vasıtasıyla 940 nm'lik bir dalga boyunda pompalayın.
5. Disk kamera kullanarak disk üzerindeki pompa kiriş profiline dikkat edin (bkz. Adım 1.11) ve kamera programındaki kirişin konumunu işaretlemek için disk fotoğraf makinesi programındaki "Çiz" menüsünde "Daire Geometrisi" ni seçin.
6. Güç kaynağı akımını sıfıra indirin ve ardından "ÇIKIŞ AÇMA / KAPAMA" düğmesine tıklayın. Pompa diyot ünitesinin güç kaynağını kapatın.
7. Rejeneratif amplifikatördeki çıkış demetini, sedye (çekirdek darbelerinden) ile rejeneratif amplifikatördeki bağlanma optiği boyunca hizalamak için (Pockels hücresinin arkasında) ilk-uç aynaya ulaşmak için rejeneratif amplifikatörden önce iki ayn kullanın. Bunun için kiriş profil oluşturucuyu, kızılötesi görüntüleyiciyi ve lazer görüntüleme kartını kullanın.
8. Kuvvet çevirerek amplifikatör boşluğunu kapatın(Bkz . Malzeme Tablosu , No. 33), Pockels hücresinin arkasında, boşluk içindeki lazer ışını elimine edilir.
9. Çıkışı bağlamayı hizalamak için el kumandası pedinden dikey veya yatay motordaki (sürücü 1) "+" veya "-" düğmesine basarak ilk uç aynasının motorlu düğmelerini ayarlayın.
10. Çukurluk dalga plakasını (Pockels hücresinin arkasında) oyuk içerisindeki maksimum lazer ışın yoğunluğuna erişene kadar çevirerek amplifikatör boşluğunu açın. Geri yansıyan ışını ikinci uç aynadan engelleyin.
11. Disk kamera programındaki çekirdek darbelerinin kiriş profilini izleyin ve ince diskin önce boşluk aynalardan birinin düğmelerini ayarlayarak kirişi işaretli konum ile örtüşün.
12. Geri yansıyan ışının engelini kaldırın ve disk kamera programındaki yerini izleyin.
13. Dikey veya yatay için "+" veya "-" düğmesine basarak ikinci uç ayna motorlu düğmeleri ayarlayınIşaretli konum ile arka yansıma örtüşmesi için el kumandası pedinde bulunan motor (sürücü 2).
14. Pockels hücre bilgisayarından, Pockels hücre programını çalıştırın.
    NOT: Pockels hücresi ayarı gerekli değilse, 3.15-3.18 adımlarını atlayın.
15. Hızlı bir fotodiyot yardımı ile Pokels hücresinin anahtarlama sinyalini ( Malzeme Tablosu No. 6 ve 8'e bakın) ve osiloskopdaki tohum pulsularını izleyin (bkz. Adım 1.15) ( Şekil 1b , orta).
16. Pockels hücresi programında, Pockels hücresinin geçişini ve Pockels hücre kristalindeki çekirdek darbelerini senkronize etmek için "gecikme parametrelerini tanımla" gecikme süresini (gecikme A) ayarlayın.
17. Darbe zaman çizelgesini (gecikme B), "gecikme parametrelerini tanımla" diyalog kutusundan ayarlayarak, rejeneratif yükselticinin boşluğundaki bir darbeyi pulsun 87 gidiş dönüşüne karşılık gelen 4 μs olarak sınırlayın.
18. Dahili triggeni ayarlaOranı, "gecikme parametrelerini tanımla" iletişim kutusundan "200 μs" ye ayarlayarak, hızı her 5 kHz'de bir darbeye sınırlandırın.
19. Kristal üzerine yüksek voltaj uygulamak için Pockels hücre sürücüsünün güç kaynağını açın.
20. Pompa diyot ünitesinin güç kaynağını açın ve "OUTPUT ON / OFF" düğmesine tıklayın.
21. Rejeneratif amplifikatördeki tohum darbelerini yükseltmek için güç kaynağındaki "akım" düğmesini 280 W'ya karşılık gelen 57.7 A'a ayarlayarak ince diski pompalayın.
    NOT: Güçlendirilmiş ışın, bir Faraday rotatorunun (bkz . Malzeme Tablosu No. 19) ve bir TFP kombinasyonu ile tohum demetinden ayrılmıştır. Yb: YAG osilatörü, bir izolatör ile güçlendirilmiş kirişin geri yansımasından korunmaktadır (bkz . Malzeme Tablosu No. 18).
    NOT: Pockels hücresinin ve pompa diyot ünitesinin çalışmasını Q-anahtarlama ile optiğe zarar vermemek için yukarıda belirtilen sırada tutun.
22. Kompresörden önce spektrum ve çıkış gücünü izleyin (bkz. Adımlar 1.5 ve 1.6).
    NOT: Amplifikatör çıkışı 1.030 nm'lik bir dalga boyunda 125 W ortalama güç, 5 kHz'lik tekrarlama hızı ve 1 nm'lik bir spektral bant genişliği (FWHM) içerir.
23. Osiloskop ekrandaki kompresörden önce çıkış darbe trenini gözlemleyin ve hızlı bir fotodiyot yardımıyla darbe-darbeli kararlılığı belirleyin (bkz. Adım 1.15).
24. Kompresörden önce çıkış demeti profiline dikkat edin ve kirişle işaret eden dalgalanmaları belirleyin (adım 1.16'ya bakın).
25. Gerekirse, rejeneratif amplifikatörün çalışmasını iyileştirmek için elle kumanda pedinden dikey veya yatay motor (sürücü 2) üzerindeki "+" veya "-" düğmesini iterek ikinci uç aynasının motorlu düğmelerini ince ayarlayın.
26. Kazanç daraltma etkisini karakterize edin.
    1. Tohum enerjisini nötr ile ayarlayarak farklı tohum enerji seviyeleri için yükseltmeyi düşününL yoğunluk filtreleri.
    2. 300 W'lık sabit pompa gücü için en yüksek çıkış gücünü elde etmek için gidiş dönüş sayısını değiştirin.
    3. Her vaka için çıktı spektrumuna dikkat edin.

4. Darbeli Kompresör, Işın Hizalama ve Stabilizasyon Sistemi

NOT: Bu bölüme geçmeden önce diyagnozu ışın yolundan çıkartın. Kompresörü ve kiriş sabitleyici üniteyi hizalamak gerekmiyorsa, 4.3 ve 4.6 numaralı adımları atlayın.

1. Motor kumandasındaki A (sürücü 5) üzerindeki "+" veya "-" butonuna basarak amplifikatör çıkışının bir kaç wattını göndermek suretiyle (çıkış yolunda) motorun dönen mil yatağını çevirin ( Şekil 1b , alt).
2. Güçlendirilmiş kirişi kompresör kurulumuna geçirerek lazer darbesini 1 ps'a kadar sıkıştırın.
3. Rejeneratif amplifikatör kurulumundan sonra amplifikasyonu hizalamak için iki aynayı kullanınD pulsunu kompresör kurulumundan geçirir.
   NOT: Kompresör 1,740 hat / mm hat yoğunluğu ile iki paralel dielektrik ızgaralar içerir (bkz . Malzeme Tablosu No. 22 ve 23).
4. Işın demiri dengeleyici biriminin güç kaynağını açın (bkz . Malzeme Tablosu , No. 98). Kiriş dengeleyici bilgisayarda kiriş dengeleyici programını çalıştırın.
5. Kompanzatördeki ilk ızgaradan sıfır derece kırınımını ışın stabilizatörü dedektörlerine hizalamak için ışın stabilizatörünün detektör kurulumundan önce iki aynayı kullanın.
6. Kompresörden sonra kirişin kaymasını önlemek için lazer ışını kilitlemek için kiriş dengeleyici programındaki "regülasyon" düğmesine basın. Amplifikatörün tam çıkış gücünü kompresörden geçirmek için motorlu yarım dalga plakasını tekrar çevirin. Işın demiri dengeleyici dedektörlerinin kazancını nötr yoğunluk filtresi yardımıyla ayarlayın.
7. Sıkıştırılmış p'nin zaman süresini karakterize edinSHG-FROG ^{21 , 24} kullanarak ülser.

5. OPCPA Sisteminin Pompa Kaynağı

NOT: Bu bölüme geçmeden önce diyagnozu ışın yolundan çıkartın.

1. OPCPA bilgisayarından kiriş profiler programını çalıştırın.
2. Collimate 80 GW / ^cm2 tepe şiddetine ulaşmak için uygun bir teleskop kullanılarak, kompresör sonra lazer ışını boyutunu ayarlamak ve. Kiriş profilerini, kızılötesi görüntüleyiciyi ve lazer görüntüleme kartını kullanın.
   NOT: Optik Bilim İçin Simülasyon Sistemi (SISYFOS) kodu ²⁵ üzerinde yapılan simülasyonun sonuçlarına dayanarak SHG için 1.5 mm kalınlığında bir BBO kristali seçilmiştir.
3. 515 nm'de ikinci harmonik (SH) üretmek için temel kirişi (1,030 nm) doğrusal olmayan bir kristale (1.5 mm kalınlığında BBO; Malzeme Tablosu No. 54'e bakın) yönlendirin.
4. SH kirişini açılmadan ayırın45 ^o bir harmonik ayırıcı yerleştirerek temel kiriş rted kristal sonra (Malzeme, No. 56 Tablo).
   NOT: Dönüşüm yapılmamış temel kiriş üzerinden iletilirken SH kirişi harmonik ayırıcıdan yansır.
5. SH'nin en yüksek dönüştürme verimliliğine (70%, 70 W'a karşılık gelir) ulaşmak için kristal montaj parçasını ayarlayarak SH'nin faz eşleştirme açısını kesin olarak optimize edin.
6. SH'nin ve güç metre üzerindeki dönüştürülmemiş temel kirişlerin gücüne dikkat edin (bkz. Adım 1.6).
7. SH ve dönüştürülmemiş temel kirişlerin Gauss kiriş profilini gözlemleyin (adım 1.16'ya bakın).
8. Karşılıklı frekans özümlü optik geçitleme (XFROG) ^{21 , 24} kullanarak SH darbelerinin zamansal şeklini karakterize edin.

Sonuçlar

Osilatör, 1 saate (%) darbe-pals istikrarı ve 1 saatlik ölçüm boyunca% 0.6'dan daha az kirişle işaret eden dalgalanmalar ile, 11 MHz tekrar hızında 350 fs, 2 μJ, 25 W'lık darbeler üretmektedir ( Şekil 4 ).

Şekil 4 : Yb: YAG ince diskli, Kerr-mercek mod kilitli osilatör. ( A ) Osilatör darbelerinin spektrumu (kırmızı), alınan zamansal yoğunluk profili (mavi) ve mekansal profil (inset). ( B ) Osilatörün ölçülmüş ve alınmış SHG-FROG spektrografı. Bu rakam Fattahi ve diğerleri tarafından değiştirilmiştir . , Referans ^21'den izin alınarak.> Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Tohum darbeleri,% 47'lik bir optik-optik verimliliğe tekabül eden 280 W'da 940 nm'lik bir dalga boyundaki bir CW fiber bağlı diyot ile pompalanırken, rejeneratif amplifikatörde 125 W yükseltilir. Amplifikatörün darbe-darbeli kararlılığı% 1'den az ve amplifikatör 10 saatlik sürekli çalışma sonrasında mükemmel uzun vadeli kararlılık sergiliyor. Yükseltilmiş ışın, M ² 1 (M ² _x = 1.08 ve M ² _y = 1.07) ve 1 ps'ye (FWHM'de) sıkıştırıldıktan sonra mükemmel bir zamansal profile sahip mükemmel bir mekansal profile sahiptir ( Şekil 5 ).

Şekil 5 : Şebeke geri besleme amplifikatörünün karakterizasyonuÇıktı ve kazanç daraltma etkisi. ( A ) 10 saatlik kesintisiz çalışma sonrasında rejeneratif amplifikatörün ortalama gücünün kararlılığı. Başlangıç: ( a-1 ) 0.5 saatlik bir zaman aralığında ortalama değere göre normalize edilmiş güç; ( A-2 ) Şebeke geri besleme amplifikatörünün çıkış demeti profili. ( B ) ızgaralı kompresörden sonra 100 W ortalama gücündeki lazer darbelerinin yükseltici çıkış spektrumu (yeşil) ve alınan zamansal yoğunluk (mavi). ( C ) 300 W'lık pompa gücündeki aynı çıktı ortalama gücü için amplifikatör çıktısının spektral bant genişliği (FWHM) ve gerekli turlar arasındaki tohum enerjisi. Bu rakam Fattahi ve diğerleri tarafından değiştirilmiştir . , Referans ^21'den izin alınarak. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

SHG, SISYFOS kodu ²⁵ kullanılarak analiz edildi. 1) Bir faz-eşleme açısı 13.7 ° ve doğrusal olmayan 0.819 pm / V katsayısına sahip, tip I, 6 mm kalınlığında lityum triborat (LBO) ve 2) a tip-I, 23.4 ° 'lik bir faz eşleme açısı ve 2 de / V ^{26, 27,} doğrusal olmayan bir katsayı ile 3 mm kalınlığında BBO. 1-PS 20-mJ 1.030 nm ve GW / ^cm2 simülasyon girdi olarak kabul edildi, 100 bir tepe şiddetine de titreşir. Simülasyon sonuçları BBO performansının SHG için LBO'nun performansından daha üstün olduğunu göstermiştir ( Şekil 6 ).

Şekil 6 : İkinci harmonik üretimi. ( A ) Benzetimli SHG ene6 mm kalınlığında bir LBO kristali ve 3 mm kalınlığında bir BBO kristali için rgy. ( B ) 0.5 mJ (siyah) ve 20 mJ (yeşil) amplifikatör çıkışı kullanılarak 1.5 mm kalınlığında BBO kristalinde giriş pompası zirve yoğunluğuna karşı deneysel SHG verimliliği. ( C ) Elde edilen spektral yoğunluk ve ( d ) (b) 'de A, B ve C noktalarına karşılık gelen farklı SHG etkinlikleri için XFROG ölçümlerinin grup gecikmesi. Bu rakam Fattahi ve diğerleri tarafından değiştirilmiştir . , Referans izni ile ²¹ . Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Tartışmalar

Osilatörün anahtar teslimi çalışması, lazerin farklı bileşenlerinin optimum ısı yönetimi ile gerçekleştirilir. Osilatörün çıkışı, ekstra hizalama veya optimizasyona gerek kalmaksızın günlük olarak tekrar edilebilir. Buna ek olarak, tohum lazerinin puls-to-pulse enerji kararlılığı ve uzamsal işaretleme stabilitesi, rejeneratif amplifikatörün kararlı çalışmasını sağlamak için ön koşulları yerine getirmektedir.

Fiber amplifikatörler gibi düşük enerjili diğer tohum kaynakları, amplifikatörü tohumlamak için kullanılabilir. Bu çalışmada, birikmiş doğrusal olmayan fazların büyümesini azaltarak rejeneratif amplifikatörün amplifikasyonuna yardımcı olmak için 2 μJ Yb: YAG ince disk KLM osilatörü kullanıldı, zira daha yüksek giren tohum enerjisi için gereken sayıda dolaşım azaltıldı . Buna ek olarak, daha yüksek tohum enerjisi amplifikasyon sürecini etkiler ve kazanç daralmasını azaltır. Güçlendirilmiş pulsların ölçülen spektral bant genişliğiSabit bir pompa gücündeki farklı tohum enerjileri için Şekil 5c'de gösterilmiştir. Genleşmiş spektral bant genişliği, kazanç daralması nedeniyle daha düşük tohum enerjileri için azalır. 10 pJ tohum enerjisi için lazer, katlama periyodunda çalışır ve gidiş-dönüş sayısını artırarak bile kararlı bir şekilde çalışmak mümkün değildir. Soğutma sistemlerinin dikkatle optimizasyonu ve diyotların güç kaynağına ek olarak, rejeneratif amplifikatörün doygunlukta çalışması, amplifikatörün elde edilen kararlılığında önemli bir rol oynamaktadır.

Lazerin temel veya ikinci harmoniği OPCPA sistemini pompalamak için kullanılabilir. SHG için, bir LBO ve bir BBO kristali performansları, daha geniş uzaysal yürüme mesafesine ve BBO durumunda sınırlı mevcut diyaframa rağmen yüksek bir doğrusal olmayan katsayı ve hasar eşiğine sahip oldukları için karşılaştırıldı. BBO'nun doğrusal olmayan katsayısı, LBO'nun neredeyse iki katıdır, daha kısa bir kristal suf'durSHG için doygunluk sınırına erişmek yetersizdir ( Şekil 6a ). Bu nedenle, birikmiş doğrusal olmayan faz daha küçük olduğu için BBO daha uygun bir seçimdir ²⁸ .

SH darbelerinin atış süreleri, farklı dönüşüm verimlerinde deneysel olarak karakterize edilir. Yüksek dönüşüm verimlerinde, SHG spektrumu genişledi ve daha yüksek dereceli bir spektral faz ortaya çıktı ( Şekil 6 ). Bu nedenle, B durumu,% 70 dönüşüm etkinliği ile SH ve dönüştürülmemiş temel kirişlerin mükemmel kaliteyi koruduğu durumlarda seçilir.

Malzemeler

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