20 mJ, 1 ps Yb : YAG Thin-disk 재생 앰프
Summary
Yb : YAG 박막 디스크 재생 증폭기를 기반으로하는 고 에너지, 고출력 광 파라 메트릭 처프 펄스 증폭기 펌프 소스의 작동을위한 프로토콜이 여기에 제시됩니다.
Abstract
이 보고서는 100W, 20mJ, 1ps Yb : YAG 박막 디스크 재생 증폭기에 대한 보고서입니다. 수제 Yb : YAG 박막 디스크, 턴 – 키 성능 및 마이크로 줄 레벨 펄스 에너지를 갖는 Kerr-lens 모드 고정 발진기는 재생성 Chirped-Pulse 증폭기를 시드하는 데 사용됩니다. 앰프는 밀폐 된 하우징에 설치됩니다. 실온에서 작동하며 펄스 – 펄스 안정성이 1 % 미만인 5kHz 반복 속도에서 안정적인 작동을 보입니다. 1.5mm 두께의 베타 바륨 붕산염 결정체를 사용함으로써, 레이저 출력의 주파수는 515nm로 두 배가되고 평균 전력은 70W로 광학 – 광학 효율은 70 %에 해당한다. 이 우수한 성능으로 시스템은 근적외선 및 중 적외선 스펙트럼 범위의 광 파라 메트릭 처프 펄스 펄스 증폭기의 매력적인 펌프 소스가됩니다. 턴 – 키 성능과 재생 앰프의 탁월한 안정성을 결합한이 시스템은 광대역의 CEP 안정화씨. 하나의 레이저 소스로부터 OPCPA (optical parametric chirped-pulse amplification)의 시드 및 펌프를 제공하면 이러한 펄스 사이의 활성 시간 동기화 요구가 사라집니다. 이 작품은 광학 매개 변수 처프 펄스 증폭기의 펌프 소스로 Chirped-Pulse Amplification (CPP)에 기반한 Yb : YAG 박막 디스크 재생 증폭기를 설치하고 작동하는 방법에 대한 자세한 안내를 제공합니다.
Introduction
높은 반복률의 고 에너지, 소수 사이클 레이저 펄스의 생성은 attosecond science 1 , 2 , 3 , 4 및 직접적으로 이익을 얻는 대장학 물리 5 , 6 과 같은 응용 분야에 큰 관심을 끈다. 그러한 출처의 가용성으로부터. OPCPA 동시에 몇 사이클 펄스 1을 지원 높은 펄스 에너지와 큰 증폭 대역폭을 달성하기위한 가장 유망한 경로를 나타낸다. 현재까지 OPCPA는 초 광대역 증폭이 가능하여 7 , 8 , 9 , 10 번의 펄스를 생성합니다. 그러나 피코 초 단위로 짧은 펌프 펄스를 사용하는 OPCPA 방식의 수정 된 구현은훨씬 더 높은 펄스 에너지와 소수의 사이클 체제 1, 11, 12의 평균 전력에 대한 이러한 접근은 확장하기. 단 펄스로 펌핑 된 OPCPA에서 높은 펌프 강도로 인해 높은 단일 패스 게인은 매우 넓은 크리스털 대역폭을 지원하기 위해 매우 얇은 크리스털을 사용할 수 있습니다. 짧은 펄스로 펌핑 된 OPCPA에는 많은 장점이 있지만,이 접근법의 실현 가능성은이 목적을 위해 특별히 고안된 레이저의 가용성에 달려 있습니다. 이러한 펌프 레이저는 kHz에서 MHz 범위 13 , 14 , 15의 반복 속도에서 거의 회절 제한된 빔 품질의 고 에너지 피코 초 펄스를 전달해야합니다.
고 에너지 및 높은 평균 출력으로 피코 초 레이저 펄스를 전달할 수있는 여러 가지 형상의 이터 븀 도핑 된 레이저 도입필드 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 의 현재 상태를 변경하려고합니다. Yb : YAG는 열전도율이 우수하고 상온 수명이 길며 경제적 인 다이오드 레이저로 펌핑 할 수 있습니다. 얇은 디스크 지오메트리에서 사용할 때의 성능은 피크 미디어와 평균 파워를 동시에 조정할 수있는 이득 매체의 효율적인 냉각으로 인해 탁월합니다. 더욱이, 증폭 과정 동안 이득 매질 내부에서 자체 집광의 발생은 다른 이득 매체 구조와 비교하여 얇은 디스크의 가늘어 짐으로 인해 억제되어, 증폭 된 펄스의 우수한 시간 및 공간 프로파일을 초래한다. CPA와 함께이 개념을 결합하면 수백 밀리 줄의 에너지와 수백 개의 피코 초 펄스를 생성 할 수 있습니다.평균 전력 19 , 20 와트
OPCPAs (21)를 펌핑에 적합한 소스로 뛰어난 일일 실적과 YAG 얇은 디스크 재생 앰프 : 본 연구의 목적은 턴키 YB을 설명하는 것입니다. 이 목표를 달성하기 위해이 연구에서는 증폭 과정에서 누적 된 비선형 위상을 최소화하기 위해 증폭기를 시드하기 위해 펄스 에너지의 몇 마이크로 주울을 갖는 Yb : YAG 박막 디스크 발진기 22 를 사용합니다. 이 프로토콜은 다른 곳에서 설명 된 레이저 시스템을 구축하고 작동시키는 방법을 제공합니다 21 . 구성 요소 구현 및 제어 소프트웨어에 대한 세부 사항이 제시되고 시스템의 정렬 프로세스가 설명됩니다.
Protocol
주의 :이 장비를 사용하기 전에 레이저 관련 안전 규정을 숙지하십시오. 직접 또는 산란 된 레이저 광선에 눈이나 피부가 노출되지 않도록하십시오. 이 과정에서 적절한 레이저 안전 고글을 착용하십시오. 그림 1 : Yb : YAG 박막 디스크 재생 증폭기의 회로도 ( a ) Yb : YAG 박막 디스크 Kerr 렌즈 모드 고정 발진기. 발진기의 13m 선형 캐비티는 13 % 전송 출력 커플러, -3,000 fs 2의 GDD를 갖는 3 개의 고 분산 미러, 1mm 사파이어 Kerr 매체 및 구리 하드 애 퍼처로 구성됩니다. 25mm 두께의 BBO 결정을 포함하는 펄스 피커 (pulse picker)가 반복 속도를 5kHz로 줄이기 위해 사용됩니다. ( b ) CPA. 첫 번째 블록 : pulse stretcher setup containing 두 개의 반 평행 금 격자 (1,740 lines / mm). 시드 펄스는 약 2 ns로 시간적으로 늘어납니다. 두 번째 블록 : 20mm 두께의 BBO 결정을 포함하는 포켈 셀의 고전압이인가 될 때 증폭을 위해 시드 펄스가 앰프 캐비티에 갇혀있는 재생 증폭기. 세 번째 블록 : 두 개의 병렬 유전체 격자 (1,740 lines / mm)를 포함하는 펄스 압축기. 여기에서 증폭 된 펄스는 1 ps로 일시적으로 압축됩니다. 이 수치는 Fattahi et al. , 참고 문헌 21의 허가를 얻어서 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 구성 요소 큰 괴조 거리 (mm) (mm) OC ∞ 0 TD -17000 600 남 1 -1000 5000 혈압 ∞ 510 남 2 -1000 510 여자 이름 ∞ 800 표 1 : 발진기의 캐비티 설계. ROC : 곡률 반경, OC : 출력 커플러, TD : 박형 디스크, M : 미러, BP : 브루스터 플레이트, EM : 엔드 미러. 그림 2 : 발진기 캐비티 설계. 캐비티 구성 요소의 계산 된 모드 반경. OC : 출력 커플러, TD : 박막 디스크, M : 미러, BP : 브루스터 플레이트EM, 엔드 미러. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 구성 요소 큰 괴조 거리 (mm) (mm) EM 1 ∞ 0 PC ∞ 200 남 1 -5000 525 남 2 1500 1500 TD -2000 1050 EM 2 -2000 2350 표 2 : 회생 증폭기의 캐비티 설계. ROC : 곡률 반경, EM : 엔드 밀ror, PC : 포켈 셀, M : 미러, TD : 얇은 디스크. 그림 3 : 재생 앰프 공동 설계. 캐비티 구성 요소의 계산 된 모드 반경. EM : 엔드 미러, PC : 포켈 셀, M : 미러, TD : 얇은 디스크. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 1. 발진기 발진기의 냉각수를 켜십시오 ( 그림 1a ). 냉각 냉각기를 켜고 펌프 다이오드, 얇은 디스크 헤드 및 브레드 보드를 냉각시킵니다. 두 냉각기의 온도를 모두 20 ° C로 설정하십시오. 펌프 다이오드 장치의 전원 공급 장치를 켜고 ( 표 1 참조) "OUTPUT ON / OFF "버튼을 누릅니다. 참고 : 레이저 캐비티 시뮬레이션 소프트웨어 (표 1 및 표 2, 그림 2 및 그림 3 ) 23 을 사용하여 발진기 및 회생 증폭기 캐비티를 시뮬레이션하고 설계하는 데 테이블 표 재료 참조 번호 113을 사용했습니다. 파워 서플라이의 "전류"노브를 210W 출력에 해당하는 26.2A로 설정하여 940nm의 파장에서 결합 된 파이버를 통해 얇은 디스크를 펌핑하십시오 ( 표 14 참조). 연속파 (CW) 모드에서 오실레이터에서 레이 징을 시작하십시오. CW 모드의 출력 스펙트럼을 관찰하려면 광섬유를 분광계에 연결하고 적절한 감쇠를 사용한 후 펄스 선택기 앞에 놓으십시오. 분광계 소프트웨어에서 "Spectrometer"탭을 선택한 다음 "Rescan Devices"를 클릭하십시오. 분광계 이름을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하십시오."Spectrum Graph"를 선택하십시오. "Choose Target"창에서 "Accept"버튼을 클릭하십시오. 레이저 빔을 차단 한 후 툴바에서 "Dark Spectrum 저장"버튼을 클릭하고 "Scope Minus Dark"버튼을 클릭하여 배경 스펙트럼을 뺍니다. 스펙트럼을 관찰하기 위해 레이저 빔 차단을 해제하십시오. 펄스 피커 전에 파워 미터에서 CW 모드의 출력을 관찰하십시오. 발진기를 펄스 모드로 작동시키고 모드 잠금을 시작하려면 후면 ( 그림 1a )에서 스테이지를 기계적으로 밀어 레이저 캐비티 내부의 고 반사율 미러 (번역 스테이지)를 교란합니다. 참고 : 높은 손상 임계 값을 가진 높은 반사율의 거울이 발진기 및 재생 증폭기 공동에 사용되었습니다 ( 재료 표 24 및 28 참조). 펄스 및 펄스의 출력을 관찰하십시오.분광계와 파워 미터를 사용하여 펄스 피커 앞에 각각 놓습니다. 참고 : 오실레이터 출력은 1,030 nm 파장, 11 MHz 반복 속도 및 4 nm 스펙트럼 대역폭 (FWHM)에서 평균 전력이 25 W입니다. 오실레이터 최적화가 필요하지 않으면 1.9-1.14 단계를 건너 뜁니다. 분광계로 측정 된 스펙트럼에 CW 스파이크가 나타날 때까지 전원 공급 장치의 전류를 약간 올립니다. CW 스파이크를 최대화하기 위해 마이크로 미터 나사를 수직 및 수평으로 조정하여 오실레이터의 하드 애 퍼트 ( 그림 1a 참조)를 맞 춥니 다. 얇은 디스크에서 펌프 빔 프로파일의 고갈을 관찰하십시오. 디스크 카메라 프로그램을 실행하고 "모드 선택"창에서 "흑백"을 선택하십시오. 툴바에서 "카메라 열기"버튼을 클릭하여 얇은 디스크에 빔 스폿을 관찰합니다. 엔드 미러의 피에조 리니어 액추에이터 조정 (수동 제어 패드에서 수직 또는 수평 모터의 "+"또는 "-"버튼을 눌러 펌프 빔 프로파일의 중심에이 공핍을 정렬 시키십시오. CW 스파이크가 스펙트럼에서 사라질 때까지 전원 공급 장치의 전류를 약간 줄입니다. 획득 된 기준 레벨과 유사한 스펙트럼과 출력이 달성 될 때까지 1.9-1.13의 단계를 반복하십시오 (평균 전력 25W에서 그림 4a 의 측정 된 스펙트럼 (적색 곡선) 참조). 출력 펄스 트레인을 관찰하고 펄스 대 펄스 안정성을 결정하려면 고속 포토 다이오드를 오실로스코프에 연결하고 펄스 감쇠기 앞에 놓습니다 (적절한 감쇠를 사용한 후). 반복 파형을 안정화시키고 오실로스코프 화면에서 출력 펄스 트레인을 관찰하려면 오실로스코프의 "트리거 레벨"노브를 조정하여 적절한 트리거 레벨을 선택하십시오. ~부터 "Measure"메뉴에서 "Peak to Peak Amplitude"를 선택하여 pulse-to-pulse 안정성을 결정하십시오. 펄스 피커 앞에 출력 빔 프로파일을 관찰하고 빔 포인팅 변동을 확인합니다. 빔 프로파일 러 소프트웨어를 실행하고 도구 막대에서 "이동하여 캡처 시작"버튼을 클릭하여 빔 프로파일을 관찰합니다. 도구 모음에서 "빔 방황"대화 상자를 연 다음 "지우기"버튼을 클릭하여 새로운 빔 포인팅 안정성 측정을 시작합니다. 참고 : 빔의 변동 또는 왜곡 된 빔 프로파일 (광학 손상, 빔 클리핑 등으로 인해 발생)은 시스템 안정성을 저하시킬 수 있습니다. 2 차 고조파 발생 (SHG-FROG) 21 , 24에 기초한 주파수 분해 된 광학 게이팅을 사용하여 펄스 지속 시간을 측정하십시오. 2. 펄스 피커 및 펄스 들것 내용 "> 참고 : 펄스 피커에 고전압을 적용하기 전에 모든 관련 전기 안전 규정을 숙지하십시오. 적절한 고전압 절연을 사용하십시오.이 절을 진행하기 전에 빔 경로에서 진단 프로그램을 제거하십시오. 펄스 피커를 정렬하는 경우 설정이 필요하지 않은 경우 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 및 2.11 단계를 건너 뜁니다. 오실레이터의 출력 빔을 펄스 피커 장치 ( 표 5 및 표 7 참조)와 25mm 두께의 베타 바륨 붕산염 (BBO) 결정을 통해 정렬하려면 펄스 피커 설정 전에 두 개의 거울을 사용하십시오 (참조 Table of Materials , No. 12) 적외선 뷰어와 레이저 뷰잉 카드 ( 그림 1a )의 도움을받습니다. 발진기 컴퓨터에서 펄스 피커 프로그램을 실행하십시오. 빠른 광의 도움으로 오실로스코프에서 오실로스코프의 펄스 피커와 펄스 트레인의 스위칭 신호를 관찰합니다 (단계 1.15 참조).odiode. 펄스 피커 프로그램에서 "지연 파라미터 정의"대화 상자에서 지연 시간 (지연 A)을 설정하여 스위칭 신호와 펄스 피커 크리스털에서 펄스 트레인을 동기화합니다. "지연 파라미터 정의"대화 상자에서 스위칭 시간 창 (지연 B)을 설정하여 펄스 트레인에서 하나의 펄스를 선택합니다. "지연 매개 변수 정의"대화 상자의 내부 트리거 시간 (금지)을 200 μs로 설정하여 매 5 kHz마다 하나의 펄스를 선택하십시오. 크리스탈에 높은 전압을 적용하기 위해 펄스 피커 드라이버의 전원을 "켜기"로 전환하여 오실레이터의 반복 속도를 11 MHz에서 5 kHz로 줄입니다. 펄스 선택기 다음에 박막 편광판 (TFP) ( 표 31 참조)을 사용하여 펄스 트 렉에서 선택된 펄스를 선택하고 나머지 펄스를 빔 덤프로 덤프합니다. 1/2 파장 판을 조정하여 선택된 펄스의 대비를 향상시킵니다 (see Table of Materials , No. 32)를 사용하십시오. 픽업 된 펄스를 스트레처 설정을 통과시켜 펄스를 2 ns의 지속 시간으로 늘려서 레이저 펄스의 최대 출력을 줄입니다 ( 그림 1a- b 참조). 펄스 피커 설정 후 두 개의 거울을 사용하여 필요한 경우 들것 설정을 통해 선택한 펄스를 정렬합니다. 참고 : 들것에는 증폭 과정에서 광학 기기가 손상되는 것을 피하기 위해 2 ns의 지속 시간으로 펄스를 늘리기 위해 1,740 lines / mm의 선밀도를 갖는 2 개의 역 평행 금 격자 ( 표 20, 21 참조)가 있습니다 높은 피크 세기로 인해 재생 앰프에서. 이러한 펄스는 다음 섹션 ( 그림 1b , 상단)에 설명 된대로 재생 앰프를 시드하는 데 사용됩니다. 3. 재생 앰프 주의; 모든 것을 알고 있어야한다.Pockels 셀에 고전압을 적용하기 전에 관련 전기 안전 규정을 준수해야합니다. 적절한 고전압 절연을 사용하십시오. 이 섹션을 진행하기 전에 빔 경로에서 진단을 제거하십시오. 시드 펄스는 Yb : YAG 박막 디스크 Kerr 렌즈 모드 고정 오실레이터에서 제공됩니다. 파이버 증폭기와 같은 다른 시드 전략을 사용하여 증폭기를 시드 할 수 있습니다. 재생 앰프의 냉각수를 켜십시오 ( 그림 1b , 가운데). 냉각 냉각기를 켜고 펌프 다이오드, 얇은 디스크, 레이저 헤드 및 포켈 셀을 냉각시킵니다. 냉각기의 온도를 28 ° C, 17 ° C 및 18 ° C로 설정 한 다음 인터록 시스템을 활성화하십시오. 참고 : 시드 빔이 잘못 정렬되면 증폭기 안정성이 저하 될 수 있습니다. 재생 앰프를 정렬 할 필요가 없다면 3.3-3.13 및 3.25 단계를 건너 뜁니다. 펌프 다이오드 장치의 전원 공급 장치를 켭니다 ( Materi 표 참조).2 번)을 선택하고 "OUTPUT ON / OFF"버튼을 클릭하십시오. 전원 공급 장치의 "현재"손잡이를 임계 값으로 설정하여 940 nm의 파장에서 결합 된 광섬유를 통해 얇은 디스크를 펌핑하십시오. 디스크 카메라 (단계 1.11 참조)를 사용하여 디스크의 펌프 빔 프로파일을 관찰하고 디스크 카메라 프로그램의 "그리기"메뉴에서 "원 형상"을 선택하여 카메라 프로그램에서 빔의 위치를 표시하십시오. 전원 공급 장치 전류를 0으로 줄인 다음 "OUTPUT ON / OFF"버튼을 클릭하십시오. 펌프 다이오드 장치의 전원 공급 장치를 끄십시오. 재생 증폭기 앞의 두 개의 거울을 사용하여 재생 에너지 증폭기의 인 커플 링 광학 장치를 통해 들것 (씨앗 펄스)의 출력 빔을 정렬하여 첫 번째 엔드 미러 (Pockels 셀 뒤쪽)에 도달시킵니다. 빔 프로파일 러, 적외선 뷰어 및 레이저 뷰 카드를 사용하여이를 도와줍니다. 쿼트를 돌려서 앰프 캐비티를 닫습니다.(Pockels) 셀 뒤쪽의 표 ( Table of Materials , 33 번 참조)를 사용하여 캐비티 내부의 레이저 빔을 제거합니다. 수동 제어 패드에서 수직 또는 수평 모터 (드라이버 1)의 "+"또는 "-"버튼을 눌러 아웃 커플 링 빔을 정렬하여 선단 미러의 전동 손잡이를 조정합니다. 캐비티 내부에서 최대 레이저 빔 강도가 될 때까지 1/4 파장 판 (Pockels 셀 뒤쪽)을 돌려 증폭기 캐비티를 엽니 다. 두 번째 끝 거울에서 반사 된 광선을 차단합니다. 디스크 카메라 프로그램에서 시드 펄스의 빔 프로파일을 관찰하고 얇은 디스크 앞에있는 캐비티 미러 중 하나의 노브를 조정하여 표시된 위치와 빔을 겹칩니다. 반사 된 빔을 차단 해제하고 디스크 카메라 프로그램에서 그 위치를 관찰하십시오. 세로 또는 가로 방향의 "+"또는 "-"버튼을 눌러 두 번째 엔드 미러의 전동 손잡이를 조정하십시오모터 (드라이버 2)를 손으로 짚어 주어야합니다. Pockels 셀 컴퓨터에서 Pockels 셀 프로그램을 실행하십시오. 참고 : Pockels 셀 설정이 필요하지 않은 경우 3.15-3.18 단계를 건너 뜁니다. 빠른 포토 다이오드 ( 그림 1b , 중간)를 사용하여 Pockels 셀 ( 표 6 참조)과 오실로스코프의 시드 펄스 (단계 1.15 참조)의 스위칭 신호를 관찰합니다. Pockels 셀 프로그램에서 "지연 매개 변수 정의"대화 상자에서 지연 시간 (지연 A)을 설정하여 Pockels 셀의 전환과 Pockels 셀 결정의 시드 펄스를 동기화합니다. "지연 매개 변수 정의"대화 상자에서 스위칭 시간 창 (지연 B)을 설정하여 회생 앰프의 공동 내부에있는 하나의 펄스를 펄스의 왕복 87 회에 해당하는 4 μs로 제한하십시오. 내부 트 리지 설정"지연 매개 변수 정의"대화 상자에서 "200 μs"로 시간을 제한 (억제)하여 속도를 매 5 kHz마다 하나의 펄스로 제한하십시오. 크리스털에 고전압을 적용하려면 Pockels 셀 드라이버의 전원 공급 장치를 켭니다. 펌프 다이오드 유닛의 전원을 켜고 "OUTPUT ON / OFF"버튼을 클릭하십시오. 재생 앰프에서 시드 펄스를 증폭하려면 전원 공급 장치의 "전류"노브를 280 W에 해당하는 57.7 A로 설정하여 얇은 디스크를 펌핑하십시오. 참고 : 증폭 된 빔은 패러데이 회 전자 (19 번 표 참조)와 TFP의 조합으로 종자 빔과 분리됩니다. Yb : YAG 발진기는 아이솔레이터 ( 표 18 참조)를 통해 증폭 된 빔의 후면 반사로부터 보호됩니다. 참고 : Q- 스위치로 광학 장치가 손상되지 않도록 위에 언급 한 순서대로 포켈 셀 및 펌프 다이오드 장치를 작동 상태로 유지하십시오. 압축기 전에 스펙트럼과 출력을 관찰하십시오 (1.5 및 1.6 단계 참조). 참고 : 증폭기 출력은 1,030 nm 파장, 5 kHz 반복 속도 및 1 nm 스펙트럼 대역폭 (FWHM)에서 평균 전력이 125 W입니다. 오실로스코프 화면에서 압축기 이전의 출력 펄스 트레인을 관찰하고 고속 포토 다이오드를 사용하여 펄스 대 펄스 안정성을 결정하십시오 (1.15 단계 참조). 압축기 앞에 출력 빔 프로파일을 관찰하고 빔 포인팅 변동을 확인합니다 (1.16 참조). 필요한 경우 회생 증폭기의 작동을 향상시키기 위해 손 – 제어 패드에서 수직 또는 수평 모터 (드라이버 2)의 "+"또는 "-"버튼을 눌러 두 번째 엔드 미러의 전동 손잡이를 미세하게 조정합니다. 이득 감소 효과를 특성화하십시오. 중성자로 종자 에너지를 조정하여 다양한 종자 에너지 수준에 대한 증폭을 고려하십시오1- 밀도 필터. 왕복 횟수를 변경하여 300W의 고정 된 펌프 전력에 대해 최고 출력을 얻습니다. 각 경우의 출력 스펙트럼을 관찰하십시오. 4. Pulse Compressor, Beam Alignment 및 Stabilization System 주 :이 절을 진행하기 전에 빔 경로에서 진단 프로그램을 제거하십시오. 압축기와 빔 안정 장치를 정렬 할 필요가 없다면 4.3 및 4.6 단계를 건너 뜁니다. 수동 제어 패드에서 모터 A (드라이버 5)의 "+"또는 "-"버튼을 눌러 앰프 출력의 몇 와트를 보내고 (출력 경로에서) 1/2 파장 판의 모터 회전 마운트를 돌립니다 ( 그림 1b , 하단). 압축 된 빔을 압축기 설정을 통과시켜 1 ps까지 레이저 펄스를 압축합니다. 회생 앰프 설정 후 두 개의 거울을 사용하여 앰프를 정렬하십시오필요한 경우 컴프레서 설정을 통해 d 펄스를 출력합니다. 참고 : 압축기는 1,740 라인 / mm의 선밀도를 갖는 두 개의 평행 유전체 격자 ( 재료 표 22 및 23 참조)를 포함합니다. 빔 안정 장치의 전원을 켜십시오 ( 재료 표 번호 98 참조). 빔 안정기 컴퓨터에서 빔 안정기 프로그램을 실행하십시오. 빔 안정기의 검출기 설정 전에 두 개의 미러를 사용하여 압축기의 첫 번째 격자에서 빔 안정기 검출기로의 0 차 회절을 정렬하십시오. 빔 안정기 프로그램의 "조절"버튼을 눌러 압축기 다음의 빔 드리프트를 피하기 위해 레이저 빔을 잠급니다. 전동기의 1/2 파장 판을 다시 돌려 컴프레서를 통해 앰프의 전체 출력을 통과시킵니다. 중립 밀도 필터를 사용하여 빔 스태빌라이저 감지기의 게인을 조정하십시오. 압축 된 p의 지속 시간 특성화SHG-FROG 21 , 24를 이용한 ulses. 5. OPCPA 시스템의 펌프 소스 주 :이 절을 진행하기 전에 빔 경로에서 진단 프로그램을 제거하십시오. OPCPA 컴퓨터에서 빔 프로파일 러의 프로그램을 실행하십시오. 적절한 망원경을 사용하여 80GW / cm 2 의 피크 강도에 도달하는 압축기 후 레이저 빔 크기를 시준하고 조정합니다. 빔 프로파일 러, 적외선 뷰어 및 레이저 뷰 카드를 사용하십시오. 참고 : 광학 과학 용 시뮬레이션 시스템 (SISYFOS) 코드 25에서 수행 된 시뮬레이션 결과를 기반으로 SHG 용으로 1.5mm 두께의 BBO 결정이 선택되었습니다. 비선형 결정 (1.5mm 두께의 BBO, 표 54 참조)을 통해 기본 빔 (1,030nm)을 안내하여 515nm에서 2 차 고조파 (SH)를 생성합니다. unconve에서 SH 광선을 분리하십시오결정 후 고조파 분리기를 45 o ( 표 56 의 재료 표 참조)에 배치하여 기본 빔을 비춘다. 참고 : SH 빔은 고조파 분리기에서 반사되지만 변환되지 않은 기본 빔은 투과됩니다. 수정 마운트의 손잡이를 조정하여 SH의 최고 변환 효율 (70 %, 70W에 해당)에 도달하도록 SH의 위상 정합 각도를 정확하게 최적화합니다. SH의 전력과 변환되지 않은 기본 빔을 전력계에서 관찰하십시오 (1.6 단계 참조). SH와가 변환되지 않은 기본 빔의 가우시안 빔 프로파일을 관찰하십시오 (1.16 참조). 상호 상관 주파수 분해 광학 게이팅 (XFROG) 21 , 24를 사용하여 SH 펄스의 시간 모양을 특성화합니다.
Representative Results
오실레이터는 11MHz 반복 속도에서 350fs, 2μJ, 25W 펄스를 제공하며 펄스 투 펄스 (pulse-to-pulse) 안정성이 1 % (rms)이고 빔 포인팅 요동이 1 시간 동안 0.6 % 미만입니다 ( 그림 4 ). 그림 4 : Yb : YAG 박막 디스크, Kerr 렌즈 모드 잠금 오실레이터 ( a ) 발진기 펄스의 스펙트럼 (적색), 검색된 시간 강도 프로파일 (파란색) 및 공간 프로파일 (삽입). ( b ) 오실레이터의 SHG-FROG 분광기 측정 및 검색. 이 수치는 Fattahi et al. 참조 21의 허가를 얻어야한다.>이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 시드 펄스는 280W에서 940nm의 파장에서 CW 광 결합 다이오드로 펌핑되는 동안 재생 증폭기에서 125W로 증폭되며 47 %의 광 대 광 효율에 해당합니다. 증폭기의 펄스 – 펄스 안정성은 1 % 미만이며, 연속 동작 10 시간 후 우수한 장기 안정성을 보입니다. 증폭 된 빔은 M 2 가 1 (M 2 x = 1.08 및 M 2 y = 1.07)이고 압축 후 1 ps (FWHM에서)에 우수한 시간 프로파일을 갖는 우수한 공간 프로파일을 갖는다 ( 그림 5 ). 그림 5 : 재생 앰프의 특성출력 및 게인 – 감소 효과가있다. ( a ) 연속 운전 10 시간 후 재생 증폭기 평균 전력의 안정성. 삽입 : ( a-1 ) 평균 시간에 0.5 시간의 평균 전력으로 정규화 된 전력; ( a-2 ) 회생 증폭기의 출력 빔 프로파일. ( b ) 격자 압축기 이후 평균 출력 100W에서 레이저 출력 스펙트럼 (녹색) 및 검색된 시간 강도 (청색). ( c ) 증폭기 출력의 종단 에너지 대 스펙트럼 대역폭 (FWHM) 및 펌프 출력 300W에서 동일한 출력 평균 전력에 대해 요구되는 왕복 시간. 이 수치는 Fattahi et al. 참조 21의 허가를 얻어야한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> SHG는 SISYFOS 코드 25를 사용하여 분석되었습니다. 다음과 같은 파라미터를 가진 두 개의 다른 결정이 고려되었다 : 1) 위상 정합 각이 13.7 °이고 비선형 계수가 0.819 pm / V 인 I 형, 6 mm 두께의 리튬 트리 보레이트 (LBO) 및 2) 타입 -1, 23.4 °의 위상 정합 각 및 2 pm / V의 비선형 계수 26 , 27 을 갖는 3mm 두께의 BBO. 1030 nm에서 1 ps, 20 mJ 펄스 및 100 GW / cm 2 의 피크 강도가 시뮬레이션의 입력으로 고려되었다. 시뮬레이션 결과 BBO 성능은 SHG의 LBO 성능보다 우수함이 확인되었습니다 ( 그림 6 ). 그림 6 : 2 차 고조파 생성. ( a ) Simulated SHG ENE6mm 두께의 LBO 결정체와 3mm 두께의 BBO 결정체의 경우 rgy. ( b ) 증폭기 출력의 0.5 mJ (흑색) 및 20 mJ (녹색)를 사용하는 1.5 mm 두께의 BBO 결정에서의 실험적 SHG 효율 대 입력 펌프 피크 강도. ( c ) ( b )의 점 A, B 및 C에 대응하는 상이한 SHG 효율에 대한 검색된 스펙트럼 강도 및 ( d ) XFROG 측정의 군 지연. 이 수치는 Fattahi et al. , 참고 문헌 21의 허가를 얻어서 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
발진기의 턴키 작동은 레이저의 다른 구성 요소의 최적 열 관리로 수행됩니다. 오실레이터의 출력은 추가 정렬이나 최적화가 필요없이 매일 반복 재생이 가능합니다. 또한, 펄스 레이저 펄스 에너지 안정성 및 공간 포인팅 안정성은 재생 증폭기의 안정적인 작동을 달성하기위한 전제 조건을 충족시킵니다.
파이버 증폭기와 같은 다른 저에너지 종자 소스를 사용하여 증폭기를 시드 할 수 있습니다. 이 연구에서는 축적 된 비선형 위상의 성장을 줄임으로써 재생 증폭기의 증폭을 돕기 위해 2μJ Yb : YAG 박막 디스크 KLM 발진기가 사용되었는데, 이는 높은 입력 종자 에너지에 대해 필요한 왕복 횟수가 줄어들었기 때문입니다 . 또한 시드 에너지가 높을수록 증폭 과정에 영향을 미치고 게인을 줄입니다. 증폭 된 펄스의 측정 된 스펙트럼 대역폭고정 된 펌프 출력에서의 상이한 시드 에너지에 대한 결과가 도 5c에 도시되어 있다 . 이득 감소로 인해 증폭 된 스펙트럼 대역폭은 낮은 종자 에너지에 대해 감소합니다. 10 pJ의 시드 에너지의 경우 레이저는 두 배가되는 기간에 작동하며 왕복 횟수를 늘려도 안정적인 작동에 도달 할 수 없습니다. 냉각 시스템과 다이오드의 전원 공급 장치를주의 깊게 최적화하는 것 외에도 포화 상태에서 재생 앰프의 작동은 앰프의 안정성을 달성하는 데 중요한 역할을합니다.
레이저의 기본 또는 2 차 고조파는 OPCPA 시스템을 펌핑하는 데 사용될 수 있습니다. SHG의 경우, LBO와 BBO 결정의 성능은 큰 비선형 계수와 손상 임계 값을 제공하기 때문에 비교되었다. BBO의 경우에는 더 큰 공간 워킹 오프와 제한된 가용 개구에도 불구하고. BBO의 비선형 계수가 LBO의 비선형 계수의 거의 두 배이므로, 더 짧은 결정은SHG ( 그림 6a )의 포화 한계에 도달하기에 적합합니다. 누적 비선형 위상이 28 작다 따라서, BBO가 더 적합한 선택이다.
SH 펄스의 펄스 지속 시간은 상이한 변환 효율에서 실험적으로 특성화됩니다. 높은 변환 효율에서는 SHG 스펙트럼이 넓어지고 고차 스펙트럼 위상이 나타난다는 것이 관찰되었습니다 ( 그림 6 ). 따라서 변환 효율이 70 % 인 사례 B는 SH 및 변환되지 않은 기본 빔이 우수한 품질을 유지하는 경우에 선택됩니다.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 Ferenc Krausz 교수와 Najd Altwaijry 교수가 원고 작성을 도와 준 것에 대해 감사드립니다. 이 작업은 CALA (Center for Advanced Laser Applications)에서 지원했습니다.
Materials
| 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 |
Referências
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Citar este artigo
Alismail, A., Wang, H., Brons, J., Fattahi, H. 20 mJ, 1 ps Yb:YAG Thin-disk Regenerative Amplifier. J. Vis. Exp. (125), e55717, doi:10.3791/55717 (2017).