20mJ、1ps Yb：YAGシンディスク再生アンプ

注意：この装置を使用する前に、レーザに関連するすべての安全規則に注意してください。目や皮膚が直接または散乱したレーザービームに暴露されるのを避けてください。作業中は適切なレーザー安全ゴーグルを着用してください。 図1 ：Yb：YAGシンディスク再生アンプの回路 図 。 （ a ）Yb：YAGシンディスク円錐モード同期発振器。発振器13 m個の線形キャビティが13％送信出力カプラで構成され、-3000 FS 2、1mMのサファイアカー媒質、及び銅ハードアパーチャのGDDと3つの高分散ミラー。繰返し速度を5kHzに減少させるために、厚さ25mmのBBO結晶を含むパルスピッカーを使用する。 （ b ）CPA。最初のブロック：パルスストレッチャーの設定gの2つの逆平行金格子（1,740本/ mm）であり、シードパルスは約2nsに時間的に伸びる。第2のブロック：20mmの厚さのBBO結晶を含むポッケルスセルの高電圧が印加された場合、増幅のためにシードパルスが増幅器キャビティ内に閉じ込められる再生増幅器。第3のブロック：増幅されたパルスが1psに時間的に圧縮される、2つの平行な誘電体格子（1,740本/ mm）を含むパルス圧縮器。この図は、Fattahi et al。 、 参照21からの許可を得て。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。 成分 ROC 距離 （mm） （mm） OC ∞ 0 TD -17000 600 M 1 -1000 5000 BP ∞ 510 M 2 -1000 510 EM ∞ 800 表1：発振器のキャビティ設計。 ROC：曲率半径、OC：出力結合器、TD：薄板、M：ミラー、BP：ブリュースタープレート、EM：端面鏡。 図2 ：発振器キャビティの設計キャビティコンポーネントの計算されたモード半径。 OC：出力カプラ、TD：シンディスク、M：ミラー、BP：ブリュースタープラte、EM：エンドミル。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。 成分 ROC 距離 （mm） （mm） EM 1 ∞ 0 PC ∞ 200 M 1 -5000 525 M 2 1500 1500 TD -2000 1050 EM 2 -2000 2350 表2：回生増幅器のキャビティ設計。 ROC：曲率半径、EM：エンドミルror、PC：ポッケルスセル、M：ミラー、TD：シンディスク。 図3 ：回生型アンプのキャビティ設計。キャビティコンポーネントの計算されたモード半径。 EM：エンドミル、PC：ポッケルスセル、M：ミラー、TD：薄型ディスクこの図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。 1.発振器発振器の冷却水をオンにします（ 図1a ）。 冷却用チラーをオンにして、ポンプ・ダイオード、薄型ディスク・ヘッド、およびブレッドボードを冷却します。両方のチラーの温度を20℃に設定します。 ポンプダイオードユニット（ 表 1参照）の電源を入れ、「OUTPUT ON / OFF "ボタンを押す。 注：オシレータと再生増幅器のキャビティ（表1と表2、 図2と図3 ） 23をシミュレートして設計するには、レーザキャビティシミュレーションソフトウェア（ 表 113を参照）を使用しました。 薄型ディスク（ 材料表 14を参照）を、940 nmの波長の結合ファイバを介して電源装置の「現在の」ノブを、210 W出力に対応する26.2 Aに設定して、連続発振（CW）モードで発振器の発振を開始します。 CWモードの出力スペクトルを観測するには、ファイバを分光器に接続し、適切な減衰を使用した後にパルスピッカーの前に配置します。 分光器ソフトウェアでは、 "Spectrometer"タブを選択し、 "Rescan Devices"をクリックします。 分光器の名前を右クリック「スペクトルグラフ」を選択します。 "Choose Target"ウィンドウの "Accept"ボタンをクリックします。 レーザービームを遮断した後、ツールバーの "Dark Spectrum保存"ボタンをクリックし、 "Scope Minus Dark"ボタンをクリックしてバックグラウンドスペクトルを引きます。 スペクトルを観察するためにレーザービームのブロックを解除します。 パルスピッカーの前にパワーメータのCWモードの出力パワーを観察します。 ）パルスモードで発振器を動作させると、モードロックを開始するために、機械背面図1aからステージを押すことにより（並進ステージ上の）レーザキャビティ内に高反射ミラーを混乱させる。 注：発振器および再生増幅器のキャビティには、高い損傷しきい値を持つ高反射率ミラーが使用されていました（ 表の表 24および表 28を参照）。 スペクトルとパルスmの出力を観察する分光計とパワーメータを使用してパルスピッカーの前にそれぞれ測定します。 注：発振器の出力は、波長1,030 nm、11 MHzの繰り返しレート、および4 nmのスペクトル帯域幅（FWHM）で25 Wの平均電力を持ちます。オシレータの最適化が必要ない場合は、ステップ1.9-1.14をスキップしてください。 分光器で測定されたスペクトルにCWスパイクが現れるまで、電源の電流をわずかに増加させます。 マイクロメータのネジを垂直方向と水平方向に調整して、発振器のハードアパーチャ（ 図1a参照）を調整して、CWスパイクを最大にします。 薄型ディスク上のポンプビームプロファイルの消耗を観察します。 ディスクカメラプログラムを実行し、「モードを選択」ウィンドウから「モノクロ」を選択します。 ツールバーの「カメラを開く」ボタンをクリックして、シンディスク上のビームスポットを観察します。 エンドミラーのピエゾリニアアクチュエータを調整する（この空乏をポンプビームプロファイルの中心に合わせるために、垂直または水平モーターの「+」または「 – 」ボタンをハンドコントロールパッドから押して、 CWスパイクがスペクトル内で消滅するまで、電源の電流をわずかに減らしてください。 得られた基準レベルと同様のスペクトルと出力パワーが得られるまで、1.9-1.13のステップを繰り返します（ 図4aの測定スペクトル（平均出力25Wで赤い曲線）を参照）。 出力パルス列を観察し、パルス間の安定性を確認するには、高速フォトダイオードをオシロスコープに接続し、パルスピッカーの前に配置します（適切な減衰を使用した後）。 オシロスコープの「トリガレベル」ノブを調整して、適切なトリガレベルを選択し、繰り返し波形を安定させ、オシロスコープ画面の出力パルス列を観察します。 〜から "Measure"メニューから "Peak to Peak Amplitude"を選択し、パルス間安定性を決定します。 パルスピッカーの前に出力ビームプロファイルを観察し、ビームポインティング変動を決定します。 ビームプロファイラソフトウェアを実行し、ツールバーの "Go、start capture"ボタンをクリックして、ビームプロファイルを観察します。 ツールバーから "ビームワンダー"ダイアログを開き、 "クリア"ボタンをクリックして新しいビームポインティング安定性測定を開始します。 注：ビームの変動や歪んだビームプロファイル（光学的損傷、ビームクリッピングなどによる ）によって、システムの安定性が低下する可能性があります。 第二高調波発生（SHG-FROG）21、24に基づいて、周波数分解光ゲートを使用してパルス持続時間を測定します。 2.パルスピッカーとパルスストレッチャーパルスピッカーに高電圧を印加する前に、関連するすべての電気安全規制に注意してください。適切な高電圧アイソレーションを使用してください。このセクションに進む前に、ビームパスから診断を取り除いてください。その設定が必要ない場合は、手順2.1,2.3-2.6,2.8-2.9、および2.11をスキップします。 パルスピッカーのセットアップの前に2つのミラーを使用して、オシレータからの出力ビームをパルスピッカーユニット（5番と7番の材料表を参照）と25mm厚のホウ酸ベータバリウム（BBO）結晶赤外線ビューアおよびレーザービューイングカード（ 図1a ）の助けを借りて、 材料表 （No. 12）に記載されている。 発振器コンピュータ上でパルスピッカープログラムを実行します。 高速ピックアップの助けを借りて、オシロスコープ上のパルスピッカーのスイッチング信号とオシレータのパルス列を観察します（ステップ1.15参照）。オジオード。 パルスピッカープログラムで、「遅延パラメータの定義」ダイアログからの遅延時間（遅延A）を設定して、スイッチング信号とパルスピッカー結晶のパルス列を同期させます。 パルス列から1つのパルスを選択するには、[遅延パラメータの定義]ダイアログボックスの切り替え時間ウィンドウ（遅延B）を設定します。 「遅延パラメータの定義」ダイアログボックスの内部トリガ時間（禁止）を200μsに設定して、5kHzごとに1パルスを選択します。 水晶に高電圧を印加するために、パルスピッカードライバの電源を「オン」に切り替えることにより、発振器の繰り返しレートを11MHzから5kHzに低下させます。 パルスピッカーの後に薄膜偏光子（TFP）（ 材料表の No.31を参照）を使用してパルストレインから選択したパルスを選択し、残りのパルスをビームダンプにダンプします。 半波長板を調整することによって、ピックされたパルスのコントラストを改善する（see Table of Materials 、No. 32）を使用してください。 ピックアップされたパルスをストレッチャー設定に通してパルスを2 nsの持続時間に伸ばすことにより、レーザーパルスのピーク出力を減らします（ 図1a- b参照）。 必要に応じて、パルスピッカーの設定後に2つのミラーを使用して、選択したパルスをストレッチャの設定に合わせます。 注：ストレッチャーは、増幅プロセス中に光学系を損傷することを避けるために、パルスを2 nsの持続時間に伸ばすために1,740本/ mmの線密度で2つの逆平行金格子（ 表 20を参照）高いピーク強度のために再生増幅器内に存在する。これらのパルスは、次のセクション（ 図1b 、上）で説明するように、回生アンプをシードするために使用されます。 3.再生アンプあぶない;すべてのことに注意してくださいPockelsセルに高電圧を印加する前に、適切な電気安全規制を行ってください。適切な高電圧アイソレーションを使用してください。このセクションに進む前に、ビーム経路から診断を削除してください。シードパルスは、Yb：YAG薄ディスクカーレンズモード同期発振器から供給される。ファイバ増幅器のような他のシード戦略を使用して、増幅器をシードすることができる。 回生アンプの冷却水をオンにします（ 図1b 、中央）。 冷却チラーをオンにして、ポンプ・ダイオード、薄型ディスク、レーザー・ヘッド、およびポッケルス・セルを冷却します。チラーの温度を28°C、17°C、18°Cに設定し、インターロックシステムを作動させます。 注：ミスアライメントされたシードビームは、アンプの安定性を低下させる可能性があります。回生アンプの調整が必要ない場合は、手順3.3-3.13と3.25をスキップしてください。 ポンプダイオードユニットの電源を入れてください（ 表の表を参照してください）2）を選択し、「OUTPUT ON / OFF」ボタンをクリックします。 電源上の「電流」ノブをスレッショルドに設定して、940 nmの波長で結合ファイバを介してシンディスクをポンピングします。 ディスクカメラ（ステップ1.11参照）を使用してディスク上のポンプビームプロファイルを観察し、ディスクカメラプログラムの「描画」メニューの「サークルジオメトリ」を選択して、カメラプログラム内のビームの位置をマークします。 電源電流をゼロに戻してから、「OUTPUT ON / OFF」ボタンをクリックしてください。ポンプダイオードユニットの電源を切ります。 再生増幅器の前に2つのミラーを使用して、ストレッチャからの出力ビーム（シードパルス）を回生増幅器の光結合光学部品に合わせて、（ポッケルスセルの後ろの）ファーストエンドミラーに到達させます。これを行うには、ビームプロファイラ、赤外線ビューア、レーザービューイングカードを使用します。 クォートを回してアンプキャビティを閉じますキャビティ内のレーザビームを除去してポッケルスセルの後ろのエルミート波プレート（ 材料の番号33を参照）に取り付けます。 ハンドコントロールパッドから垂直または水平モーター（ドライバー1）の "+"または " – "ボタンを押してアウトカップリングビームを調整して、ファーストエンドミラーの電動ノブを調整します。 キャビティ内で最大のレーザビーム強度が得られるまで、1/4波長板（ポッケルスセルの後ろ）を回して増幅器キャビティを開きます。第2の端部ミラーからの後方反射ビームを遮断する。 ディスクカメラプログラム上のシードパルスのビームプロファイルを観察し、薄いディスクの前にキャビティミラーの1つのノブを調整することによって、ビームをマークされた位置と重複させます。 後方反射ビームのブロックを解除し、ディスクカメラプログラム上のそのスポットを観察します。 垂直または水平方向の "+"または " – "ボタンを押して、第2のエンドミラーの電動ノブを調整しますモーター（ドライバー2）を手で操作すると、バック反射がマークされた位置と重なるようになります。 Pockelsセルコンピュータから、Pockelsセルプログラムを実行します。 注：ポッケルスセルの設定が必要ない場合、手順3.15-3.18をスキップします。 高速ホトダイオード（ 図1b 、中央）を使用して、Pockelsセルのスイッチング信号（ 表 6を参照）とオシロスコープのシードパルス（ステップ1.15参照）を観察します。 ポッケルスセルプログラムでは、「遅延パラメータの定義」ダイアログボックスからの遅延時間（遅延A）を設定して、ポッケルスセルの切り替えとポッケルスセルクリスタルのシードパルスを同期させます。 「遅延パラメータの定義」ダイアログボックスの切り替え時間ウィンドウ（遅延B）を設定して、回生アンプのキャビティ内の1つのパルスを4μsに制限します。これはパルスの87回の往復に対応します。 内部トリッジを設定する5kHzごとに1つのパルスにレートを制限するために、「遅延パラメータの定義」ダイアログから「200μs」まで時間をずらす（禁止する）。 水晶に高電圧を印加するには、Pockelsセル・ドライバの電源を入れます。 ポンプダイオードユニットの電源を入れ、 "OUTPUT ON / OFF"ボタンをクリックしてください。 回生アンプのシードパルスを増幅するには、電源の「電流」ノブを57.7 A（280 Wに相当）に設定してシンディスクをポンプします。 注：増幅されたビームは、ファラデー回転子（ 材料番号19を参照）とTFPとの組み合わせによってシードビームから分離される。 Yb：YAG発振器は、アイソレータ（ 表 18参照）による増幅されたビームの後方反射から保護されています。 注：ポッケルスセルおよびポンプダイオードユニットの動作は、Qスイッチによる光学部品の損傷を避けるため、上記の順序で行ってください。コンプレッサーの前にスペクトルと出力パワー（ステップ1.5と1.6を参照）を観察してください。 注：アンプの出力は、波長1,030 nm、5 kHzの繰り返しレート、および1 nmのスペクトル帯域幅（FWHM）で125 Wの平均出力を持ちます。 オシロスコープ画面の圧縮器の前に出力パルス列を観察し、高速フォトダイオードを使用してパルス間​​安定性を決定します（ステップ1.15参照）。 コンプレッサの前に出力ビームプロファイルを観察し、ビームポインティングの変動を判断します（ステップ1.16を参照）。 必要に応じて、ハンドコントロールパッドから垂直または水平モーター（ドライバー2）の "+"または " – "ボタンを押して、回生アンプの動作を改善することによって、第2のエンドミラーの電動ノブを細かく調整します。 ゲイン・ナローイング・エフェクトを特徴付ける。 ニュートラで種子エネルギーを調整することによって異なる種子エネルギーレベルの増幅を検討するl-濃度フィルター。 300 Wの固定ポンプ出力で最大出力を得るためのラウンドトリップ回数を変更します。 それぞれの場合の出力スペクトルを観察します。 4.パルスコンプレッサ、ビームアライメント、安定化システムメモ：このセクションに進む前に、ビーム経路から診断を削除してください。コンプレッサとビームスタビライザユニットの位置合わせが必要ない場合は、ステップ4.3と4.6をスキップしてください。 ハンドコントロールパッドからモーターA（ドライバー5）の "+"または " – "ボタンを押してアンプ出力の数ワットを送信することにより、（出力パスの）半波長板のモーター回転マウントを回します圧縮機（ 図1b 、下側）に送る 。 増幅されたビームを圧縮機のセットアップに通すことにより、レーザーパルスを1psまで圧縮します。 回生アンプの設定後に2つのミラーを使用して、アンプリ必要に応じて、コンプレッサーのセットアップを介してパルスを送ります。 注記：コンプレッサーには、1,740本/ mmの線密度を持つ2つの平行な誘電体グレーティング（ 表 22の表を参照）が含まれています。 ビームスタビライザーユニットの電源を入れます（ 材料表 、No. 98を参照）。ビームスタビライザプログラムをビームスタビライザコンピュータで実行します。 ビーム安定器の検出器のセットアップの前に2つのミラーを使用して、圧縮器の第1の格子からの0次回折をビーム安定化検出器に整列させる。 ビームスタビライザプログラムの「レギュレーション」ボタンを押して、コンプレッサー後のビームドリフトを避けるためにレーザービームをロックします。モーター付きの2分の1波長板を再度回して、アンプの全出力をコンプレッサーに通します。中立密度フィルターを使用して、ビームスタビライザー検出器のゲインを調整します。 圧縮されたpの時間間隔を特徴付けるSHG-FROG 21、24を用いulses。 5. OPCPAシステムのポンプ源メモ：このセクションに進む前に、ビーム経路から診断を削除してください。 OPCPAコンピュータから、ビームプロファイラのプログラムを実行します。 適切な望遠鏡を使用して80GW / cm 2のピーク強度に達するように、コンプレッサーの後でレーザービームサイズをコリメートして調整します。ビームプロファイラ、赤外線ビューア、レーザービューイングカードを使用します。 注：厚さ1.5 mmのBBOクリスタルが、光学科学シミュレーションシステム（SISYFOS）コード25で行われたシミュレーションの結果に基づいてSHG用に選択されました。 基本波ビーム（1,030 nm）を非線形結晶（1.5 mm厚のBBO; 材料表、 54参照）でガイドし、515 nmで第2高調波（SH）を生成します。 未結合線からSHビームを分離する水晶の後に45 oに高調波セパレータを置くことによって基本波ビームを発生させました（ 材料の表、 56を参照）。 注：SHビームは高調波分離器から反射され、変換されない基本ビームは透過します。 SHの位相整合角度を正確に最適化するには、SHの最大変換効率（70％、70Wに対応）に達するように、クリスタルマウントのノブを調整します。 SHのパワーとパワーメータの変換されていない基本ビームを観察します（ステップ1.6参照）。 SHのガウスビームプロファイルと変換されていない基本ビームを観察します（ステップ1.16参照）。 相互相関周波数分解光ゲート（XFROG）21、24を用いて、SHパルスの時間的形状を特徴付けます。