20 mJ, 1 ps Yb: amplificador regenerativo de disco fino YAG
Summary
Um protocolo para a operação de uma fonte de bomba de amplificador de pulso paramétrico óptico de alta potência, de alta potência, de alta potência com base em um amplificador regenerativo de disco fino Yb: YAG é apresentado aqui.
Abstract
Este é um relatório sobre um amplificador regenerativo de 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG de disco fino. Um microfone caseiro Yb: YAG, o oscilador bloqueado em modo Kerr-lens com desempenho turn-key e energia de pulso de nível microjolar é usado para semear o amplificador de pulso chirpado regenerativo. O amplificador é colocado em uma caixa hermética. Ele opera a temperatura ambiente e exibe operação estável a uma taxa de repetição de 5 kHz, com uma estabilidade de pulso a pulso inferior a 1%. Ao empregar um cristal de borato de bário beta de 1,5 mm de espessura, a freqüência da saída do laser é dobrada para 515 nm, com uma potência média de 70 W, o que corresponde a uma eficiência óptica a óptica de 70%. Esta performance superior torna o sistema uma fonte de bomba atrativa para amplificadores paramétricos ópticos de pulso-piloto na faixa espectral do infravermelho próximo e infravermelho médio. Combinando o desempenho turn-key e a estabilidade superior do amplificador regenerativo, o sistema facilita a geração de uma banda larga, CEP-stablesemente. Fornecer a semente e a bomba da amplificação paramétrica de pulsos paramétricos (OPCPA) de uma fonte laser elimina a demanda de sincronização temporal ativa entre esses pulsos. Este trabalho apresenta um guia detalhado para configurar e operar um amplificador regenerativo de disco fino Yb: YAG, baseado em amplificação de pulso chirpado (CPA), como fonte de bomba para um amplificador paramétrico de pulso polarizado.
Introduction
A geração de pulsos de laser de alta energia e poucos ciclos com alta taxa de repetição é de grande interesse para os campos aplicados, como attosecond science 1 , 2 , 3 , 4 e física de campo alto 5 , 6 , que podem se beneficiar diretamente Da disponibilidade de tais fontes. O OPCPA representa a rota mais promissora para alcançar energias de pulso elevadas e amplitudes de banda de amplificação amplas que suportam simultaneamente impulsos de poucos ciclos 1 . Até à data, OPCPA permite amplificação de banda larga ultra, o que gera impulsos de poucos ciclos 7 , 8 , 9 , 10 . No entanto, uma implementação modificada do esquema OPCPA, que usa pulsos de bomba curtos na escala de picoseconda, é promissora paraTornando esta abordagem escalável para energias de pulso ainda maiores e poderes médios no regime de poucos ciclos 1 , 11 , 12 . Devido à alta intensidade da bomba no OPCPA bombeado por pulso curto, o ganho de passagem única alta permite o uso de cristais muito finos para suportar grandes largura de banda de amplificação. Embora o OPCPA bombeado com pulso curto tenha muitas vantagens, a realização dessa abordagem está sujeita à disponibilidade de lasers especialmente adaptados para esse fim. Essas lâminas de bomba são necessárias para fornecer pulsos de picossegundo de alta energia com qualidade de feixe de quase difracção a taxas de repetição na faixa de kHz a MHz 13 , 14 , 15 .
A introdução de lasers dopados com iterbério em geometrias diferentes, capazes de fornecer pulsos de laser de picosecond com alta energia e alta potência média, Estão prestes a mudar o estado atual do campo 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG tem boa condutividade térmica e uma longa vida útil do estado superior, e pode ser bombeada por laser de diodo com custo efetivo. Seu desempenho quando usado na geometria do disco fino é excelente devido ao resfriamento eficiente do meio de ganho para escalar simultaneamente o pico e a potência média. Além disso, a ocorrência de auto-focagem dentro do meio de ganho durante o processo de amplificação é suprimida devido à esbeltez do disco fino em comparação com outras geometrias de média de ganho, resultando em excelentes perfis temporais e espaciais dos pulsos amplificados. Combinar esse conceito com a CPA é promissor para gerar pulsos de picosegundo com centenas de milinholos de energia e centenasDe watts de potência média 19 , 20 .
O objetivo deste trabalho é demonstrar um amplificador regenerativo de disco fino Yb: YAG com excelente performance diária como fonte adequada para bombeamento de OPCPAs 21 . Para atingir esse objetivo, este estudo emprega um oscilador de disco fino Yb: YAG 22 com vários microjogos de energia de pulso para semear o amplificador para minimizar a fase não linear linear acumulada durante o processo de amplificação. Este protocolo fornece a receita para a construção e operação do sistema a laser, que é descrito em outro lugar 21 . São apresentados detalhes sobre software de implementação e controle de componentes, e o processo de alinhamento do sistema é descrito.
Protocol
Cuidado: fique atento a todos os regulamentos de segurança relevantes para o lasers antes de usar este equipamento. Evite a exposição dos olhos ou da pele aos raios laser diretos ou dispersos. Por favor use óculos de segurança laser apropriados ao longo do processo. Figura 1 : Esquema do layout do amplificador regenerativo Yb: YAG thin-disk. (A) Yb: YAG-disco fino Kerr-lente oscilador mode-locked. A cavidade linear de 13 m do oscilador consiste em um acoplador de saída de transmissão de 13%, três espelhos de alta dispersão com GDD de -3,000 fs 2 , meio Kerr de safira de 1 mm e uma abertura dura de cobre. Um seletor de pulso, contendo um cristal BBO de 25 mm de espessura, é usado para reduzir a taxa de repetição para 5 kHz. ( B ) CPA. Primeiro bloco: a configuração da maca do pulso contendoG duas grades de ouro antiparalelas (1.740 linhas / mm), onde os impulsos de semente são temporariamente esticados para aproximadamente 2 ns. Segundo bloco: o amplificador regenerativo, onde o pulso de semente é confinado na cavidade do amplificador para amplificação quando a alta tensão da célula Pockels, que contém um cristal BBO com uma espessura de 20 mm, é aplicada. Terceiro bloco: o compressor de pulso contendo duas redes dielétricas paralelas (1.740 linhas / mm), onde os impulsos amplificados são comprimidos temporariamente até 1 ps. Esta figura foi modificada de Fattahi et al. , Com permissão da referência 21 . Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura. Componente ROC Distância (milímetros) (milímetros) OC ∞ 0 TD -17000 600 M 1 -1000 5000 BP ∞ 510 M 2 -1000 510 EM ∞ 800 Tabela 1: design da cavidade do oscilador. ROC: raio de curvatura, OC: acoplador de saída, TD: disco fino, M: espelho, BP: placa Brewster, EM: espelho final. Figura 2 : design da cavidade do oscilador. Raio do modo calculado nos componentes da cavidade. OC: acoplador de saída, TD: disco fino, M: espelho, BP: Brewster plaTe, EM: espelho final. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura. Componente ROC Distância (milímetros) (milímetros) EM 1 ∞ 0 PC ∞ 200 M 1 -5000 525 M 2 1500 1500 TD -2000 1050 EM 2 -2000 2350 Tabela 2: Desenho da cavidade do amplificador regenerativo. ROC: raio de curvatura, EM: mirar fimRor, PC: célula Pockels, M: espelho, TD: disco fino. Figura 3 : Design da cavidade do amplificador regenerativo. Raio do modo calculado nos componentes da cavidade. EM: espelho final, PC: célula Pockels, M: espelho, TD: disco fino. Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura. 1. Oscilador Ligue a água de resfriamento para o oscilador ( Figura 1a ). Ligue os refrigeradores de arrefecimento para arrefecer os diodos da bomba, a cabeça do disco fino e a placa de pão. Ajuste a temperatura em ambos os resfriadores até 20 ° C. Ligue a fonte de alimentação da unidade de diodo da bomba (consulte a Tabela de Materiais , nº 1) e clique no botão "OUTPONER ON / OFF "botão. NOTA: Um software de simulação de cavidade laser (ver Tabela de Materiais , No. 113) foi usado para simular e projetar o oscilador e a cavidade do amplificador regenerativo (Tabela 1 e Tabela 2, Figura 2 e Figura 3 ) 23 . Bombeie o disco fino (veja a Tabela de Materiais , nº 14) através da fibra acoplada a um comprimento de onda de 940 nm ajustando o botão "atual" na fonte de alimentação para 26,2 A, correspondente à saída de 210 W, para Comece a laser no oscilador no modo onda contínua (CW). Para observar o espectro de saída do modo CW, conecte uma fibra ao espectrômetro e coloque-a antes do seletor de pulso após usar uma atenuação apropriada. No software do espectrômetro, selecione a guia "Espectrômetro" e clique em "Rescan Devices". Clique com o botão direito do mouse no nome do espectrômetroE selecione "Graph Spectrum". Clique no botão "Aceitar" na janela "Escolher destino". Depois de bloquear o raio laser, clique no botão "Store Dark Spectrum" na barra de ferramentas e clique no botão "Scope Minus Dark" para subtrair o espectro de fundo. Desbloqueie o raio laser para observar o espectro. Observe a potência de saída do modo CW no medidor de energia antes do seletor de pulsos. Para operar o oscilador em modo pulsado e para iniciar o bloqueio do modo, perturbe o espelho de alta reflexão dentro da cavidade do laser (em uma fase de conversão) empurrando mecanicamente o palco da parte traseira Figura 1a ). NOTA: Os espelhos de alta reflectividade com um alto limiar de dano foram utilizados no oscilador e na cavidade do amplificador regenerativo (ver Tabela de Materiais , nº 24 e 28). Observe o espectro e a potência de saída do m pulsadoOde antes do seletor de pulso usando um espectrômetro e um medidor de energia, respectivamente. NOTA: A saída do oscilador tem 25 W de potência média com um comprimento de onda de 1.030 nm, uma taxa de repetição de 11 MHz e uma largura de banda espectral de 4 nm (FWHM). Se a otimização do oscilador não for necessária, ignore as etapas 1.9-1.14. Aumente ligeiramente a corrente na fonte de alimentação até aparecer um pico CW no espectro medido pelo espectrômetro. Alinhe a abertura dura no oscilador (veja a Figura 1a ) ajustando seus parafusos micrométricos verticalmente e horizontalmente para maximizar a espiga CW. Observe o esgotamento do perfil do feixe da bomba no disco fino. Execute o programa da câmera do disco e selecione "Monocromático" na janela "escolher modo". Clique no botão "Abrir câmera" na barra de ferramentas para observar o ponto do feixe no disco fino. Sintonize os atuadores lineares piezoelétricos do espelho final (Botões motorizados), pressionando o botão "+" ou "-" no motor vertical ou horizontal da almofada de controle manual para alinhar esta depleção ao centro do perfil do feixe da bomba. Reduza ligeiramente a corrente na fonte de energia até que a espiga CW desapareça no espectro. Repita as etapas de 1.9-1.13 até obter um espectro e uma potência de saída semelhantes aos níveis de referência obtidos (veja o espectro medido na Figura 4a (curva vermelha) a 25 W da potência média). Para observar o trem de impulsos de saída e determinar a estabilidade de pulso a pulso, conecte um fotodiodo rápido a um osciloscópio e coloque-o antes do seletor de pulso (depois de usar uma atenuação apropriada). Selecione um nível de disparo apropriado, ajustando o botão "nível de gatilho" no osciloscópio para estabilizar as formas de onda repetitivas e observar o trem de impulsos de saída na tela do osciloscópio. A partir da E menu "Medir", selecione "Amplitude de pico a pico" para determinar a estabilidade de pulso a pulso. Observe o perfil do feixe de saída antes do seletor de pulso e determine as flutuações apontadoras do feixe. Execute o software do perfil de feixe e clique no botão "Ir, inicialize a captura" na barra de ferramentas para observar o perfil do feixe. Na barra de ferramentas, abra a caixa de diálogo "vaguear feixe" e, em seguida, clique no botão "limpar" para iniciar uma nova medida de estabilidade apontadora de feixe. NOTA: as flutuações no feixe ou um perfil de feixe distorcido (causado por danos ópticos, cortes de feixe, etc. ) podem deteriorar a estabilidade do sistema. Medir a duração do pulso usando gating óptico com resolução de freqüência com base na geração de segunda harmônica (SHG-FROG) 21 , 24 . 2. Pullet Picker and Pulse Stretcher Conteúdo "> NOTA: Atenção, esteja ciente de todos os regulamentos de segurança elétrica relevantes antes de aplicar a alta tensão no seletor de pulso. Use o isolamento de alta tensão apropriado. Remova os diagnósticos do caminho do feixe antes de prosseguir com esta seção. Se alinhando o seletor de pulso E sua configuração não é necessária, salte as etapas 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 e 2.11. Use dois espelhos antes da configuração do selecionador de pulso para alinhar o feixe de saída do oscilador através da unidade de seleção de impulsos (veja a Tabela de Materiais , nºs 5 e 7) e seu cristal de borato de bário bário (BBO) de 25 mm de espessura (veja o Tabela de Materiais , nº 12) com o auxílio do visualizador de infravermelhos e do cartão de visualização a laser ( Figura 1a ). Execute o programa de seleção de pulsos no computador do oscilador. Observe o sinal de comutação do seletor de pulsos e do trem de pulso do oscilador no osciloscópio (ver passo 1.15) com o auxílio de uma foto rápidaOdiode. No programa de seleção de pulsos, ajuste o tempo de atraso (atraso A) na caixa de diálogo "definir atrasos" para sincronizar o sinal de comutação e o trem de pulsos no cristal de seleção de impulsos. Defina a janela de tempo de comutação (atraso B) na caixa de diálogo "definir atrasos" para selecionar um pulso do trem de pulso. Defina o tempo de disparo interno (inibição) a partir da caixa de diálogo "definir os parâmetros de atraso" para 200 μs para escolher um pulso a cada 5 kHz. Reduza a taxa de repetição do oscilador de 11 MHz para 5 kHz, ao mudar a alimentação do driver do seletor de pulso para "ligar" para aplicar alta tensão ao cristal. Selecione os pulsos selecionados do trem de pulso usando um polarizador de película fina (TFP) (veja a Tabela de Materiais , nº 31) após o seletor de pulso e despeje os impulsos restantes em um despejo de feixe. Melhore o contraste dos pulsos escolhidos ajustando a placa de meia onda (seE a Tabela de Materiais , nº 32) antes do seletor de pulsos. Reduza o pico de potência do pulso laser passando os pulsos escolhidos através da configuração da maca para esticar os pulsos até uma duração de 2 ns (veja a Figura 1a -b ). Use dois espelhos após a configuração do selecionador de pulso para alinhar os impulsos escolhidos através da configuração da maca, se necessário. NOTA: A maca contém duas redes de ouro antiparalelas (veja a Tabela de Materiais , nº 20 e 21) com uma densidade de linha de 1.740 linhas / mm para esticar os pulsos até uma duração de 2 ns para evitar danificar a ótica durante o processo de amplificação No amplificador regenerativo devido a uma alta intensidade de pico. Esses pulsos são usados para semear o amplificador regenerativo, conforme descrito na próxima seção ( Figura 1b , topo). 3. Amplificador regenerativo Cuidado; Esteja atento a todosRegulamentos de segurança elétrica relevantes antes de aplicar a alta tensão à célula Pockels. Use o isolamento apropriado de alta tensão. Remova os diagnósticos do caminho do feixe antes de prosseguir com esta seção. Os pulsos de semente são entregues a partir do oscilador bloqueado por modo Yr: YAG de thin-disk. Outras estratégias de sementes podem ser utilizadas para semear o amplificador, como amplificadores de fibra. Ligue a água de refrigeração para o amplificador regenerativo ( Figura 1b , meio). Ligue os refrigeradores de arrefecimento para arrefecer os diodos da bomba, o disco fino, a cabeça do laser e a célula Pockels. Ajuste a temperatura dos resfriadores para 28 ° C, 17 ° C e 18 ° C e depois ative o sistema de bloqueio. NOTA: O feixe de semente desalinhado pode deteriorar a estabilidade do amplificador. Se o alinhamento do amplificador regenerativo não for necessário, ignore os passos 3.3-3.13 e 3.25. Ligue a fonte de alimentação da unidade de diodo da bomba (veja a Tabela de MateriaisAls, No. 2) e depois clique no botão "OUTPUT ON / OFF". Bombeie o disco fino através da fibra acoplada a um comprimento de onda de 940 nm ajustando o botão "atual" na fonte de alimentação para o limiar. Observe o perfil do feixe de bomba no disco usando a câmera de disco (consulte o passo 1.11) e selecione "Geometria do círculo" no menu "Desenhar" no programa da câmera do disco para marcar a posição do feixe no programa da câmera. Reduza a corrente da fonte de energia para zero e clique no botão "OUTPUT ON / OFF". Desligue a fonte de alimentação da unidade de diodo da bomba. Use dois espelhos antes do amplificador regenerativo para alinhar o feixe de saída da maca (impulsos de semente) através da óptica de incrustação no amplificador regenerativo para alcançar o espelho de primeira extremidade (atrás da célula de Pockels). Use o perfil de feixe, o visor de infravermelhos e o cartão de visualização a laser para ajudar com isso. Feche a cavidade do amplificador girando o quartoPlaca er-wave (veja a Tabela de Materiais , No. 33), atrás da célula Pockels, eliminando o raio laser dentro da cavidade. Sintonize os botões motorizados do espelho de primeira extremidade pressionando o botão "+" ou "-" no motor vertical ou horizontal (driver 1) da almofada de controle manual para alinhar o feixe de saída. Abra a cavidade do amplificador girando a placa de quarto de onda (atrás da célula de Pockels) até que a intensidade máxima do feixe de laser seja alcançada dentro da cavidade. Bloqueie o raio retro-refletido do espelho da segunda extremidade. Observe o perfil do feixe dos impulsos de semente no programa da câmera do disco e sobrepõe o feixe com a posição marcada, ajustando os botões de um dos espelhos da cavidade antes do disco fino. Desbloqueie o feixe retrovisor e observe seu ponto no programa da câmera do disco. Sintonize os botões motorizados do espelho da segunda extremidade pressionando o botão "+" ou "-" para o vertical ou horizontalMotor (driver 2) na almofada de controle da mão para sobrepor a reflexão traseira com a posição marcada. Do computador celular Pockels, execute o programa de células Pockels. NOTA: Se a configuração da célula Pockels não for necessária, ignore as etapas 3.15-3.18. Observe o sinal de comutação da célula Pockels (veja a Tabela de Materiais , nº 6 e 8) e os impulsos de semente no osciloscópio (ver passo 1.15) com o auxílio de um fotodiodo rápido ( Figura 1b , meio). No programa de células Pockels, defina o tempo de atraso (atraso A) na caixa de diálogo "definir atrasos" para sincronizar a troca da célula Pockels e os impulsos de semente no cristal da célula Pockels. Defina a janela de tempo de comutação (atraso B) na caixa de diálogo "definir atrasos de atraso" para limitar um pulso dentro da cavidade do amplificador regenerativo a 4 μs, correspondendo a 87 disparos redondos do pulso. Defina a disputa internaR time (inibir) do diálogo "define delay parameters" para "200 μs" para limitar a taxa a um pulso a cada 5 kHz. Ligue a fonte de alimentação do driver de célula Pockels para aplicar a alta tensão no cristal. Ligue a fonte de alimentação da unidade de diodo da bomba e clique no botão "OUTPUT ON / OFF". Para amplificar os impulsos de semente no amplificador regenerativo, bombeie o disco fino ajustando o botão "atual" na fonte de alimentação para 57,7 A, correspondendo a 280 W. NOTA: O feixe amplificado é separado do feixe de semente pela combinação de um rotador de Faraday (ver Tabela de Materiais , nº 19) e uma TFP. O oscilador Yb: YAG está protegido da reflexão traseira do feixe amplificado por um isolador (ver Tabela de Materiais , nº 18). NOTA: Mantenha a operação da célula Pockels e da unidade de diodo da bomba na ordem acima mencionada para evitar danificar a ótica pela troca Q. Observe o espectro e a potência de saída (veja as etapas 1.5 e 1.6) antes do compressor. NOTA: A saída do amplificador tem 125 W de potência média com um comprimento de onda de 1.030 nm, uma taxa de repetição de 5 kHz e uma largura de banda espectral de 1 nm (FWHM). Observe o trem de impulsos de saída antes do compressor na tela do osciloscópio e determine a estabilidade do pulso a pulso com o auxílio de um fotodiodo rápido (ver passo 1.15). Observe o perfil do feixe de saída antes do compressor e determine as flutuações do raio (veja o passo 1.16). Sintonize finamente os botões motorizados do segundo espelho final, pressionando o botão "+" ou "-" no motor vertical ou horizontal (driver 2) da almofada de controle manual para melhorar o funcionamento do amplificador regenerativo, se necessário. Caracterize o efeito de redução de ganho. Considere a amplificação para diferentes níveis de energia de sementes, ajustando a energia da semente com neutraFiltros de densidade l. Altere o número de viagens de ida e volta para obter a potência de saída mais alta para uma potência de bomba fixa de 300 W. Observe o espectro de saída para cada caso. 4. Compressor de Pulso, Alinhamento de Feixe e Sistema de Estabilização NOTA: Remova os diagnósticos do caminho do feixe antes de continuar com esta seção. Se não for necessário alinhar o compressor e a unidade de estabilização do feixe, ignore os passos 4.3 e 4.6. Gire o suporte de rotação motorizado da placa de meia onda (no caminho de saída), pressionando o botão "+" ou "-" no motor A (driver 5) da almofada de controle manual para enviar alguns watts da saída do amplificador Para o compressor ( Figura 1b , inferior). Comprime o pulso do laser até 1 ps, passando o feixe amplificado através da configuração do compressor. Use dois espelhos após a configuração do amplificador regenerativo para alinhar o amplificadorD pulsa através da configuração do compressor, se necessário. NOTA: O compressor contém duas redes dielétricas paralelas (ver Tabela de Materiais , nº 22 e 23), com uma densidade de linha de 1.740 linhas / mm. Ligue a fonte de alimentação da unidade de estabilização do feixe (consulte a Tabela de Materiais , nº 98). Execute o programa de estabilizador de feixe no computador estabilizador de feixe. Use dois espelhos antes da configuração do detector do estabilizador de feixe para alinhar a difração de ordem zero da primeira grade no compressor para os detectores de estabilizador de feixe. Pressione o botão "regulação" no programa do estabilizador do feixe para bloquear o raio laser para evitar a deriva do feixe após o compressor. Vire a placa de meia onda motorizada novamente para passar a potência de saída total do amplificador através do compressor. Ajuste o ganho dos detectores do estabilizador de feixe com o auxílio de um filtro de densidade neutra. Caracterize a duração do tempo comprimidoUlses usando SHG-FROG 21 , 24 . 5. Fonte da Bomba do Sistema OPCPA NOTA: Remova os diagnósticos do caminho do feixe antes de continuar com esta seção. No computador OPCPA, execute o programa do perfil de feixe. Colimate e ajuste o tamanho do raio laser após o compressor, usando um telescópio apropriado para atingir a intensidade máxima de 80 GW / cm 2 . Use o perfil de feixe, o visor infravermelho e o cartão de visualização a laser. NOTA: Um cristal BBO de 1,5 mm de espessura foi selecionado para SHG com base nos resultados da simulação feita no código de simulação do sistema de ciência óptica (SISYFOS) 25 . Guie o feixe fundamental (1.030 nm) através de um cristal não-linear (BBO de 1,5 mm de espessura, veja a Tabela de Materiais , nº 54) para gerar o segundo harmônico (SH) a 515 nm. Separar o feixe SH da não-configuraçãoIrradiou um feixe fundamental ao colocar um separador harmônico a 45 o (veja a Tabela de Materiais , nº 56) após o cristal. NOTA: O feixe SH é refletido a partir do separador harmônico, enquanto o feixe fundamental não convertido é transmitido através. Otimize exatamente o ângulo de correspondência de fase do SH ajustando o botão da montagem de cristal para alcançar a maior eficiência de conversão do SH (70%, correspondente a 70 W). Observe o poder do SH e os feixes fundamentais não convertidos nos medidores de energia (veja o passo 1.6). Observe o perfil de feixe gaussiano do SH e os feixes fundamentais não convertidos (ver passo 1.16). Caracterize a forma temporal dos pulsos SH usando o bloqueio óptico (XFROG) 21 , 24 .
Representative Results
O oscilador entrega pulsos de 350 fs, 2 μJ, 25 W à taxa de repetição de 11 MHz, com uma estabilidade de pulso a pulso de 1% (rms) e flutuações apontadoras de feixe de menos de 0,6% ao longo de 1 h de medição ( Figura 4 ). Figura 4 : Yb: YAG de disco fino, oscilador bloqueado pelo modo Kerr-lens. (A) O espectro (vermelho), o perfil recuperado temporais intensidade (azul), e o perfil espacial (inset) dos impulsos do oscilador. ( B ) Espectrógrafo SHG-FROG medido e recuperado do oscilador. Esta figura foi modificada de Fattahi et al. , Com permissão da referência 21 .> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Os impulsos de semente são amplificados no amplificador regenerativo para 125 W enquanto são bombeados com um diodo acoplado de fibra CW a um comprimento de onda de 940 nm a 280 W, correspondendo a uma eficiência óptica-óptica de 47%. A estabilidade de pulso a pulso do amplificador é inferior a 1%, e o amplificador apresenta excelente estabilidade a longo prazo após 10 h de operação contínua. O feixe amplificado tem um excelente perfil espacial, com um M 2 de 1 (M 2 x = 1,08 e M 2 y = 1,07) e um excelente perfil temporal após compressão para 1 ps (em FWHM) ( Figura 5 ). Figura 5 : Caracterização do amplificador regenerativoSaída e o efeito de redução de ganho. (A) A estabilidade do amplificador de potência média regenerativo após 10 horas de operação contínua. Inserção: ( a-1 ) Potência normalizada para o seu valor médio em uma janela de tempo de 0,5 h; (A -2 ) Perfil de feixe de saída do amplificador regenerativo. ( B ) Espectro de saída do amplificador (verde) e a intensidade temporal recuperada (azul) dos impulsos do laser a uma potência média de 100 W após o compressor de rede. ( C ) Energia de sementes versus largura de banda espectral (FWHM) da saída do amplificador e as viagens de ida e volta necessárias para a mesma potência média de saída a 300 W da potência da bomba. Esta figura foi modificada de Fattahi et al. , Com permissão da referência 21 . Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura. <p class="jove_content" fo:keep-together.witHin-page = "1"> O SHG foi analisado usando o código SISYFOS 25 . Foram considerados dois cristais diferentes com os seguintes parâmetros: 1) um triborato de lítio de tipo I, 6 mm de espessura (LBO), com um ângulo de correspondência de fase de 13,7 ° e um coeficiente não linear de 0,819 pm / V e 2) um BBO tipo I, de 3 mm de espessura com um ângulo de correspondência de fase de 23,4 ° e um coeficiente não linear de 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps, pulsos de 20-mJ a 1.030 nm e uma intensidade de pico de 100 GW / cm 2 foram considerados como a entrada da simulação. Os resultados da simulação mostraram que o desempenho do BBO foi superior ao da LBO para SHG ( Figura 6 ). Figura 6 : Geração de segunda harmônica. (A) Simulado SHG enoRgy para um cristal LBO de 6 mm de espessura e um cristal BBO de 3 mm de espessura. ( B ) eficiência de SHG experimental versus intensidade de pico da bomba de entrada em um cristal BBO de 1,5 mm de espessura usando 0,5 mJ (preto) e 20 mJ (verde) da saída do amplificador. ( C ) A intensidade espectral recuperada e ( d ) o atraso grupal das medidas XFROG para diferentes eficiências SHG correspondentes aos pontos A, B e C em (b). Esta figura foi modificada de Fattahi et al. , Com permissão da referência 21 . Clique aqui para ver uma versão maior dessa figura.
Discussion
A operação turn-key do oscilador é alcançada pelo ótimo gerenciamento de calor dos diferentes componentes do laser. A saída do oscilador é reproduzível diariamente, sem necessidade de alinhamento ou otimização extra. Além disso, a estabilidade de energia de impulso a pulso ea estabilidade espacial apontadora do laser de sementes cumprem as condições prévias para alcançar o funcionamento estável do amplificador regenerativo.
Outras fontes de semente de baixa energia, como amplificadores de fibra, podem ser usadas para semear o amplificador. Neste estudo, utilizou-se um oscilador KLM de 2 μJ Yb: YAG fino para auxiliar a amplificação do amplificador regenerativo, reduzindo o crescimento das fases não-lineares acumuladas, uma vez que o número necessário de viagens de ida e volta é reduzido para a energia de sementes de maior entrada . Além disso, a maior energia de sementes influencia o processo de amplificação e reduz o estreitamento do ganho. A largura de banda espectral medida do impulso amplificadoEs para diferentes energias de sementes com uma potência de bomba fixa é mostrado na Figura 5c . A largura de banda espectral amplificada diminui para menores energias de sementes devido ao estreitamento do ganho. Para 10 pJ de energia de sementes, o laser opera no período de duplicação, e não é possível alcançar uma operação estável, mesmo aumentando o número de viagens de ida e volta. Além da otimização cuidadosa dos sistemas de refrigeração e da fonte de alimentação dos diodos, a operação do amplificador regenerativo em saturação desempenha um papel importante na estabilidade alcançada do amplificador.
O fundamental ou o segundo harmônico do laser podem ser usados para bombear um sistema OPCPA. Para SHG, as performances de um LBO e um BBO foram comparadas, pois oferecem alto coeficiente não linear e limiar de dano, apesar da maior distância espacial e da abertura disponível limitada no caso do BBO. Como o coeficiente não-linear de BBO é quase o dobro do LBO, um cristal mais curto é suficientePara atingir o limite de saturação para SHG ( Figura 6a ). Portanto, BBO é a escolha mais adequada, já que a fase não linear linear acumulada é menor 28 .
As durações de pulso dos pulsos SH são caracterizadas experimentalmente em diferentes eficiências de conversão. Observou-se que, com altas eficiências de conversão, o espectro SHG é ampliado e uma fase espectral de ordem superior aparece ( Figura 6 ). Portanto, o caso B, com a eficiência de conversão de 70%, é escolhido onde o SH e os feixes fundamentais não convertidos mantêm excelente qualidade.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer ao Prof. Ferenc Krausz pelas discussões e Najd Altwaijry por seu apoio à finalização do manuscrito. Este trabalho foi financiado pelo Centro de Aplicações Laser Avançadas (CALA).
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 |
References
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Cite This Article
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).