20 мДж, 1 пс Yb: YAG Тонкий дисковый регенеративный усилитель

Внимание! Перед использованием этого оборудования, пожалуйста, ознакомьтесь со всеми правилами техники безопасности, которые имеют отношение к лазерам. Избегайте воздействия на глаза или кожу прямых или рассеянных лазерных лучей. Пожалуйста, надевайте соответствующие лазерные защитные очки на протяжении всего процесса. Рисунок 1 : Схематическое изображение регенеративного усилителя Yb: YAG с тонким диском. (А) Yb: YAG – тонкий диск Керр-объектив с синхронизацией мод генератор. 13-метровая линейная резонатор осциллятора состоит из 13-процентного выходного соединителя, трех зеркал с высокой дисперсией с GDD с плотностью апертуры медь-серебра -3000 фс 2 , 1 мм и сапфиром Керра. Для уменьшения частоты повторения до 5 кГц используется импульсный сборщик, содержащий 25-миллиметровый BBO-кристалл. ( B ) CPA. Первый блок: установка носителей импульсов вG две антипараллельные золотые решетки (1740 линий / мм), где импульсы затравки временно растягиваются примерно до 2 нс. Второй блок: регенеративный усилитель, где начальный импульс ограничен в полости усилителя для усиления, когда применяется высокое напряжение ячейки Поккеля, которое содержит кристалл BBO толщиной 20 мм. Третий блок: импульсный компрессор, содержащий две параллельные диэлектрические решетки (1740 линий / мм), где усиленные импульсы временно сжаты до 1 пс. Эта цифра была изменена Fattahi et al. , С разрешением от ссылки 21 . Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Компонент РПЦ Расстояние (мм) (Мм) OC ∞ 0 TD -17000 600 M 1 -1000 5000 BP ∞ 510 M 2 -1000 510 ЭМ ∞ 800 Таблица 1: Конструкция резонатора осциллятора. ROC: радиус кривизны, OC: выходной соединитель, TD: тонкий диск, M: зеркало, BP: Brewster plate, EM: торцевое зеркало. Рисунок 2 : Конструкция резонатора осциллятора. Радиус расчетного режима на компонентах резонатора. OC: выходной соединитель, TD: тонкий диск, M: зеркало, BP: Brewster plaTe, EM: торцевое зеркало. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Компонент РПЦ Расстояние (Мм) (Мм) EM 1 ∞ 0 ПК ∞ 200 M 1 -5000 525 M 2 1500 1500 TD -2000 1050 EM 2 -2000 2350 Таблица 2: Конструкция полости рекуперативного усилителя. ROC: радиус кривизны, EM: конец светаRor, PC: ячейка Pockels, M: зеркало, TD: тонкий диск. Рисунок 3 : Регенеративная конструкция резонатора усилителя. Радиус расчетного режима на компонентах резонатора. EM: торцевое зеркало, ПК: ячейка Pockels, M: зеркало, TD: тонкий диск. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 1. Осциллятор Включите охлаждающую воду для генератора ( рис. 1a ). Включите охлаждающие охладители, чтобы охладить диоды насоса, головку тонкого диска и макет. Установите температуру на обеих чиллерах до 20 ° C. Включите источник питания для диодного блока насоса (см. Таблицу материалов , № 1) и нажмите «OUTPUT ON / OFF ". ПРИМЕЧАНИЕ. Программное обеспечение для моделирования лазерных резонаторов (см. Таблицу материалов , № 113) использовалось для моделирования и проектирования резонатора осциллятора и регенеративного усилителя (Таблица 1 и Таблица 2, Рисунок 2 и Рисунок 3 ) 23 . Направьте тонкий диск (см. Таблицу материалов , № 14) через связанное волокно с длиной волны 940 нм, установив «текущий» регулятор на источнике питания до 26,2 А, соответствующий выходному напряжению 210 Вт, до Начать генерацию в генераторе в режиме непрерывной волны (CW). Чтобы наблюдать выходной спектр режима CW, соедините волокно с спектрометром и поместите его перед устройством выбора импульсов после соответствующего затухания. В программном обеспечении спектрометра выберите вкладку «Спектрометр», а затем нажмите «Повторить поиск устройств». Щелкните правой кнопкой мыши имя спектрометраИ выберите «Spectrum Graph». Нажмите кнопку «Принять» в окне «Выбрать цель». После блокировки лазерного луча нажмите кнопку «Сохранить темный спектр» на панели инструментов и нажмите кнопку «Область минус темная», чтобы вычесть фоновый спектр. Разблокируйте лазерный луч, чтобы наблюдать спектр. Наблюдайте выходную мощность режима CW на измерителе мощности перед устройством выбора импульсов. Чтобы управлять генератором в импульсном режиме и инициировать блокировку режима, нарушить зеркало с высокой отражательной способностью внутри лазерной полости (на этапе трансляции), механически нажав на ступеньку сзади Рисунок 1а ). ПРИМЕЧАНИЕ. В осцилляторе и полости регенеративного усилителя использовались зеркала с высокой отражательной способностью с высоким порогом повреждения (см. Таблицу материалов , № 24 и 28). Соблюдайте спектр и выходную мощность импульсного mОда до выбора импульсов с помощью спектрометра и измерителя мощности соответственно. ПРИМЕЧАНИЕ. Выход генератора имеет 25 Вт средней мощности при длине волны 1030 нм, частоте повторения 11 МГц и спектральной ширине 4 нм (FWHM). Если оптимизация осциллятора не требуется, пропустите шаги 1.9-1.14. Слегка увеличьте ток на электросети до тех пор, пока в спектре, измеренном спектрометром, не появится кривая CW. Совместите жесткую апертуру в осцилляторе (см. Рис. 1a ), настроив винты микрометра вертикально и горизонтально, чтобы максимизировать всплеск CW. Наблюдайте за истощением профиля пучка накачки на тонком диске. Запустите программу на диске и выберите «Монохромный» из окна «Выбор режима». Нажмите кнопку «Открыть камеру» на панели инструментов, чтобы увидеть пятно луча на тонком диске. Настройте пьезолинейные приводы торцевого зеркала (Моторизированные ручки), нажав кнопку «+» или «-» на вертикальном или горизонтальном двигателе с панели управления рукой, чтобы выровнять это истощение с центром профиля луча насоса. Слегка уменьшите ток на источнике питания до тех пор, пока пик CW не исчезнет в спектре. Повторите шаги в 1.9-1.13 до тех пор, пока не будет достигнут спектр и выходная мощность, аналогичная полученным опорным уровням (см. Измеренный спектр на рисунке 4а (красная кривая) при средней мощности 25 Вт). Чтобы наблюдать последовательность выходных импульсов и определять стабильность импульс-импульс, подключите быстрый фотодиод к осциллографу и поместите его перед устройством выбора импульсов (после соответствующего ослабления). Выберите соответствующий уровень триггера, настроив ручку «триггерного уровня» на осциллографе, чтобы стабилизировать повторяющиеся сигналы и наблюдать за положением выходного импульса на экране осциллографа. Из E «Измерение», выберите «Peak to Peak Amplitude», чтобы определить стабильность импульс-импульс. Соблюдайте профиль выходного луча перед устройством выбора импульсов и определите флуктуации пучка. Запустите программное обеспечение профилировщика луча и нажмите кнопку «Go, start capture» на панели инструментов, чтобы просмотреть профиль луча. На панели инструментов откройте диалоговое окно «блуждание луча», а затем нажмите кнопку «Очистить», чтобы начать новое измерение стабильности луча. ПРИМЕЧАНИЕ. Флуктуации в луче или искаженном профиле луча (вызванные оптическим повреждением, обрезкой луча и т. Д. ) Могут ухудшить стабильность системы. Измерьте длительность импульса с использованием оптического стробирования с частотным разрешением на основе генерации второй гармоники (SHG-FROG) 21 , 24 . 2. Импульсный пикап и пусковой носитель Content "> ПРИМЕЧАНИЕ. Осторожно, помните о всех соответствующих правилах электробезопасности перед тем, как применять высокое напряжение на пульсометре. Используйте соответствующую изоляцию высокого напряжения. Удалите диагностику с пучка лучей, прежде чем приступать к этому разделу. И его настройка не требуется, пропустите шаги 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 и 2.11. Перед настройкой выбора импульсов используйте два зеркала, чтобы выровнять выходной луч от генератора через блок выбора импульсов (см. Таблицу материалов , № 5 и 7) и его кристалл бета-бария (BBO) толщиной 25 мм (см. Таблица материалов , № 12) с помощью инфракрасного зрителя и лазерной визитной карточки ( рис. 1а ). Запустите программу выбора импульсов на компьютере генератора. Соблюдайте сигнал переключения импульсного датчика и последовательность импульсов осциллятора на осциллографе (см. Шаг 1.15) с помощью быстрого фотоodiode. В программе выбора импульсов установите время задержки (задержку A) из диалога «Определить параметры задержки», чтобы синхронизировать сигнал переключения и последовательность импульсов на кристалле выбора импульсов. Установите окно времени переключения (delay B) из диалогового окна «Определить параметры задержки», чтобы выбрать один импульс из последовательности импульсов. Установите внутреннее время запуска (запрет) из диалогового окна «Определить параметры задержки» до 200 мкс, чтобы выбрать один импульс каждые 5 кГц. Уменьшите частоту повторения генератора с 11 МГц до 5 кГц, переключив питание драйвера импульсного датчика на «включено», чтобы применить высокое напряжение к кристаллу. Выбирайте выбранные импульсы из последовательности импульсов с помощью тонкопленочного поляризатора (TFP) (см. Таблицу материалов , № 31) после выбора импульсов и сбрасывайте оставшиеся импульсы в пучок. Улучшите контрастность выбранных импульсов, регулируя полуволновую пластину (seE Таблица материалов , № 32) перед сборщиком импульсов. Уменьшите пиковую мощность лазерного импульса, пройдя выбранные импульсы через установку подрамника, чтобы растянуть импульсы на длительность 2 нс (см. Рис. 1а -b ). При настройке выбора импульсов используйте два зеркала для выравнивания выбранных импульсов через настройку подрамника, если это необходимо. ПРИМЕЧАНИЕ. Подрамник содержит две антипараллельные золотые решетки (см. Таблицу материалов , № 20 и 21) с плотностью линий 1740 линий / мм, чтобы растянуть импульсы до продолжительности 2 нс, чтобы избежать повреждения оптики во время процесса амплификации В регенеративном усилителе из-за высокой интенсивности пика. Эти импульсы используются для высева регенеративного усилителя, как описано в следующем разделе ( рис. 1b , сверху). 3. Регенеративный усилитель Внимание; Будьте в курсе всехСоответствующие электрические правила безопасности перед применением высокого напряжения к ячейке Pockels. Используйте соответствующую высоковольтную изоляцию. Удалите диагностику с пути луча, прежде чем приступать к этому разделу. Импульсы семян поступают с осциллятора с синхронизацией по Керр-объективу Yb: YAG с тонким диском. Другие семенные стратегии могут использоваться для посева усилителя, такого как волоконные усилители. Включите охлаждающую воду для регенеративного усилителя ( рис. 1b , середина). Включите охладительные охладители, чтобы охладить диоды насоса, тонкий диск, лазерную головку и ячейку Поккельса. Установите температуру чиллеров до 28 ° C, 17 ° C и 18 ° C, а затем активируйте систему блокировки. ПРИМЕЧАНИЕ. Несвязанный пучок семян может ухудшить стабильность усилителя. Если выравнивание рекуперативного усилителя не требуется, пропустите шаги 3.3-3.13 и 3.25. Включите питание блока диода насоса (см. Таблицу MateriAls, № 2), а затем нажмите кнопку «OUTPUT ON / OFF». Насосите тонкий диск через связанное волокно с длиной волны 940 нм, установив ручку тока на источник питания до порога. Соблюдайте профиль луча накачки на диске с помощью дисковой камеры (см. Шаг 1.11) и выберите «Circle Geometry» в меню «Draw» в программе камеры диска, чтобы отметить положение луча в программе камеры. Уменьшите ток источника питания до нуля, а затем нажмите кнопку «ВЫХОД ВКЛ / ВЫКЛ». Выключите питание блока диода насоса. Используйте два зеркала перед регенеративным усилителем, чтобы выровнять выходной луч от подрамника (импульсы семян) через развязывающую оптику в регенеративном усилителе, чтобы достичь зеркала первого конца (за ячейкой Покельса). Используйте профилировщик луча, инфракрасный просмотрщик и карту просмотра лазера, чтобы помочь в этом. Закройте полость усилителя, повернув квартер(См. Таблицу материалов , № 33), за ячейкой Поккеля, устраняя лазерный луч внутри полости. Настройте моторизованные ручки зеркала первого конца, нажимая кнопку «+» или «-» на вертикальном или горизонтальном двигателе (драйвер 1) с панели управления рукой, чтобы выровнять лупу с выводом. Откройте полость усилителя, повернув четвертьволновую пластинку (за ячейкой Поккеля), пока в полости не будет достигнута максимальная интенсивность лазерного луча. Заблокируйте обратный отраженный луч от второго торцевого зеркала. Соблюдайте профиль луча импульсов семян в программе камеры на диске и перекрывайте луч с отмеченным положением, настроив ручки одного из зеркал полости перед тонким диском. Разблокируйте обратный отраженный луч и наблюдайте за его пятном в программе на диске. Настройте моторизованные ручки второго торцевого зеркала, нажимая кнопку «+» или «-» для вертикальной или горизонтальнойМотор (водитель 2) на панели управления рукой, чтобы наложить отражение назад на отмеченное положение. Из сотового компьютера Pockels запустите программу Cell Pockels. ПРИМЕЧАНИЕ. Если настройка ячейки Pockels не требуется, пропустите шаги 3.15-3.18. Соблюдайте сигнал переключения ячейки Поккеля (см. Таблицу материалов , № 6 и 8) и импульсы семян на осциллографе (см. Шаг 1.15) с помощью быстрого фотодиода ( рис. 1b , середина). В программе ячеек Pockels установите время задержки (задержка A) из диалогового окна «Определить параметры задержки», чтобы синхронизировать переключение ячейки Pockels и импульсов семян в кристалле ячейки Pockels. Установите окно времени переключения (задержка B) из диалогового окна «Определить параметры задержки», чтобы ограничить один импульс внутри полости регенеративного усилителя до 4 мкс, что соответствует 87 круговым отключениям импульса. Установить внутренний триггерR (запретить) из диалога «Определить параметры задержки» на «200 мкс», чтобы ограничить скорость до одного импульса каждые 5 кГц. Включите питание драйвера ячейки Pockels, чтобы применить высокое напряжение на кристалле. Включите питание блока диода насоса и нажмите кнопку «ВЫХОД ВКЛ / ВЫКЛ». Чтобы усилить импульсы семян в регенеративном усилителе, прокачайте тонкий диск, установив «ток» на блок питания на 57,7 А, что соответствует 280 Вт. ПРИМЕЧАНИЕ. Усиленный луч отделен от затравочной лунки комбинацией ротатора Фарадея (см. Таблицу материалов , № 19) и TFP. Осциллятор Yb: YAG защищен от обратного отражения усиленного пучка изолятором (см. Таблицу материалов , № 18). ПРИМЕЧАНИЕ. Храните работу ячейки Pockels и блока диода насоса в указанном выше порядке, чтобы избежать повреждения оптики Q-переключением. Наблюдайте за спектром и выходной мощностью (см. Шаги 1.5 и 1.6) перед компрессором. ПРИМЕЧАНИЕ. Выход усилителя имеет среднюю мощность 125 Вт при длине волны 1030 нм, частоте повторения 5 кГц и спектральной ширине 1 нм (FWHM). Соблюдайте последовательность выходных импульсов перед компрессором на экране осциллографа и определяйте стабильность импульса в импульсе с помощью быстрого фотодиода (см. Шаг 1.15). Соблюдайте профиль выходного луча перед компрессором и определяйте флуктуации пучка (см. Шаг 1.16). Точно настройте моторизованные ручки второго торцевого зеркала, нажав кнопку «+» или «-» на вертикальном или горизонтальном двигателе (водитель 2) с панели управления рукой, чтобы улучшить работу регенеративного усилителя, если это необходимо. Охарактеризуйте эффект сужения усиления. Рассмотрим усиление для разных уровней энергии семян путем регулирования энергии затравки с помощью нейтралиL-плотности фильтров. Измените количество круговых отключений, чтобы получить максимальную выходную мощность при фиксированной мощности накачки 300 Вт. Соблюдайте выходной спектр для каждого случая. 4. Импульсный компрессор, выравнивание луча и система стабилизации ПРИМЕЧАНИЕ. Перед продолжением работы в этом разделе удалите диагностику с пути луча. Если выравнивание компрессора и блока стабилизатора луча не требуется, пропустите шаги 4.3 и 4.6. Поверните моторизованное крепление полуволновой пластины (на выходном тракте), нажав кнопку «+» или «-» на двигателе А (драйвер 5) с панели управления рукой, чтобы отправить несколько ватт выходного усилителя К компрессору ( рис. 1b , внизу). Сжатие лазерного импульса до 1 пс путем пропускания усиленного луча через установку компрессора. Используйте два зеркала после настройки регенеративного усилителя, чтобы выровнять амплитудуD импульсов через установку компрессора, если это необходимо. ПРИМЕЧАНИЕ. Компрессор содержит две параллельные диэлектрические решетки (см. Таблицу материалов № 22 и 23) с плотностью линии 1740 линий / мм. Включите питание блока стабилизатора луча (см. Таблицу материалов , № 98). Запустите программу стабилизации луча на компьютере стабилизатора луча. Используйте два зеркала перед установкой детектора стабилизатора луча, чтобы выровнять дифракцию нулевого порядка от первой решетки в компрессоре до детекторов стабилизатора луча. Нажмите кнопку «регулировка» на программе стабилизации луча, чтобы заблокировать лазерный луч, чтобы избежать смещения луча после компрессора. Поверните моторизованную полуволновую пластину снова, чтобы передать полную выходную мощность усилителя через компрессор. Отрегулируйте коэффициент усиления детекторов стабилизатора пучка с помощью фильтра с нейтральной плотностью. Характеризуйте длительность сжатого pС использованием SHG-FROG 21 , 24 . 5. Источник насоса системы OPCPA ПРИМЕЧАНИЕ. Перед продолжением работы в этом разделе удалите диагностику с пути луча. С компьютера OPCPA запустите программу профилирования луча. Совместите и отрегулируйте размер лазерного луча после компрессора, используя соответствующий телескоп, чтобы достичь пиковой интенсивности 80 ГВт / см 2 . Используйте профилировщик луча, инфракрасный просмотрщик и карту лазерного просмотра. ПРИМЕЧАНИЕ. Для SHG был выбран кристалл BBO толщиной 1,5 мм, основанный на результатах моделирования, выполненного в коде Simulation System for Optical Science (SISYFOS) 25 . Направляйте основной пучок (1030 нм) через нелинейный кристалл (BBO толщиной 1,5 мм, см. Таблицу материалов , № 54) для генерации второй гармоники (SH) при 515 нм. Отделите пучок SH от unconveВ результате чего помещаем гармонический сепаратор при 45 o (см. Таблицу материалов , № 56) после кристалла. ПРИМЕЧАНИЕ. Пучок SH отражается от разделителя гармоник, в то время как непроизведенный основной пучок передается через. Точно оптимизируйте угол согласования фаз SH, настроив ручку крепления кристалла, чтобы достичь максимальной эффективности преобразования SH (70%, что соответствует 70 Вт). Соблюдайте мощность SH и непреобразованных фундаментальных лучей на измерителях мощности (см. Шаг 1.6). Соблюдайте гауссовский профиль пучка СВ и необращенных фундаментальных пучков (см. Шаг 1.16). Охарактеризуйте временную форму импульсов SH с использованием оптического стробирования с поперечной корреляцией (XFROG) 21 , 24 .