20 mJ, 1 ps Yb: YAG amplificador regenerativo de disco delgado
Summary
Se presenta aquí un protocolo para el funcionamiento de una fuente de bomba de amplificador de pulso de chirpómetro óptico de alta energía y alta potencia basada en un amplificador regenerativo de disco fino Yb: YAG.
Abstract
Se trata de un informe sobre un amplificador regenerativo de disco fino Yb: YAG de 100 W, 20 mJ, 1 ps Yb: YAG. Un Yb: YAG hecho en casa Yb: YR, Kerr-lente oscilador de modo de bloqueo de modo con el rendimiento de llave en mano y la energía de pulso de nivel de microjoule se utiliza para sembrar el amplificador regenerativo de pulso chirpado. El amplificador se coloca en una carcasa hermética. Funciona a temperatura ambiente y exhibe un funcionamiento estable a una frecuencia de repetición de 5 kHz, con una estabilidad de impulso a impulso inferior al 1%. Mediante el empleo de un cristal de borato beta de bario de 1,5 mm de espesor, la frecuencia de la salida del láser se duplica a 515 nm, con una potencia media de 70 W, lo que corresponde a un rendimiento óptico-óptico del 70%. Este rendimiento superior hace que el sistema sea una atractiva fuente de bombas para amplificadores de pulso de chirrido paramétrico óptico en el rango espectral del infrarrojo cercano y del infrarrojo medio. Combinando el rendimiento de llave en mano y la estabilidad superior del amplificador regenerativo, el sistema facilita la generación de una banda ancha, estable al CEPsemilla. Proporcionar la semilla y la bomba de la amplificación de impulso chirpado paramétrico óptico (OPCPA) de una fuente de láser elimina la demanda de sincronización temporal activa entre estos impulsos. Este trabajo presenta una guía detallada para configurar y operar un amplificador regenerativo de disco delgado Yb: YAG, basado en la amplificación de pulso chirpado (CPA), como una fuente de bomba para un amplificador óptico paramétrico de pulso chirpado.
Introduction
La generación de pulsos láser de alta energía y pocos ciclos a una alta tasa de repetición es de gran interés para los campos aplicados, como la ciencia de attosecondos 1 , 2 , 3 , 4 y la física de campo alto 5 , 6 , que pueden beneficiarse directamente De la disponibilidad de tales fuentes. OPCPA representa la ruta más prometedora para lograr altas energías de pulso y largos anchos de banda de amplificación que soportan simultáneamente impulsos de pocos ciclos 1 . Hasta la fecha, la OPCPA permite la amplificación de banda ancha, que genera impulsos de ciclo reducido 7 , 8 , 9 , 10 . Sin embargo, una implementación modificada del esquema OPCPA, que utiliza pulsos de bombas cortas en la escala de picosegundos,Haciendo que este enfoque sea escalable para energías de pulso aún más altas y potencias medias en el régimen de pocos ciclos 1 , 11 , 12 . Debido a la alta intensidad de la bomba en OPCPA de pulso de pulso corto, la alta ganancia de un solo paso permite el uso de cristales muy delgados para soportar grandes anchos de banda de amplificación. Aunque el OPCPA bombeado de pulso corto tiene muchas ventajas, la realizabilidad de este enfoque está sujeta a la disponibilidad de láseres especialmente diseñados para este propósito. Estos láseres de bombeo están obligados a suministrar impulsos de picosecondro de alta energía con una calidad de haz limitada de difracción cercana a frecuencias de repetición en el intervalo de kHz a MHz 13 , 14 , 15 .
La introducción de láseres dopados con ytterbio en diferentes geometrías, capaces de suministrar impulsos láser de picosecondos con alta energía y alta potencia media, Están a punto de cambiar el estado actual del campo 1 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 . Yb: YAG tiene una buena conductividad térmica y una larga vida útil en estado superior, y puede ser bombeada por láseres de diodo económicos. Su rendimiento cuando se utiliza en geometría de disco fino es excepcional debido a la refrigeración eficiente del medio de ganancia para escalar simultáneamente el pico y la potencia media. Además, la suposición de autofocalización dentro del medio de ganancia durante el proceso de amplificación se suprime debido a la esbeltez del disco delgado en comparación con otras geometrías del medio de ganancia, dando como resultado perfiles temporales y espaciales excelentes de los impulsos amplificados. La combinación de este concepto con el CPA es prometedor para generar pulsos de picoseconde con cientos de milijolios de energía y cientosDe vatios de potencia media 19 , 20 .
El objetivo de este trabajo es demostrar un amplificador regenerativo de disco fino Yb: YAG llave en mano con un rendimiento diario excepcional como fuente adecuada para el bombeo de OPCPA 21 . Para lograr este objetivo, este estudio emplea un oscilador de disco delgado Yb: YAG 22 con varios microjoules de energía de pulso para sembrar el amplificador para minimizar la fase no lineal acumulada durante el proceso de amplificación. Este protocolo proporciona la receta para construir y operar el sistema láser, que se describe en otra parte 21 . Se presentan detalles sobre el software de implementación y control de componentes y se describe el proceso de alineación del sistema.
Protocol
Precaución: Tenga en cuenta todas las normas de seguridad que son relevantes para los láseres antes de usar este equipo. Evite la exposición de los ojos o la piel a rayos láser directos o dispersos. Por favor use gafas de seguridad láser apropiadas durante todo el proceso. Figura 1 : Esquema del amplificador regenerativo Yb: YAG de disco delgado. (A) Yb: YAG-disco delgado Kerr-lente oscilador de modo bloqueado. La cavidad lineal de 13 m del oscilador consta de un acoplador de salida de transmisión de 13%, tres espejos de alta dispersión con GDD de -3,000 fs 2 , medio Kerr de zafiro de 1 mm y una abertura dura de cobre. Se utiliza un selector de impulsos, que contiene un cristal BBO de 25 mm de espesor, para reducir la frecuencia de repetición a 5 kHz. ( B ) CPA. Primer bloque: la configuración del ensanchador de pulsoG dos redes de oro antiparalelo (1.740 líneas / mm), donde los impulsos de semilla se estira temporalmente hasta aproximadamente 2 ns. Segundo bloque: el amplificador regenerativo, donde el pulso de semilla se confina en la cavidad del amplificador para su amplificación cuando se aplica el alto voltaje de la célula de Pockels, que contiene un cristal BBO con un espesor de 20 mm. Tercer bloque: el compresor de impulsos que contiene dos redes dieléctricas paralelas (1.740 líneas / mm), donde los impulsos amplificados se comprimen temporalmente hasta 1 ps. Esta cifra ha sido modificada de Fattahi et al. , Con permiso de la referencia 21 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Componente ROC Distancia (Mm) (Mm) jefe ∞ 0 TD -17000 600 M 1 -1000 5000 BP ∞ 510 M 2 -1000 510 EM ∞ 800 Tabla 1: Diseño de la cavidad del oscilador. ROC: radio de curvatura, OC: acoplador de salida, TD: disco delgado, M: espejo, BP: Placa Brewster, EM: espejo final. Figura 2 : Diseño de la cavidad del oscilador. Radio de modo calculado en los componentes de la cavidad. OC: acoplador de salida, TD: disco delgado, M: espejo, BP: Brewster plaTe, EM: espejo del extremo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Componente ROC Distancia (Mm) (Mm) EM 1 ∞ 0 ordenador personal ∞ 200 M 1 -5000 525 M 2 1500 1500 TD -2000 1050 EM 2 -2000 2350 Tabla 2: Diseño de la cavidad del amplificador regenerativo. ROC: radio de curvatura, EM: final mirRor, PC: célula de Pockels, M: espejo, TD: disco delgado. Figura 3 : Diseño de la cavidad del amplificador regenerativo. Radio de modo calculado en los componentes de la cavidad. EM: espejo de extremo, PC: célula de Pockels, M: espejo, TD: disco fino. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 1. Oscilador Encienda el agua de enfriamiento para el oscilador ( Figura 1a ). Encienda los enfriadores de refrigeración para enfriar los diodos de la bomba, la cabeza del disco delgado y la placa de pruebas. Ajuste la temperatura en ambos enfriadores a 20 ° C. Encienda la fuente de alimentación de la unidad de diodos de la bomba (vea la Tabla de Materiales No. 1) y haga clic en el botón "OUTPUT ON / OFF ". NOTA: Para simular y diseñar el oscilador y la cavidad del amplificador regenerativo (Tabla 1 y Tabla 2, Figura 2 y Figura 3 ) se utilizó un software de simulación de la cavidad láser (véase la Tabla de Materiales No. 113) 23 . Bombee el disco fino (vea la Tabla de Materiales , No. 14) a través de la fibra acoplada a una longitud de onda de 940 nm ajustando el mando "corriente" en la fuente de alimentación a 26.2 A, correspondiente a la salida 210-W, a Inicie el lasing en el oscilador en el modo de onda continua (CW). Para observar el espectro de salida del modo CW, conecte una fibra al espectrómetro y colóquela antes del selector de impulsos después de usar una atenuación apropiada. En el software del espectrómetro, seleccione la pestaña "Spectrometer" y haga clic en "Rescan Devices". Haga clic derecho sobre el nombre del espectrómetroY seleccione "Spectrum Graph". Haga clic en el botón "Aceptar" en la ventana "Elegir destino". Después de bloquear el rayo láser, haga clic en el botón "Almacenar espectro oscuro" en la barra de herramientas y haga clic en el botón "Scope Minus Dark" para restar el espectro de fondo. Desbloquear el haz láser para observar el espectro. Observe la potencia de salida del modo CW en el medidor de potencia antes del selector de impulsos. Para operar el oscilador en modo pulsado e iniciar el bloqueo de modo, perturbar el espejo de alta reflectividad dentro de la cavidad del láser (en una etapa de traducción) empujando mecánicamente la etapa desde la parte posterior de la Figura 1a ). NOTA: En el oscilador y en la cavidad del amplificador regenerativo se utilizaron espejos de alta reflectividad con un alto umbral de daño (véase la Tabla de Materiales , N ° 24 y 28). Observar el espectro y la potencia de salida de la pulsada mOde ante el recogedor de pulsos utilizando un espectrómetro y un medidor de potencia, respectivamente. NOTA: La salida del oscilador tiene 25 W de potencia media a una longitud de onda de 1.030 nm, una frecuencia de repetición de 11 MHz y un ancho de banda espectral de 4 nm (FWHM). Si no se requiere la optimización del oscilador, omita los pasos 1.9-1.14. Aumente ligeramente la corriente en la fuente de alimentación hasta que aparezca un pico CW en el espectro medido por el espectrómetro. Alinee la apertura dura en el oscilador (consulte la Figura 1a ) ajustando sus tornillos micrométricos vertical y horizontalmente para maximizar el pico CW. Observe el agotamiento del perfil del haz de la bomba en el disco delgado. Ejecute el programa de la cámara de disco y seleccione "Monocromo" en la ventana "elegir modo". Haga clic en el botón "Abrir cámara" en la barra de herramientas para observar el punto del haz en el disco delgado. Ajuste los actuadores lineales piezoeléctricos del espejo de extremo (Pulsando el botón "+" o "-" en el motor vertical u horizontal de la almohadilla de control manual para alinear este agotamiento al centro del perfil del haz de la bomba. Reduzca ligeramente la corriente en la fuente de alimentación hasta que el pico CW desaparezca en el espectro. Repita los pasos de 1.9-1.13 hasta obtener un espectro y una potencia de salida similar a los niveles de referencia obtenidos (ver el espectro medido en la Figura 4a (curva roja) a 25 W de potencia media). Para observar el tren de impulsos de salida y determinar la estabilidad de impulso a impulso, conecte un fotodiodo rápido a un osciloscopio y colóquelo antes del selector de impulsos (después de utilizar una atenuación apropiada). Seleccione un nivel de activación adecuado sintonizando el mando "nivel de disparo" del osciloscopio para estabilizar las formas de onda repetitivas y observe el tren de impulsos de salida en la pantalla del osciloscopio. Desde TH E "Measure", seleccione "Peak to Peak Amplitude" para determinar la estabilidad de pulso a pulso. Observe el perfil del haz de salida antes del selector de impulsos y determine las fluctuaciones del haz. Ejecute el software de perfiles de haz y haga clic en el botón "Ir, iniciar captura" de la barra de herramientas para observar el perfil del haz. Desde la barra de herramientas, abra el cuadro de diálogo de "desviación de rayo" y luego haga clic en el botón "borrar" para iniciar una nueva medición de estabilidad de señal de haz. NOTA: Las fluctuaciones en el haz o un perfil de haz distorsionado (causado por daño óptico, recorte del haz, etc. ) pueden deteriorar la estabilidad del sistema. Medir la duración de los impulsos mediante el gating óptico resuelto en frecuencia basado en la generación del segundo armónico (SHG-FROG) 21 , 24 . 2. Selector de pulso y ensanchador de pulsos NOTA: Tenga en cuenta todas las normas de seguridad eléctricas antes de aplicar la alta tensión en el selector de impulsos Utilice el aislamiento apropiado de alta tensión Retire los diagnósticos de la trayectoria del haz antes de continuar con esta sección Si alinea el selector de impulsos Y su configuración no es necesaria, omita los pasos 2.1, 2.3-2.6, 2.8-2.9 y 2.11. Utilice dos espejos antes de la configuración del selector de impulsos para alinear el haz de salida del oscilador a través de la unidad de recogida de impulsos (véase la Tabla de Materiales N ° 5 y 7) y su cristal de boro beta de bario (BBO) de 25 mm de grosor Tabla de Materiales , Nº 12) con la ayuda del visor de infrarrojos y la tarjeta de visualización de láser ( Figura 1a ). Ejecute el programa selector de impulsos en el ordenador del oscilador. Observe la señal de conmutación del selector de impulsos y el tren de impulsos del oscilador en el osciloscopio (véase el paso 1.15) con la ayuda de una fotografıa rápidaOdiode En el programa selector de impulsos, ajuste el retardo (retardo A) del cuadro de diálogo "Definir parámetros de retardo" para sincronizar la señal de conmutación y el tren de impulsos en el cristal selector de impulsos. Ajuste la ventana de tiempo de conmutación (retardo B) del cuadro de diálogo "Definir parámetros de retardo" para seleccionar un pulso del tren de impulsos. Ajuste el tiempo de disparo interno (inhibición) del cuadro de diálogo "Definir parámetros de retardo" a 200 μs para seleccionar un pulso cada 5 kHz. Reduzca la frecuencia de repetición del oscilador de 11 MHz a 5 kHz conmutando la fuente de alimentación del controlador del selector de impulsos a "on" para aplicar alto voltaje al cristal. Seleccione los impulsos recogidos del tren de impulsos utilizando un polarizador de película delgada (TFP) (véase la tabla de materiales , nº 31) después del selector de impulsos y vuelque los pulsos restantes en un volcado de haz. Mejora el contraste de los pulsos escogidos ajustando la placa de media onda (seE la Tabla de Materiales , No. 32) antes del selector de impulsos. Reduzca la potencia de pico del pulso de láser haciendo pasar los impulsos escogidos a través de la disposición del estirador para estirar los pulsos a una duración de 2 ns (ver Figura 1a -b ). Utilice dos espejos después de la configuración del selector de impulsos para alinear los impulsos escogidos a través de la configuración del ensanchador, si es necesario. NOTA: La camilla contiene dos rejillas de oro antiparalelas (véase la Tabla de Materiales , N ° 20 y 21) con una densidad de línea de 1.740 líneas / mm para estirar los pulsos a una duración de 2 ns para evitar dañar la óptica durante el proceso de amplificación En el amplificador regenerativo debido a una alta intensidad de pico. Estos impulsos se utilizan para sembrar el amplificador regenerativo, como se describe en la siguiente sección ( Figura 1b , parte superior). 3. Amplificador regenerativo Precaución; Esté consciente de todoAntes de aplicar el alto voltaje a la celda de Pockels. Utilice un aislamiento apropiado de alta tensión. Retire los diagnósticos de la trayectoria del haz antes de continuar con esta sección. Los impulsos de semilla se suministran desde el oscilador con bloqueo de modo Kerr de lente delgada de Yb: YAG. Se pueden usar otras estrategias de semillas para sembrar el amplificador, tales como amplificadores de fibra. Encienda el agua de refrigeración para el amplificador regenerativo ( Figura 1b , centro). Encienda los enfriadores de enfriamiento para enfriar los diodos de la bomba, el disco delgado, la cabeza del láser y la celda de Pockels. Ajuste la temperatura de los enfriadores a 28 ° C, 17 ° C y 18 ° C y luego active el sistema de bloqueo. NOTA: La viga de semilla desalineada puede deteriorar la estabilidad del amplificador. Si no es necesario alinear el amplificador regenerativo, omita los pasos 3.3-3.13 y 3.25. Encender la fuente de alimentación de la unidad de diodo bomba (véase la Tabla de MateriAls, No. 2) y luego haga clic en el botón "OUTPUT ON / OFF". Bombee el disco fino a través de la fibra acoplada a una longitud de onda de 940 nm ajustando el mando "corriente" de la fuente de alimentación al umbral. Observe el perfil del haz de bombeo en el disco usando la cámara de disco (consulte el paso 1.11) y seleccione "Circle Geometry" en el menú "Draw" del programa de cámara de discos para marcar la posición del haz en el programa de cámara. Reduzca la corriente de la fuente de alimentación a cero y luego haga clic en el botón "OUTPUT ON / OFF". Desconecte la alimentación de la unidad de diodos de la bomba. Utilice dos espejos antes del amplificador regenerativo para alinear el haz de salida de la camilla (impulsos de semilla) a través de la óptica de acoplamiento en el amplificador regenerativo para alcanzar el espejo de primer extremo (detrás de la celda de Pockels). Utilice el perfilador de haz, el visor de infrarrojos y la tarjeta de visualización de láser para ayudar con esto. Cierre la cavidad del amplificador girando el cuarto(Véase la Tabla de Materiales , No. 33), detrás de la celda de Pockels, eliminando el rayo láser dentro de la cavidad. Ajuste las perillas motorizadas del espejo de primer extremo presionando el botón "+" o "-" del motor vertical u horizontal (controlador 1) desde la almohadilla de control manual para alinear la viga de desacoplamiento. Abra la cavidad del amplificador girando la placa de cuarto de onda (detrás de la celda de Pockels) hasta alcanzar la máxima intensidad del haz láser dentro de la cavidad. Bloquee el haz reflejado hacia atrás desde el segundo espejo final. Observe el perfil del haz de los impulsos de semilla en el programa de la cámara de disco y solape el haz con la posición marcada sintonizando los mandos de uno de los espejos de cavidad antes del disco delgado. Desbloquee el haz reflejado hacia atrás y observe su punto en el programa de la cámara de disco. Ajuste las perillas motorizadas del segundo espejo oprimiendo el botón "+" o "-" para la vertical u horizontalMotor (driver 2) en la almohadilla de control manual para solapar el reflejo posterior con la posición marcada. De la computadora de la célula de Pockels, funciona el programa de la célula de Pockels. NOTA: Si no se requiere el ajuste de la celda Pockels, omita los pasos 3.15-3.18. Observe la señal de conmutación de la celda de Pockels (véase la Tabla de Materiales , No. 6 y 8) y los impulsos de semilla en el osciloscopio (véase el paso 1.15) con ayuda de un fotodiodo rápido ( Figura 1b , centro). En el programa de células de Pockels, ajuste el tiempo de retardo (retardo A) del cuadro de diálogo "Definir parámetros de retardo" para sincronizar la conmutación de la célula de Pockels y los impulsos de semilla en el cristal celular de Pockels. Ajustar la ventana de tiempo de conmutación (retardo B) del cuadro de diálogo "Definir parámetros de retardo" para limitar un pulso dentro de la cavidad del amplificador regenerativo a 4 μs, correspondiente a 87 disparos de ida y vuelta del pulso. Establecer el disparo internoR tiempo (inhibir) desde el cuadro de diálogo "definir parámetros de retardo" a "200 μs" para confinar la frecuencia a un pulso cada 5 kHz. Encienda la fuente de alimentación del controlador de celdas Pockels para aplicar el alto voltaje en el cristal. Encienda la fuente de alimentación de la unidad de diodos de la bomba y haga clic en el botón "OUTPUT ON / OFF". Para amplificar los impulsos de semilla en el amplificador regenerativo, bombee el disco fino ajustando el mando "corriente" en la fuente de alimentación a 57.7 A, correspondiente a 280 W. NOTA: El haz amplificado se separa del haz de semillas mediante la combinación de un rotador de Faraday (véase la Tabla de Materiales , No. 19) y una TFP. El oscilador Yb: YAG está protegido contra la reflexión posterior del haz amplificado por un aislador (véase la Tabla de Materiales , Nº 18). NOTA: Mantenga el funcionamiento de la celda de Pockels y la unidad de diodos de la bomba en el orden mencionado anteriormente para evitar dañar la óptica mediante la conmutación Q. Observe el espectro y la potencia de salida (véanse los pasos 1.5 y 1.6) antes del compresor. NOTA: La salida del amplificador tiene 125 W de potencia media a una longitud de onda de 1.030 nm, una frecuencia de repetición de 5 kHz y un ancho de banda espectral de 1 nm (FWHM). Observe el tren de impulsos de salida antes del compresor en la pantalla del osciloscopio y determine la estabilidad del pulso a pulso con la ayuda de un fotodiodo rápido (ver paso 1.15). Observe el perfil del haz de salida antes del compresor y determine las fluctuaciones del haz (ver paso 1.16). Ajuste finamente los mandos motorizados del segundo espejo de extremo presionando el botón "+" o "-" del motor vertical u horizontal (controlador 2) de la almohadilla de control manual para mejorar el funcionamiento del amplificador regenerativo, si es necesario. Caracterizar el efecto de reducción de ganancia. Considere la amplificación para diferentes niveles de energía semilla ajustando la energía de la semilla con neutraL-densidad. Cambie el número de desplazamientos de ida y vuelta para obtener la potencia de salida más alta para una potencia de bomba fija de 300 W. Observe el espectro de salida para cada caso. 4. Compresor de impulsos, alineación de vigas y sistema de estabilización NOTA: Antes de proceder con esta sección, retire los diagnósticos de la trayectoria del haz. Si no es necesario alinear el compresor y la unidad estabilizadora de haz, omita los pasos 4.3 y 4.6. Gire el soporte de rotación motorizado de la placa de media onda (en el trayecto de salida) presionando el botón "+" o "-" del motor A (controlador 5) desde la almohadilla de control manual para enviar unos pocos vatios de la salida del amplificador Al compresor ( Figura 1b , parte inferior). Comprimir el pulso del laser abajo a 1 ps pasando el haz amplificado a través de la disposición del compresor. Utilice dos espejos después de la configuración del amplificador regenerativo para alinear la amplificaciónD pulsos a través de la configuración del compresor, si es necesario. NOTA: El compresor contiene dos rejillas dieléctricas paralelas (véase la Tabla de Materiales , No. 22 y 23), con una densidad de línea de 1.740 líneas / mm. Encienda la fuente de alimentación de la unidad estabilizadora de haz (consulte la Tabla de Materiales , No. 98). Ejecute el programa estabilizador de haz en el ordenador estabilizador de viga. Utilice dos espejos antes de la configuración del detector del estabilizador de haz para alinear la difracción de orden cero desde la primera rejilla en el compresor a los detectores estabilizadores de haz. Presione el botón de "regulación" en el programa estabilizador de viga para bloquear el rayo láser para evitar la desviación del haz después del compresor. Vuelva a girar la placa motorizada de media onda para pasar la potencia de salida completa del amplificador a través del compresor. Ajuste la ganancia de los detectores estabilizadores de haz con ayuda de un filtro de densidad neutra. Caracterizar la duración del tiempo de la p comprimidaUtilizando SHG-FROG 21 , 24 . 5. Fuente de la Bomba del Sistema OPCPA NOTA: Antes de proceder con esta sección, retire los diagnósticos de la trayectoria del haz. Desde el ordenador OPCPA, ejecute el programa del perfilador de haz. Colimate y ajuste el tamaño del rayo láser después del compresor, utilizando un telescopio apropiado para alcanzar la intensidad máxima de 80 GW / cm 2 . Utilice el perfilador de haz, el visor infrarrojo y la tarjeta de visualización por láser. NOTA: Se seleccionó un cristal BBO de 1,5 mm de espesor para SHG basado en los resultados de la simulación realizada en el código 25 de simulación del sistema para ciencias ópticas (SISYFOS). Guiar el haz fundamental (1.030 nm) a través de un cristal no lineal (BBO de 1,5 mm de espesor) (véase la Tabla de Materiales , Nº 54) para generar el segundo armónico (SH) a 515 nm. Separar el haz SH de la unconverted haz fundamental mediante la colocación de un separador armónico a 45 ° (véase la Tabla de Materiales, No. 56) después de que el cristal. NOTA: El haz SH se refleja desde el separador de armónicos, mientras que el haz fundamental no convertido se transmite a través de. Optimice con precisión el ángulo de sincronización de fase de la SH ajustando la perilla de la montura de cristal para alcanzar la mayor eficiencia de conversión de la SH (70%, correspondiente a 70 W). Observe la potencia del SH y los haces fundamentales no convertidos en los medidores de potencia (ver paso 1.6). Observe el perfil de haz gaussiano del SH y los haces fundamentales no convertidos (ver paso 1.16). Caracterizar la forma temporal de los pulsos de SH utilizando la convergencia de frecuencia cruzada resuelto gating óptico (XFROG) [ 21 , 24] .
Representative Results
El oscilador de entrega 350 fs, 2 μJ, los pulsos 25-W en tasa de repetición de 11 MHz, con una estabilidad-impulso a impulso de 1% (rms) y las fluctuaciones de apuntamiento de haz de menos de 0,6% más de 1 h de medición (figura 4 ). Figura 4 : Yb: YAG de disco delgado, Kerr-lente de modo bloqueado oscilador. (A) El espectro (rojo), el perfil recuperado temporal intensidad (azul), y el perfil espacial (inserción) de los impulsos del oscilador. B ) Espectrógrafo SHG-FROG medido y recuperado del oscilador. Esta cifra ha sido modificada de Fattahi et al. , Con permiso de la referencia 21 .> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Los impulsos de semilla se amplifican en el amplificador regenerativo a 125 W mientras se bombean con un diodo acoplado a fibra CW a una longitud de onda de 940 nm a 280 W, lo que corresponde a un rendimiento óptico-óptico del 47%. La estabilidad de impulso a impulso del amplificador es menor que 1%, y el amplificador presenta excelente estabilidad a largo plazo después de 10 h de funcionamiento continuo. El haz amplificado tiene un excelente perfil espacial, con una M 2 de 1 (M 2 x = 1,08 y M 2 y = 1,07) y un perfil temporal excelente después de la compresión a 1 ps (en FWHM) ( Figura 5 ). Figura 5 : Caracterización del amplificador regenerativoSalida y el efecto de reducción de ganancia. (A) La estabilidad de la potencia media amplificador regenerativo después de 10 h de operación continua. Inserción: ( a-1 ) Potencia normalizada a su valor medio en una ventana de tiempo de 0,5 h; (A -2 ) Perfil del haz de salida del amplificador regenerativo. ( B ) Espectro de salida del amplificador (verde) y la intensidad temporal recuperada (azul) de los impulsos láser a una potencia media de 100 W después del compresor de rejilla. ( C ) La energía de la semilla frente al ancho de banda espectral (FWHM) de la salida del amplificador y los desplazamientos redondos requeridos para la misma potencia media de salida a 300 W de potencia de la bomba. Esta cifra ha sido modificada de Fattahi et al. , Con permiso de la referencia 21 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <p class="jove_content" fo:keep-together.witHin-page = "1"> El SHG se analizó utilizando el código SISYFOS 25 . Se consideraron dos cristales diferentes con los siguientes parámetros: 1) un triborato de litio de tipo I de 6 mm de espesor (LBO), con un ángulo de concordancia de fase de 13,7 ° y un coeficiente no lineal de 0,819 pm / V, y 2) un Tipo I, de 3 mm de espesor BBO con un ángulo de adaptación de fase de 23,4 ° y un coeficiente no lineal de 2 pm / V 26 , 27 . 1-ps, 20-mJ pulsos a 1,030 nm y una intensidad de pico de 100 GW / cm 2 se consideraron como la entrada de la simulación. Los resultados de la simulación mostraron que el rendimiento de BBO fue superior al de la LBO para SHG ( Figura 6 ). Figura 6 : Generación del segundo armónico. (A) Simulated SHG enoRgy para un cristal LBO de 6 mm de espesor y un cristal BBO de 3 mm de espesor. ( B ) Rendimiento experimental de SHG frente a la intensidad máxima de la bomba de entrada en un cristal BBO de 1,5 mm de espesor usando 0,5 mJ (negro) y 20 mJ (verde) de la salida del amplificador. ( C ) La intensidad espectral recuperada y ( d ) el retraso grupal de las mediciones de XFROG para diferentes eficiencias SHG correspondientes a los puntos A, B y C en (b). Esta cifra ha sido modificada de Fattahi et al. , Con permiso de la referencia 21 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
El funcionamiento de llave en mano del oscilador se logra mediante la gestión óptima del calor de los diferentes componentes del láser. La salida del oscilador es reproducible diariamente, sin necesidad de alineación o optimización adicional. Además, la estabilidad de energía de impulso a impulso y estabilidad de orientación espacial del láser de semillas cumple las condiciones previas para lograr el funcionamiento estable del amplificador regenerativo.
Otras fuentes de semillas de baja energía, tales como amplificadores de fibra, se pueden utilizar para sembrar el amplificador. En este estudio, se utilizó un oscilador KLM de disco fino Yb: YAG de 2 μJ para ayudar a la amplificación del amplificador regenerativo reduciendo el crecimiento de las fases no lineales acumuladas, ya que el número requerido de desplazamientos de ida y vuelta se reduce para la energía de semilla de mayor entrada . Además, la energía de semilla más alta influye en el proceso de amplificación y reduce el estrechamiento de la ganancia. El ancho de banda espectral medido del impulso amplificadoEs para energıas de semilla diferentes a una potencia de bomba fija se muestra en la Figura 5c . El ancho de banda espectral amplificado disminuye para las energías de semillas más bajas debido al estrechamiento de la ganancia. Para 10 pJ de energía de semilla, el láser opera en el período de duplicación, y no es posible alcanzar un funcionamiento estable, incluso aumentando el número de viajes de ida y vuelta. Además de la cuidadosa optimización de los sistemas de refrigeración y de la alimentación de los diodos, el funcionamiento del amplificador regenerativo a la saturación juega un papel importante en la estabilidad obtenida del amplificador.
El fundamental o segundo armónico del láser se puede utilizar para bombear un sistema OPCPA. Para el SHG, se compararon las prestaciones de un LBO y un BBO, ya que ofrecen un alto coeficiente no lineal y un umbral de daño, a pesar del mayor desplazamiento espacial y la limitada apertura disponible en el caso del BBO. Como el coeficiente no lineal de BBO es casi el doble que el LBO, un cristal más corto es sufPara alcanzar el límite de saturación para SHG ( Figura 6a ). Por lo tanto, BBO es la opción más adecuada, ya que la fase no lineal acumulada es menor 28 .
Las duraciones de impulso de los impulsos SH se caracterizan experimentalmente con eficacias de conversión diferentes. Se observó que a altas eficiencias de conversión, el espectro SHG se amplía y aparece una fase espectral de orden superior ( Figura 6 ). Por lo tanto, se elige el caso B, con la eficiencia de conversión del 70%, donde el SH y los haces fundamentales no convertidos mantienen una excelente calidad.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría agradecer al Prof. Ferenc Krausz por las discusiones y Najd Altwaijry por su apoyo para la finalización del manuscrito. Este trabajo ha sido financiado por el Centro de Aplicaciones Avanzadas de Láser (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).