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10KHz钛宝石前端系统输出峰值功率5W、脉宽17fs、CEP稳定脉冲

发布时间: 2017-07-10 10:53:49   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  对阿秒时间动力学的深入研究导致了超快激光技术的飞速发展,大能量、几个光学周期的激光脉冲成为研究强场与物质相互作用的主要工具。超短超强激光脉冲与物质相互作用时,非线性效应导致高次谐波产生,产生超紫外(XUV)阿秒脉冲序列。对于泵浦探测实验、纳米等离子产生、分子振动波包映射及原子相关性研究等应用来说,一个独立的阿秒脉冲比脉冲序列更加不可或缺。将XUV辐射局限在峰值两侧二分之一光学周期范围内是获取独立阿秒脉冲的直接手段。当脉冲宽度达到单个光学周期量级时,控制载波包络相位(CEP)对于产生能够可靠复制的独立阿秒脉冲变得格外重要。CEP的稳定性和脉冲宽度一道成为成功产生独立阿秒脉冲的重要参数。同是,高次谐波产生效率依赖于高重频、高能量的驱动脉冲源,在确保XUV信号亮度的同时减少采集时间。 

  目前,基于光栅的CPA系统是利用钛宝石放大获得高能量脉冲的最可靠的选择,可以有效降低系统B积分。然而,反射光栅对机械振动异常敏感:展宽器与压缩器上的光束指向振动导致色散扰动以及CEP的偏移。展宽光栅和压缩光栅的距离参数和角度调整是CEP噪声的重要参数。据报道,光栅的微小振动与移动导致相应的CEP偏移。除机械振动外,另外两个因素也将导致CEP不稳定。其一是由于空气湍流或机械振动导致的光束光程变化和材料温度波动,通常,当实验环境足够好时光束指向和温度波动对CEP的影响可以忽略。其二是由于放大晶体的折射率梯度所导致的激光脉冲强度波动。通常,由机械振动导致的CEP噪声的光谱宽度可达1KHz,而由强度波动带来的CEP光谱带宽超过10KHz。 

  本文提出了一种独创的全水冷前端系统来获得CEP稳定、17fs的高重频脉冲激光。压缩后的脉冲能量可达500mJ。该方案基于CPA技术,依赖钛宝石再生放大双晶体结构,该结构可以有效抑制热透镜效应。实验结构示意图如图3所示: 

  

  图3  实验结构示意图

  CEP稳定性测试结果如图4所示: 

  

  图4  CEP稳定性测试结果 (a)光谱仪测试结果 (b)功率谱密度(PSD)

  总之,本文提出了一种全新的再生放大机制,有效抑制了系统在高重频工作模式下的热效应。前端实现17fs的宽光谱脉冲,压缩后功率可达5W。10KHz前端的CEP稳定通过结合自制的快速模拟探测器和快速激励器(Dazzler)得以实现。经测试,在几小时内发次间的残余CEP噪声低至210mrad,确保了系统长时间运行的稳定性。与经典设计相比,本文采用的双晶体再生放大谐振腔结构是未来实现高强度CEP稳定脉冲激光器的最有希望的结构。 

自若编译自:https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-42-12-2326&origin=search

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