Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2382
Main Title: Few-Cycle High-Repetition-Rate Optical Parametric Amplifiers And Their Synchronisation Schemes
Translated Title: Optische Parametrische Verstärker mit hoher Wiederholrate und wenigen optischen Zyklen und deren Synchronisationstechniken
Author(s): Teisset, Catherine Yuriko
Advisor(s): Lehr, Heinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Hochenergetische ultrakurze Lichtpulse mit wenigen optischen Zyklen und vollständig kontrolliertem elektromagnetischen Feld sind Voraussetzung für die Erforschung von feldstärkeempfindlichen elektronischen Prozessen auf subatomarer Ebene. Insbesondere optische, parametrische Verstärker für gechirpte Pulse (OPCPA) haben sich als leistungsstarke Alternative zu herkömmlichen Titan:Saphir-Lasern erwiesen, um breitbandige Pulse mit wenigen optischen Zyklen und gleichzeitig hoher mittlerer Leistung zu generieren. Die entscheidenden Vorteile von OPCPAs sind neben der groÿen Verstärkungsbandbreite die geringe thermische Belastung der nichtlinearen Kristalle sowie die im Vergleich zu Lasermedien sehr hohe Verstärkung in einem Durchgang durch den Kristall. Der Prozess der parametrischen Verstärkung in einem nichtlinearen optischen Kristall läuft ohne Zwischenspeicherung der Pumpenergie ab und benötigt, um Skalierbarkeit und praktische Anwendung einer OPCPA zu gewährleisten, hohe Anforderungen an die Synchronisation von Pump- und Seedpulsen. Parametrische Verstärker sind zur Zeit die einzige Methode, mit der hochenergetische, kohärente Lichtpulse weniger optischer Zyklen im vielfachen Milli-Joulebereich hergestellt werden können. Allerdings werden solche Systeme bisher nur im Bereich von wenigen Hertz Wiederholraten betrieben, da geeignete hochrepetitive Pumplaser bisher nicht existieren. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung von robusten und leistungsstarken optischen parametrischen Verstärkern mit hohen Wiederholraten für die Erzeugung von Pulsen mit wenigen optischen Zyklen. Nach einer kurzen Einleitung, in der die Motivation und die Herausforderungen für die Entwicklung von ultrakurzen Lichtpulsen bei hohen Wiederholraten dargestellt werden, sind im zweiten Kapitel dieser Arbeit das Konzept von parametrischen Verstärkern und deren Realisierungsmöglichkeiten vorgestellt. Im dritten Kapitel ist das erste von zwei entwickelten OPCPA-Systemen beschrieben, das bei einer Wiederholrate von einigen Kilohertz betrieben wird und aus einem Titan:Saphir-Seedoszillator und einem verstärkenden, Nd3+-gedopten Pumplaser besteht. Diese zwei Laser konnten optisch mit einer zeitlichen Präzision (Jitter) von unter 30 fs synchronisiert werden. In den folgenden Kapiteln 4 bis 6 wird der Aufbau des zweiten im Rahmen dieser Dissertation realisierten OPCPA-Systems dargestellt, das bei einer Wiederholrate von 11.5 MHz arbeitet. Kapitel 4 beschreibt die Entwicklung der dazugehörigen hochenergetischen Megahertzpumpquelle basierend auf einem Yb:YAG-Scheibenlaser mit 6 µJ Pulsenergie und 1 ps Pulsdauer. Die notwendige Synchronisation zwischen der Seed-und Pumpquelle wurde durch eine elektronisch-optische Rückkoppelungsschleife sichergestellt, erreicht eine Genauigkeit von ca. 100 fs und ist in Kapitel 5 erläutert. In einem einstufigen parametrischen Prozess wurden die wenigen Nanojoule Pulsenergie eines Titan:Saphir-Seedoszillators mit Hilfe der frequenzverdoppelten Pumppulse des Yb:YAG-Oszillators in einer nicht-kollinearen optischen parametrischen Anordnung verstärkt. Bei einer Pumppulsenergie von 3.8 µJ und einer Wellenlänge von 515 nm konnten die Seedpulse auf 700 nJ verstärkt werden mit einer Bandbreite von 650 bis 1000 nm. Das verstärkte Spektrum entspricht einer Bandbreitenlimitierten Pulsdauer von weniger als 7 fs und konnte in ersten Experimenten bei einer Pulsenergie von 250 nJ auf 10 fs komprimiert werden. Der ultrabreitbandige parametrische Verstärker und das entwickelte Dispersionsmanagement sind in Kapitel 6 erläutert.
High-energy few-cycle and carrier-envelope phase controlled laser sources are urgently required in many applications of high-intensity and laser field-sensitive physics. Optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) offers a particularly promising route to-ward compact ultrashort ultrahigh-peak-power laser systems because of its very broad gain bandwidth, negligible thermal load on the nonlinear crystal, and an extremely high single-pass gain as compared to conventional laser amplifiers based on the broadband Ti:Sapphire material. However, due to the absence of energy storage in the nonlinear crystal, parametric am-plification implies stringent requirements in terms of synchronisation between the pump and seed pulses which may hinders its scalability and its practical application. Synchro-nisation is thus of crucial importance for the generation of stable intense few-cycle pulses. Based on this technology terawatt-class multi-millijoule OPCPA systems were already reported at lower repetition-rates, typically of few Hz, due to power scaling is-sues of the pump source. This thesis focuses on the realisation of robust high-power high-repetition-rate optical parametric chirped pulse amplifiers for the generation of few-cycle pulses. Within this work, two efficient picosecond pump sources were developed to amplify the output of a broadband seed oscillator. Both amplification schemes rely on narrow-band synchro-nised pump sources optimised for the generation of high-energy pulses. The kHz-pump is based on a millijoule amplifier, while the MHz-pump consists of a high-energy oscilla-tor delivering multi-microjoule output pulse energies. A brief introduction first summarises the motivations for the generation of few-cycle pulses at high repetition rates and the challenges related to it. In the second chapter, the concept and realisation of optical parametric chirped pulse amplifiers are described. In chapter 3, an optical parametric chirped pulse amplifier system operating at kHz repe-tition rate is presented based on a Ti:Sapphire seed oscillator and an amplifier-type Nd3+-pump. The two lasers are locked to each other using a passive all-optical synchro-nisation scheme with a timing jitter estimated to be below 30 fs. The realisation of a 10-MHz optical parametric chirped pulse amplifier scheme is de-scribed in chapters 4, 5 and 6. This work includes the development of a MHz high-energy pump source based on a thin-disk mode-locked oscillator (chapter 4), the design of an active synchronization with an electronic-optical control loop (chapter 5), and the amplification-compression of ultrashort pulses (chapter 6). Using a high-energy Yb:YAG oscillator, few-nanojoule pulses delivered by a Ti:Sapphire oscillator are amplified in a single-stage optical parametric amplifier. The Yb:YAG laser delivers up to 6-J pulses at 11.5 MHz with a duration of 1 ps. After frequency doubling, up to 3.8J pulses are gen-erated at 515 nm for pumping a non-collinear optical parametric amplifier. After synchro-nisation of the two laser sources, a residual timing jitter of approximately 100 fs is meas-ured. In a single-stage parametric amplifier, amplification of the broadband Ti:Sapphire seed is demonstrated up to 700 nJ. The amplified spectrum still supports pulse durations below 7 fs. First compression experiments are undertaken with 250-nJ pulses and result in 10-fs pulses.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-25485
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2679
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2382
Exam Date: 22-Dec-2009
Issue Date: 22-Feb-2010
Date Available: 22-Feb-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Femtosekunde
Laser
Puls
Synchronisation
Verstärker
Amplifier
Femtosecond
Laser
Pulse
Synchronisation
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