为了使超快脉冲进入尽可能广泛的应用领域,Coherent一直在以超快科学的工业革命的名义实施一个设计方法、材料确认和采购以及HALT/HASS测试协议的全面计划。这种方法强调性能、操作的简单性、可重复性和可靠性。

Astrella千赫兹放大器是这一革命的一个很好的例子,在最新的模型中,提供了第一个直接进入脉冲宽度短至35 fs,脉冲能量接近10 mJ的通道。然而,物理学、光化学和材料科学中一些重要的新兴应用需要更短的脉冲和/或更高的峰值功率——例如,产生阿秒x射线脉冲或产生相对论性电子爆发。

来自伦敦帝国理工学院的John Tisch教授和Daniel Walke博士与相干和球面超快光子公司合作,利用Astrella放大器的简单性和稳定的光束质量,使脉冲宽度达到5 fs,脉冲能量高达2 mJ。这是通过将Astrella与下一代中空纤维脉冲压缩机(HFC)和免提脉冲压缩机/测量d扫描系统相结合实现的。

Astrella集成放大器

如图1,总结实验中的三个关键组件的设置是一个Astrella放大器,一个自定义的HFC Tisch集团扩大带宽和压缩机/计量d扫描系统从球体超快光子同时测量和优化(即重新压缩)最终的输出脉冲。

图1所示。建立了5fs脉冲产生与测量的实验装置。相干星形放大器的输出通过一个透镜(f=1 m)聚焦到内径为250 μm、差压泵浦的空心光纤中,用氖气或氦气加压。Astrella的脉冲能量通过波片-偏光镜组合控制在0-7 mJ范围内(未显示)。空心光纤的光谱展宽输出在被压缩和被d-扫描蓝系统测量之前,由一个凹面银镜(f=0.75 m)重新准直。d扫描测量头只需要几mW的平均功率,因此使用分束器从中空光纤中取样瓦级(~1 mJ @ 1 kHz)光束。进入束流场的束流一般可用于实验。

连贯的Astella是最新一代单盒钛的一个例子:蓝宝石超快放大器;Astrella能够在脉冲宽度<35 fs的脉冲宽度<35 fs,800nm波长和1kHz的重复率下产生超过7 MJ。所有激光元件都位于紧凑型(26cm×79厘米×125cm)头中。这些包括单盒Vitara振荡器,脉冲拾取器,担架和由相干旋转Q开关Nd:YLF激光器和输出压缩机泵送的再生放大器。

图2。集成astrrella放大器具有低M的特点2输出光束,高指向稳定性和低输出噪声。插图显示典型的近场m2数据。

这种特殊的结构对于要求光学的应用非常理想,如本文所述的工作,因为可以通过稳定的再生放大器腔实现光束质量和稳定性(例如,相对于多通放大器)。需要对称高斯光束和稳定的光束指向,使其紧密聚焦在空心光纤的小孔内,以确保稳定的HFC输出,避免对光纤造成损伤。这些实验中测量的星束质量为M²< 1.04。

Astrella的稳定性、可靠性和光束质量作为Coherent正在进行的超快科学工业革命的一部分得到了最大化,使用的方法、材料和实践在工业激光器中久经验证。同样重要的是,Astrella的设计和制造(甚至运输!),它的光机械组件,以及每个子系统,都使用HALT/HASS协议进行了优化。因此,Astrella具有低输出噪声(0.5% rms)、漂移和无与伦比的波束指向稳定性(<10¼rad rms):它可以在长时间复杂的数据运行中不受影响,甚至可以进行长达数天的2D和3D光谱研究。

优化中空纤维压缩机

在这个演示实验中,来自Astrella放大器(35 fs脉冲宽度和1 kHz重复率)的输出脉冲聚焦到HFC中。这利用了在含有稀有气体的中空光纤中由自相位调制(SPM)引起的光谱展宽。光纤充当介质波导,限制光束并允许长时间高强度的相互作用长度。这种已建立的方法被证明可以产生高功率(高达5兆焦),低周期的激光脉冲,重复频率为千赫。

采用了差压抽运中空纤维。正如Tisch等人首创的,差速泵浦利用中空纤维毛细管的低气导,通过差速泵浦沿纤维保持压力梯度,并在入口保持真空。这减少了激光强度最高的光纤入口等离子体的形成。(在静态填充气体的中空纤维中,等离子体在输入端形成会导致耦合效率和射孔稳定性的降低,这是通过改变射孔端焦点的大小和位置来实现的。)如图1所示,在HFC出口处有一个单独的充气(氦气或氖气)电池,可以沿纤维建立压差梯度,同时保持入口电池的真空(<1 mbar)。

Astrella输出脉冲通过1M焦距,宽带抗反射涂层透镜和指向没有任何主动稳定的侧向于1M长的中空芯熔融二氧化硅纤维(内半径A =125μm)的入口处的焦距通过0.5mm厚的熔融石英AR涂层入口窗脱落。焦点的高斯梁腰被测量为〜160μm,满足条件W0= 0.64a的最佳能量耦合到中空芯光纤,并导致焦点光斑强度在10的量级14W /厘米2。在Astrella系统的压缩机前放置一个λ/2波片,脉冲能量在0.5 ~ 7 mJ范围内可以连续调节脉冲能量。由于Astrella放大器的高稳定性输入光束和差速泵浦空心光纤的结合,该系统能够在活动的每天连续运行而不需要用户进行任何主动反馈或重新调整。

在霓虹灯的情况下,SPM在这个HFC设置导致带宽覆盖范围550 - 1000 nm。在通过0.5 mm熔融石英Brewster窗口离开气电池后,这些宽带脉冲被压缩,并使用d扫描蓝色确定其完整的时间和相位曲线(Sphere Ultrafast Photonics,Porto,Portugal)系统。

d扫描脉冲压缩/脉冲时间测量

有几种方法可以表征飞秒脉冲的各个方面,但本演示中使用的D-Scan蓝单元提供了许多优点,包括其在几个周期制度中测量和压缩脉冲的能力(下降)单循环脉冲)。整体放松和使用速度使D扫描成为HCF测量和优化的完美工具。首先,它可以在单个单元中执行压缩/控制和时间测量。其次,它是一种坚固的独立工具,非常容忍输入光束未对准(均匀±几度),因此快速设置。第三,它快速,在千赫兹脉冲重复速率不到1分钟内提供完整的脉冲表征(相位和幅度)。此外,用户可以选择按钮优化以产生最短的脉冲宽度,而无需特殊脉冲计量专业知识。

此外,d扫描方法可以为要求更高的用户提供详细的脉冲特征数据集。例如,用户可以输出所有关键波长、相位和强度参数的图,提供强度与波长、强度与时间、相位与波长和相位与时间的图。因此,d-scan仪器可以显示是否有脉冲中断,并记录脉冲的全相位,即其对所有阶的剩余色散,包括三阶色散(TOD)和四阶色散(FOD)。

与其他脉冲时间测量方法一样,d扫描设备利用光学效应将相位信息转换为可以在光电探测器阵列上感知的幅度信号。为HCF系统定制的d扫描模块由一个啁啾反射镜压缩器组成,包括一对平动级的薄玻璃楔,提供正反色散。脉冲通过压缩机后,一小部分非线性晶体发生二次谐波,产生的频谱被测量为引入色散的函数,从而实现对脉冲的在线监测。

图3.顶部(左):测量和(右):使用差动泵送的中空纤维(250微米直径1m长)的压缩脉冲的拟合D扫描数据在出口端与氖气的出口端加压到3巴。输入激光脉冲能量为1.5MJ(1KHz脉冲重复率1.5W),输出脉冲能量为0.77MJ。底部(左):脉冲频谱和检索的光谱相;(右)输出脉冲在时域,傅里叶变换有限脉冲和检索脉冲,透露持续时间为5.1 fs fwhm。

通过测量非线性信号的频谱不同的输入阶段(玻璃插入)的最大压缩,一个二维跟踪(图3 d扫描跟踪——“测量”),使获得的全部检索光谱相位的脉冲通过迭代算法(图3“检索”)。在操作中,d-扫描单元自动扫描最佳压缩值附近的玻璃楔形色散,即可获得的最短脉冲宽度。内部算法然后处理SHG谱,得出完整的相位/强度/波长/时间数据集。

初步数据讨论

在使用该装置的第一套实验中,研究人员展示了在使用1.5 mJ的输入脉冲能量时,HFC输出能量为0.7 mJ的sub-6-fs脉冲。他们发现这种输出功率受到氖气体电离的限制。使用氦作为非线性介质可以获得更高的输出功率,它具有更大的电离势,但也具有更低的非线性指数,即较低的SPM效率。利用氦的3.4 bar(在HFC出口)作为非线性介质,他们获得了6 fs脉冲,HFC输出能量为2 mJ,输入脉冲能量为5 mJ。Tisch指出,通过使用更大直径的HFC,未来可能会有更大的输出能量,这可以在不增加光纤内部强度的情况下增加传输能量的数量。

图3显示了填充氖的HFC设置的一些典型数据,总体脉冲参数总结在附表中。图中为实测的d扫描数据和通过d扫描蓝系统专有迭代算法获得的“检索”的d扫描迹线。这些特定的数据显示了一些残余三阶色散(TOD)的影响,在40-60 fs的范围2与理想(傅里叶限制)压缩相比,d扫描轨迹的较小倾斜可以证明这一点,相对峰值功率为76%。研究人员希望在下一组实验中,通过优化HFC参数和小心的色散管理(例如使用水电池),获得更低的TOD、更短的脉冲宽度和更高的峰值功率。d-扫描系统的易用性使得研究人员能够在监测输出脉冲的同时快速扫描HFC系统的参数空间(例如改变气体压力和输入脉冲能量)。这为优化此类HFC系统的性能提供了一个简单的方法。

桌子。图3所示的数据集脉冲分析概述。相对峰值功率是压缩脉冲的峰值功率与理想的傅里叶变换有限脉冲相比。

根据TISCH教授的说法,“大多数空心纤维用户都将大约1 MJ注入纤维。如果没有采用差动泵送,则这是典型的能量限制,即,如果中空纤维填充有均匀的气体压力。只有少数群体经营HFC,明显高于2 MJ,并且那些依赖于差动泵送的HFC。我认为这也很重要的是要注意,在这个广告系列中,我们可以将5 MJ耦合到一个标准纤维,而没有任何特殊的光纤输入适应(某些其他组使用),具有合理的效率,而不会损坏中空纤维。

本文作者为Daniel J. Walke博士和John W. G. Tisch教授,帝国学院布莱克特实验室(伦敦,英国);约瑟夫·海因里希博士(圣克拉拉,加州);以及Rosa Romero博士和Paulo T. Guerreiro博士,Sphere Ultrafast Photonics SA(波尔图,葡萄牙)

确认

walker博士和Tisch教授感谢HEIF 2017/18联合概念证明基金的支持。

Sphere Ultrafast Photonics确认来自PT2020的支持(项目04/SI/2016 - QI PME批准号。020751)


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首次发表于2018年11月号光子与成像技术杂志。

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