Grenzen bei intensiven kurzen Laserpulsen: Annähern des Single Cycle mit Multi-Pass-Zellpulskompression  

Multi-Pass-Zelle (MPC)

Multipass-Zellen (MPCs) entwickeln sich zu einer bahnbrechenden Technologie für die Nachkompression ultrakurzer Laser und ihre Spitzenleistung für Anwendungen. MPCs werden für ihre hohen Komprimierungsverhältnisse, ihren Energiedurchsatz, ihre kompakte Stellfläche, ihre geringere Komplexität und ihre hervorragenden räumlich-zeitlichen Pulseigenschaften geschätzt. Heute werden MPCs häufig eingesetzt, um die Dauer von Ytterbium (Yb)-basierten Laser auf einige zehn Femtosekunden (fs) zu reduzieren.  Im Gegensatz dazu sind MPC-Kompressionsexperimente mit kurzpulsigen Titan-Saphir-Lasern (Ti:Saphir) nur wenige und weit dazwischen, obwohl sie ideale Kandidaten für eine weitere Kompression im Einzyklusbereich sind. Die zu niedrigen Pulsenergien, die in diesen Experimenten verwendet wurden, bedeuteten, dass die nachkomprimierte Dauer durch Dispersion und Pulsaufbruch auf 2–3 optische Zyklen begrenzt wurde. Das Forscherteam gelang es, diese Einschränkungen zu überwinden, indem es die hochenergetischen Pulse des Astrella USP nutzte, um eine Zyklusdauer von unter 1,5 zu erreichen und gleichzeitig eine hervorragende Pulsqualität und Wettbewerbseffizienz aufrechtzuerhalten. 

Experimentelle Einrichtung

Der in Abbildung 1 dargestellte Versuchsaufbau umfasste das Astrella USP-Lasersystem, den MPC, der von LOA entwickelt und in einer Vakuumkammer untergebracht wurde, Optiken, einen gechirpten Spiegelkompressor und ein TIPTOE-Messgerät von SourceLAB zur gleichzeitigen Optimierung und Messung der nachkomprimierten Pulse.  

Abbildung 1. Oben: MPC-Nachkompressionsaufbau für den Astrella USP Titan-Saphir-Laser. Q AP = Viertelwellenplatte. Unten: Spektrale und zeitliche Eigenschaften der postkomprimierten Pulszyklen unter 1,5, gemessen mit TIPTOE (unten). 

Die MPC-Konfiguration wurde mit einem hauseigenen numerischen MPC-Designerwerkzeug optimiert, um die nichtlineare Pulsausbreitung sowohl im Raum als auch in der Zeit zu simulieren. Ziel war es, die spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation (SPM) zu maximieren und gleichzeitig Pulsverzerrungen und optische Schäden an den breitbandigen MPC-Endspiegeln zu vermeiden.

• Konfiguration: Der MPC wurde mit einer Stellfläche von etwa 3 Metern Länge entwickelt und verfügt über einen stabilen Eigenmode mit einem Strahldurchmesser von 4,3 mm auf den Endspiegeln des Krümmungsradius von 1,5 m (ROC).
• Strahlanpassung: Ein Paar einstellbarer Kugelspiegel wird verwendet, um den Laser an den MPC anzupassen und gleichzeitig die leichte Selbstfokussierung des Hochleistungsstrahls vor der Injektion in den MPC anzupassen.
• Gasmedium: Helium wurde aufgrund seines hohen Ionisationspotentials und seiner geringen Dispersion als nichtlineares Medium ausgewählt, um eine hohe spektrale Verbreiterung bei hohen Intensitäten mit minimalen Ionisationseffekten zu erreichen.
• Polarisation: Es wurde eine kreisförmige Polarisation eingesetzt, um die Ionisationseffekte während des spektralen Verbreiterungsprozesses sowie alle Nichtlinearitäten, die in der Luft vor der Injektion auftreten, weiter zu mindern.
• Spiegelbeschichtungen: Es wurden verbesserte Silberspiegelbeschichtungen verwendet, um die Bandbreite der spektral verbreiterten Pulse im nahen Oktav zu berücksichtigen. 

„Unser umfassendes numerisches MPC-Designerwerkzeug hat uns dabei geholfen, die richtigen experimentellen Parameter zu finden, die erforderlich sind, um die höchstmögliche spektrale Verbreiterung zu erreichen, während wir eine gute Pulskomprimierbarkeit beibehalten und die Zerstörschwelle der MPC-Optiken unterschritten haben. „- Dr. Louis Daniault, Hauptprüfer der Studie.

Ergebnisse und Diskussion

Spektraler Verbreiterungs- und Komprimierungsfaktor: Durch die Anpassung des Gasdrucks und der Anzahl der Durchgänge im MPC fand das Team das richtige Gleichgewicht zwischen spektraler Verbreiterung, Dispersion und räumlich-zeitlicher Pulsverzerrung. Der MPC wurde für 28 Durchgänge konfiguriert, was die beste Qualität des Ausgangspulses liefert und gleichzeitig die Verluste minimiert. 

Abbildung 2: Evolution der gemessenen spektralen RMS-Bandbreite (blau) und Fourier-transform-limitierte (FTL) Pulsdauer (rot) im Vergleich zum Heliumgasdruck innerhalb des MPC.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, erweitert sich das Ausgangsspektrum aufgrund der Dispersion nahezu linear mit zunehmendem Gasdruck vor der Sättigung und erreicht ein Optimum von etwa 1800 mbar. Darüber hinaus führt eine weitere Drucksteigerung zu Pulsverzerrungen und einer schlechten zeitlichen Komprimierbarkeit. Dies unterstreicht die Bedeutung einer feinen Optimierung des MPC-Designs, um den höchsten Druckfaktor zu erreichen, ohne die Pulsqualität zu beeinträchtigen.

Zeitliche Kompression und Charakterisierung: Für eine effektive Pulsenergie von 6,7 mJ (unter Berücksichtigung von Übertragungsverlusten vor der Injektion) betrug die direkt aus dem MPC gemessene Ausgangsenergie 4,6 mJ, was zu einer Durchsatzeffizienz von etwa 69 % führt, was mit dem Spiegelreflexivitätsvermögen und der Anzahl der Durchgänge übereinstimmt. Um die Ausbreitung der Pulse mit hoher Spitzenleistung in der Luft nach dem MPC zu vermeiden, wurde ein Teil der Pulse durch Reflexion von einem dünnen Glaskeil abgetastet und außerhalb der Vakuumkammer gesendet, um zeitlich komprimiert und charakterisiert zu werden.

Die Komprimierung der abgefragten Pulse auf ihre kürzeste Dauer wurde mit einem Satz von acht Paaren von zweiwinkeligen Breitband-chirpten Spiegeln erreicht, was eine Gesamtgruppenverzögerungsdispersion von-640 fs2 und ein Keilpaar für die Feinabstimmung der Restdispersion bietet. Präzise zeitliche Charakterisierung wurde mit einem TIPTOE-Gerät (Tunneling Ionization with a Perturbation for the Time-Domain observation of a Electric field) durchgeführt, das von SourceLAB entwickelt wurde, einem fortschrittlichen Diagnosewerkzeug, das die direkte Messung des elektrischen Feldes ultrakurzer Laser mit hoher zeitlicher Auflösung ermöglicht und entscheidend für die Überprüfung der Dauer und Qualität des komprimierten Impulses ist.

Komprimierte Pulsqualität: TIPTOE-Messungen ergaben eine Pulsdauer von 3,8 fs, sehr nahe am Fourier-Transform-Grenzwert von 3,6 fs, und das temporäre Strehl-Verhältnis wurde mit etwa 80 % gemessen, was darauf hindeutet, dass die hervorragende Pulskomprimierbarkeit aus der MPC herausragt. Obwohl die komprimierten Pulse bei niedriger Energie waren, beließen sie ein hervorragendes räumliches Profil mit nahezu Gaußscher Verteilung und hervorragender Spatio-Spektralstrahlhomogenität (gemessen mit einem Bildgebungsspektrometer), was auf ein gutes Potenzial für das Erreichen hoher fokussierter Intensitäten hindeutet.

Spitzenleistungssteigerung: Die zusätzlichen Energieverluste, die die abgetasteten Pulse erfahren, führen zu einer Gesamtkompressionseffizienz von 60 %. Eine erfolgreiche Kompression bei voller Energie, die unter Vakuum implementiert werden muss, um die Strahlqualität zu erhalten, würde daher zu einem erheblichen Anstieg der Laser führen:

• Astrella USP Spitzenleistung: etwa 0,2 TW vor der Kompression.
• Komprimierte Spitzenleistung: Nahezu 1 TW, was eine fünffache Steigerung darstellt.

Vermarktungsaussichten

Die Bedeutung dieser Errungenschaft geht über das Labor hinaus und bietet für Industrie- und Forschungseinrichtungen, die Laser Hochenergielasersysteme einsetzen, erhebliche Vorteile. Die erfolgreiche Demonstration einer effizienten MPC-Kompression von hochenergetischen Titan-Saphir-Laser öffnet die Tür für die Kommerzialisierung, insbesondere für Benutzer von Astrella-Laser weltweit.

„Basierend auf diesem bahnbrechenden Fortschritt hat sich unser Unternehmen entschieden, die MPC-Architektur, die am LOA entwickelt wurde, zu kommerzialisieren. Wir sind bestrebt, Astrella-Anwendern weltweit Zugang zu dieser hochmodernen Technologie zu bieten, die es ihnen ermöglicht, ultrakurze Pulsdauern mit hohen Spitzenleistungen zu erreichen.“- Dr. Franfacois Sylla, CEO von SourceLAB.

Schlussfolgerung

Die Studie demonstrierte erfolgreich die Skalierung der MPC-Nachkompression von Ti:Saphir-Laser mit Energien bis zu 7 mJ und erreichte eine rekordbrechende endgültige Pulsdauer von 3,8 fs (optischer Zyklus unter 1,5) bei 1 kHz Wiederholrate. Zu den wichtigsten Leistungen gehören:

• Hohe Komprimierungseffizienz: Eine Gesamtkompressionseffizienz von 60 %, mit einer potenziellen fünffachen Erhöhung der Laser.
• Hervorragende Strahlqualität: Die Wahrung der räumlichen und zeitlichen Strahlqualität, die für Anwendungen mit hoher fokussierter Intensität entscheidend ist.
• Skalierbarkeit: Demonstration der MPC-Skalierbarkeit auf höhere Energien und kürzere Pulsdauern mit hoher räumlich-zeitlicher Pulstreue. „Die MPC-Kompression kommerzieller Hochleistungslaser wird schnell zu realen Anwendungen von sekundären Hochflusspartikeln und Strahlungsstrahlen führen, die aus intensiven Laser-Plasen-Wechselwirkungen entstehen.“, Dr. Rodrigo Lopez-Martens, LOA-Teamleiter.

Auswirkungen auf die zukünftige Forschung: Die Fähigkeit, hochenergetische Impulse mit wenigen Zyklen effizient und zuverlässig zu erzeugen, hat erhebliche Auswirkungen:

• Festfeldphysik: Ermöglicht die Untersuchung neuartiger nichtlinearer Phänomene mit hochenergetischen isolierten Attosekundenpulsen.
• Laser- Plasma-Wechselwirkungen: Erleichtert die Lasergesteuerte Partikelbeschleunigung mit hoher Wiederholrate, was sich potenziell auf medizinische Behandlungen und die Materialwissenschaften auswirkt.
• Spektroskopie und Bildgebung: Verbessert die zeitliche Auflösung bei Ultrafast Spektroskopie und Bildgebungsverfahren und ermöglicht die Beobachtung schneller Prozesse in der Chemie und Biologie.

Technische Innovationen: Der Erfolg dieser Arbeit beruht auf zwei wichtigen Innovationen:

• Optimiertes MPC-Design: Der Einsatz fortschrittlicher numerischer MPC-Designwerkzeuge zur Optimierung der spektralen Verbreiterung und Pulskomprimierbarkeit bei minimalen Verlusten.
• Fortschrittliche Pulscharakterisierung: Einsatz des TIPTOE-Geräts von SourceLAB für eine genaue temporäre Pulscharakterisierung.

Bestätigungen

Die Forscher bestätigen die Unterstützung von Coherent Inc., die diesen Durchbruch ermöglichte. Die Synergie zwischen numerischer Simulationsleistung, experimentellem Fachwissen und fortschrittlichen Diagnosewerkzeugen war entscheidend für diese Ergebnisse. 

Referenzen

• MPC-Nachkompression von Astrella USP: Sub-2-cycle-Nachkompression von Multi-mJ-Energie-Ti:Saphir-Laser in einer gasgefüllten Multi-Pass- Zelle, Louis Daniault, Jaismeen Kaur, Geoffrey Gal , Cédric Sire, Franfacois Sylla und Rodrigo Lopez-Martens, Optics Letters 49(23), 6833-6836 (2024
• TIPTOE-Messtechnik: Direkte Abtastung einer Lichtwelle in der Luft, Seung Beom Park, Kyungseung Kim, Wosik Cho, Sung In Hwang, Igor Ivanov, Chang Hee Nam und Kyung Taec Kim, Optica 5(4), S. 402–408 (2018)
  
  Autoren: Louis Daniault, Jaismeen Kaur, Geoffrey Galle, Cedric Sire, Franucois Sylla und Rodrigo Lopez Martens