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      Fastlite公司高功率中紅外OPCPA系統Starzz簡介

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      近幾年來,由于高次諧波(HHG)和阿秒科學的廣大應用前景,極大地促進了高平均功率、短脈寬、中紅外波長激光系統的發展。一方面,由于較長波長的激光驅動脈沖有更高的有質動力勢,可以驅動產生更高能量的光子,因此利用較長波長的紅外乃至中紅外超短超強激光脈沖與物質相互作用,可以拓展產生高次諧波(HHG)的截止頻率,產生更高能量和更短波長的紫外乃至X射線波段光子【1】,在水窗波段X射線激光乃至更短波長激光等前沿研究領域具有重要意義。另一方面,由于激光驅動脈沖波長的增加,導致渡越時間的增加,由于電子波包的量子散射機制而降低高次諧波的產生效率,因此大約1-5微米的中紅外高功率超短脈沖激光被認為是與物質相互作用,產生寬帶高能X波段高次諧波的理想光源,也是進一步獲得單個紫外和軟X射線波段阿秒脈沖激光光源的理想驅動源,在阿秒物理研究和產生“水窗” 波段X 射線相干輻射等前沿應用研究中具有重要意義。


      所謂Red,是指相對短波的部分,可以輸出平均功率20W,中心波長范圍在1.4-1.75um可調諧,CEP穩定且100kHz高重頻的近紅外脈沖。

      所謂Black,是指相對長波的部分,可以輸出平均功率15W,中心波長范圍在2.5-4.0um可調諧,CEP穩定且100kHz高重頻的中紅外脈沖【2】。

      該激光系統具有以下突出優點:

      工業級Yb激光作為泵浦源和種子源。不同于鈦寶石激光器,工業級半導體泵浦的Yb激光具有高重頻和高穩定性的特點,尤其適用于OPCPA的泵浦源。

      被動光同步。該OPCPA的種子脈沖先由泵浦脈沖在固體介質中產生的紅外超連續譜(SC),然后與泵浦光發生差頻過程(DFG)產生(2.5-4.0um). 所以,其信號光和泵浦光是同源的,可以消除信號光和泵浦光的同步抖動,且得到CEP穩定的閑置光。

      結構穩定。該OPCPA裝置的信號脈沖產生,放大和壓縮等部分,均使用塊狀固體材料,該裝置及其輸出能量和光譜都很穩定。

      色散精確控制。該OPCPA裝置的前端使用了一臺超高速100kHz可編程聲光調制器(LN-AOPDF),可以調控SC的光譜相位,在整個OPCPA系統中獲得最佳的色散控制和補償,得到最好的壓縮脈寬。

      CEP精確控制。該OPCPA裝置中,上述LN-AOPDF可以結合CEP測量裝置組成CEP反饋穩定系統(DAZZLER--Fringeezz),實現CEP長時間的主動穩定(65 mrad rms @8h)。到目前為止,該CEP穩定性在同類產品中仍保持著世界第一水平。


      下面我們對該激光系統進行詳細介紹:

      Red & Black Starzz基本原理基于A. Dubeitis等人于1992年提出光學參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術【3】,如下圖1所示。超短脈沖(fs)先經過展寬器將其脈沖在時間上展寬到皮秒(ps)或納秒(ns)量級,然后基于光參量放大技術(OPA)將展寬后的脈沖能量放大,最后再用壓縮器將展寬脈沖壓縮回超短脈沖(fs)。這樣可以避免在放大脈沖過程中非線性晶體,光學鏡片等光學元件損傷。

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      圖1. OPCPA基本原理框圖



      圖2和圖3分別是Red & Black Starzz的系統結構框圖和光路圖。Red & Black Starzz系統主要由4部分構成:外置泵浦源(Dira-200, 200W, 100kHz, 1030nm),OPCPA前端放大器(4W, “front-end”)【4】,OPCPA主放大器(15W, “booster”)【2】和脈沖綜合診斷系統。


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        圖2. Starzz系統結構示意圖

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      圖3. Starzz系統光路圖


      泵浦源:任一脈寬<2ps的高重頻Yb放大器,代表產品為Trumpf的Dira系列和Amplitude的Tangerine系列。這里以Dira-200為例,其輸出平均功率200W@100kHz,中心波長1030nm (Dira-200, TRUMPF Scientific Lasers) ,脈沖半高寬1.1ps;

      種子源:為了獲得精確的時間同步和消除延時抖動,這里使用紅外超連續譜產生技術,用接近1W的泵浦光聚焦在YAG晶體上,得到1.3-1.9um的寬帶且穩定的超連續譜(SC);

      LN-AOPDF: 色散和CEP控制的核心元件??梢钥刂芐C的相位,使信號光和泵浦光的脈沖寬度完美匹配;可以選擇SC的帶寬和波形;可以預補償后期光學元件引入的高階色散;可以與2f-to-f干涉儀及Fringeezz組成主動CEP控制和穩定系統等;

      DFG:(MgO:PPLN, 準相位匹配)。產生可調諧的寬帶中紅外光2.5-4.0um;并實現其被動CEP穩定(“self-seeded DFG”);

      OPA2&3: 前端放大器,4W@3.2um,100kHz;

      OPA4:主放大器,16.5W@3.2um,100kHz;

      壓縮器:在20mm硅板中進行色散補償,得到15.2W,38.2fs@3.2um,100kHz;

      環境:整個OPCPA系統內部充干燥空氣或氮氣,防止中紅外波段水蒸氣和CO2對紅外特定光譜的吸收;

      由于整個OPCPA過程,所有的色散控制元件均使用塊狀固體材料。所以,該OPCPA系統極其穩定。如,連續運行8小時,其能量穩定性為0.6% RMS(1s)。


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      圖4. CEP鎖定的Starzz


      另外,通過2f-to-f方法配合一臺快速條紋探測器(Fringeezz, Fastlite)測量輸出脈沖的CEP,與LN-AOPDF (Dazzler)構成閉合回路,可以實現CEP主動控制穩定(@10kHz)。如圖4, 5. 沒有進行CEP主動控制時,其CEP穩定性為344 mrad RMS;CEP主動控制時,其CEP穩定性為76 mrad RMS;且超過8小時沒有產生CEP漂移。到目前為止,該記錄依然沒有被其它同種類型的放大系統打破。

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      圖5. CEP被動穩定性(without feedback loop)和CEP主動控制穩定性(with feedback loop)


      總結:Starzz系列產品,以其高重頻100kHz,長波長3.2um且可調諧,高功率15W,短脈寬4-cycle,長時間的功率/能量穩定性,卓越的CEP穩定性且無漂移,輸出光斑聚焦峰值強度為〖10〗^15  W?〖cm〗^2 (聚焦光斑20um,FWHM),可以廣泛應用在HHG,XUV光譜和成像,阿秒科學等領域。目前已經成功應用于歐洲ELI-ALPS阿秒科學系統,英國盧瑟福國家實驗室,德國MBI,加拿大NRC-Corkum組,日本加速器和同步輻射系統Spring-8等系統中,且得到了業界人士的一致好評。 

      Red & Black Starzz的輸出指標總結如下【5】:

      圖20.jpg

      參考資料:

      【1】T.Popmintchev, et.al. “Bright coherent ultrahigh harmonics in the keV x-ray regime from mid-infrared femtosecond lasers,” Science 336(6086), 1287-1291 (2012).

      【2】N. Thiré, et.al "Highly stable, 15 W, few-cycle, 65 mrad CEP-noise mid-IR OPCPA for statistical physics," Opt. Express 26, 26907-26915 (2018).

      【3】A. Dubietis, G. Jonu?auskas, A. Piskarskas, “Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crystal, ” Optics Communications, Volume 88, Issues 4–6, 1992,

      【4】N. Thiré, et.al "4-W, 100-kHz, few-cycle mid-infrared source with sub-100-mrad carrier-envelope phase noise," Opt. Express 25, 1505-1514 (2017).

      【5】http://www.fastlite.com/en/ar824685-823533-Starzz.html



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