Pressemitteilung | MBI | 06-07-2020

Höchste Spitzenleistung und exzellente Stabilität - Rekordparameter für verstärkte ultrakurze Lichtimpulse bei 2 µm Wellenlänge und Kilohertz-Folgefrequenzen

Leistungsskalierbare Ultrakurzpuls-Laserquellen im mittleren Infrarot (MWIR) sind ein unverzichtbares Werkzeug für die Grundlagenforschung und Anwendungen in Materialbearbeitung und Lasermedizin.

Langzeitstabilität des Ho:YLF Verstärkersystems bei 1 kHz Folgefrequenz. Die mittlere Impulsenergie Emean=52.5 mJ wurde über einen Zeitraum von 120 min gemessen. Ihre Standardabweichung beträgt σrms=0.23%, die Energieschwankungen von Impuls zu Impuls ΔEp-to-p=2.1%. Kleines Bild links: Strahlprofil (Intensitätsverteilung im Fernfeld). Kleines Bild rechts: Autokorrelationsfunktion der rekomprimierten 52.5 mJ Impulse, gemessen und simuliert. | Abb. MBI

Zur Erzeugung von Impulsen hoher Leistung werden optische Verstärker eingesetzt, die auf der Chirped Pulse Amplification (CPA) beruhen, einem im Jahr 2018 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichneten Verfahren. Dabei werden intensitätsschwache Impulse zunächst zeitlich gestreckt, in einem Verstärker auf hohe Leistungen verstärkt und schließlich zeitlich wieder komprimiert. Unter Ausnutzung dieses Konzepts wurde jetzt vom Max-Born-Institut ein System vorgestellt, das Infrarotimpulse bei 2 µm Wellenlänge mit einer Spitzenleistung größer 10 GW (10 Milliarden Watt) und einer Repetitionsrate von 1 kHz unter Aufrechterhaltung exzellenter Strahlqualität und hervorragender Impulsstabilität erzeugt. Die Dauer der rekomprimierten Impulse beträgt 2.4 ps.

Wie in der neuesten Ausgabe von Optics Letters berichtet (Optics Letters 45, 3836 (2020)) werden als optisches Verstärkungsmedium Holmium-dotierte YLF-Kristalle eingesetzt. Das System besteht aus einem hochstabilen regenerativen Verstärker und zwei Nachverstärkern, die bei Raumtemperatur betrieben und von kontinuierlichen Tm:Faserlasern mit einer Gesamtleistung von 270 W gepumpt werden. Als Eingangssignal dienen Femtosekundenimpulse aus einer bei 2 µm emittierenden Quelle. Diese werden zeitlich gestreckt und vorverstärkt bevor sie die Ho:YLF-Verstärkerkette speisen.

Die Energie der verstärkten rekomprimierten Impulse beträgt 52,5 mJ mit einer exzellenten Stabilität von <0,23% rms. Die Langzeitstabilitätsmessung ist zusammen mit dem Strahlprofil der Impulse in Abb. 1 gezeigt, der Strahlparameter M2 hat einen Wert von 1,2. Das Impulsspektrum ist bei einer Wellenlänge von 2,05 µm zentriert, seine Bandbreite beträgt 3,5 nm (FWHM). Dies erlaubt eine Fourier-limitierte minimale Impulsdauer von ~1,7 ps. Die Kompression der Impulse erfolgt in einer Treacy-Gitteranordnung mit einem Wirkungsgrad von >93%. Die gemessene Autokorrelation der Impulse (ACF) besitzt eine FWHM von 4,1 ps. Die Analyse der Autokorrelationsmessung liefert eine Impulsdauer von 2,4 ps (FWHM), worin sich 85% der Energie befinden. Daraus ergibt sich eine Impulsspitzenleistung von 17 GW. Diese Leistung und die Impulsenergie von mehr als 50 mJ sind die höchsten jemals mit Pikosekunden-Impulsen bei 2 µm Wellenlänge erreichten Werte.

Das Verstärkersystem wird ggw. erfolgreich als Pumpquelle in einem System zur Erzeugung von Impulsen mit wenigen Zyklen und multi-Millijoule-Energie im Wellenlängenbereich um 5 µm eingesetzt. Anwendungen  in der nichtlinearen Optik, Spektroskopie und Materialcharakterisierung sind Gegenstand laufender Forschung.

Publikation

L. von Grafenstein, M. Bock, D. Ueberschaer, A. Koc, U. Griebner, T. Elsaesser
2.05 µm chirped pulse amplification system at a 1 kHz repetition rate - 2.4 ps pulses with 17 GW peak power,
Opt. Lett. 45, 3836-3839 (2020)

Kontakt

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V. 
Max-Born-Straße 2 A, 12489 Berlin

Dr. Uwe Griebner
E-Mail uwe.griebner@mbi-berlin.de
Dr. Lorenz von Grafenstein
E-Mail lorenz.von.grafenstein@mbi-berlin.de