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Klingebiel, Sandro (2013): Picosecond pump dispersion management and jitter stabilization in a petawatt-scale few-cycle OPCPA system. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

The petawatt field synthesizer (PFS) is a high-power optical parametric chirped-pulse amplification (OPCPA) system under development, which aims at generating fewcycle pulses with high energies of several Joule. The availability of light pulses with these unique parameters will enable an efficient generation of even shorter attosecond pulses with significantly higher photon flux than achievable today [1]. Not only the real-time observation, but also the control of charge transfer in molecular systems will become feasible for the first time [2]. The technique for realizing the ambitious PFS specifications is short-pulse pumped OPCPA in mm-thin crystals. The reduced crystal thickness allows for ultra-broadband amplification. The pump-pulse duration is reduced to a picosecond—compared to 100 ps to nanosecond pump-pulse duration in conventional high power OPCPA systems. The shortened pulse duration facilitates higher pump intensities whereby an efficient amplification in the mm-thin crystals is achieved. The demonstration of this novel scheme in the PFS project will allow its use in the extreme light infrastructure (ELI)[3]—a pan-European high-power laser project. Based on the PFS technology for the front end, the ELI will generate exawatt peakpower pulses and therefore facilitate the study of laser-matter interaction in an unprecedented intensity range [4]. This work describes the CPA-aspects of a suitable chirped pulse amplification (CPA) pump laser for the PFS OPCPA system. The diode-pumped Yb:YAG amplifiers up to an energy of 300 mJ (at 1030 nm) are presented in combination with the dispersion management. The application of spectral-amplitude shaping in conjunction with an Yb:glass amplifier with broader bandwidth than Yb:YAG enables an unprecedented bandwidth of 3.5nm in the Yb:YAG amplifier at this energy level. Simulations show that a similar bandwidth can be maintained for the full amplifier system. The pulses with 200 mJ could be compressed to 900 fs, close to the transform limit. Later changes in the stretcher increase the bandwidth more and compression down to 740 fs is demonstrated. To date, these are the highest peak power pulses generated in Yb:YAG. For the application as OPCPA pump, the so generated pulses are frequency doubled in a DKDP crystal. Another key aspect of this work is the synchronization of the OPCPA pump and signal pulses. In spite of optical synchronization of both pulses, a large timing fluctuation between these pulses is measured at the first OPCPA stage. The high accuracy jitter measurement setup and a series of measurements, which showed that the stretcher/compressor setup is the main source of jitter, are presented. Theoretical investigations yield that the optical delay in a compressor is orders of magnitude more sensitive to angle changes compared to free space propagation. This makes the stretcher and compressor extremely sensitive for timing jitter caused by turbulent air or mechanical instabilities. This novel insight helped us to significantly reduce the jitter to 100 fs and to demonstrate the feasibility of the PFS concept with first broad-band OPCPA experiments.

Abstract

Das PFS OPCPA System befindet sich zurzeit im Aufbau und zielt darauf ab, ultrakurze Lichtpulse mit wenigen optischen Zyklen und einigen Joule Pulsenergie zu erzeugen. Wenn Lichtpulse mit diesen einzigartigen Parametern verfügbar werden, können kürzere Attosekundenpulse mit höherer Effizienz und deutlich höherem Photonenfluss als bisher generiert werden [1]. Die Anwendung der so erzeugten Attosekundenpulse könnte erstmalig die Beobachtung in Echtzeit und die Kontrolle von Ladungsübergängen in Molekularen Systemen ermöglichen [2]. Die Technik, um die PFS Spezifikationen zu erreichen ist OPCPA mit mm dünnen Kristallen, gepumpt mit kurzen Pulsen. Die reduzierte Kristalldicke ermöglicht ultra-breitbandige Verstärkung. Die Pumppulsdauer ist dabei auf eine Pikosekunde reduziert, im Vergleich zu 100 ps bis Nanosekunden Pulsdauer in konventionellen Hochleistungs-OPCPA Systemen. Dies ermöglicht höhere Pumpintensitäten, wodurch eine effiziente Verstärkung in den kurzen Kristallen gewährleistet wird. Die Demonstration dieses neuartigen Verstärkungsschemas innerhalb des PFS Projektes erlaubt dessen Nutzung in ELI[3]—einem gesamt-europäische Laser Projekt. Basierend auf der PFS-Technologie für das Frontend wird ELI Lichtpulse mit Exawatt Spitzenleistung generieren, wodurch Laser-Materie-Wechselwirkung in einem bis dahin unerreichten Intensitätsbereich untersucht werden kann [4]. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines geeigneten CPA Pumplasers für das PFS OPCPA-System. Die diodengepumpten YB:YAG Verstärker bis zu einer Energie von 300 mJ (bei 1030 nm) werden in Kombination mit dem Dispersionsmanagement präsentiert. Die Anwendung von spektralem Amplitudenformen in Verbindung mit einem breitbandigen Verstärker ermöglicht eine bis dahin unerreichte Bandbreite von 3.5nm in Yb:YAG bei diesem Energieniveau. Simulationen zeigen, dass ähnliche Bandbreiten für das vollständige Verstärkersystem erreicht werden können. Die Pulse mit 200 mJ wurden auf 900 fs (nah am Transformlimit) komprimiert. Spätere Veränderungen im Strecker führen zu einer vergrößerten Bandbreite, wodurch eine Kompression auf 740 fs ermöglicht wurde. Aktuell ist dies die höchste Pulsspitzenleistung, die je in Yb:YAG generiert wurde. Für die Anwendung als OPCPA Pumpe werden die so generierten Pulse in einem DKDP Kristall frequenzverdoppelt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Synchronisation der OPCPA Pumpund Signalpulse. Trotz optischer Synchronisation beider Pulse wurde eine große zeitliche Schwankung zwischen diesen Pulsen am Ort der ersten OPCPA Stufe gemessen. Der Messaufbau wird vorgestellt und eine Reihe von Messungen zeigt, dass der Strecker/Kompressor des Pumplasers die Hauptursache der zeitlichen Schwankungen von einigen hundert Femtosekunden ist. Theoretische Untersuchungen ergeben, dass der Strecker und Kompressor extrem sensitiv sind für zeitliche Schwankungen, die durch Turbulenzen in Luft oder durch instabile mechanische Komponenten hervorgerufen werden können. Diese neue Einsicht hat geholfen, diese Schwankungen auf 100 fs zu reduzieren und die Machbarkeit des PFS Konzeptes mit ersten breitbandigen OPCPA Experimenten zu demonstrieren.