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Generation of energetic femtosecond pulses at high average power
Generation of energetic femtosecond pulses at high average power
The development of more powerful and more energetic femtosecond laser systems builds the foundation for an even wider application of lasers. Powerful attosecond sources for sensitive experiments and compact high brilliance X-ray sources are only two examples of a vast field of possibilities that can be made accessible. The envisioned lasers with kilowatt scale average powers, hundreds of millijoule of pulse energy and pulse durations down to the few-cycle regime require significant technological advances that are partially introduced in this thesis. The amplification of laser pulses to an energy of 200 mJ with a repetition rate of 5 kHz, a duration of about 1 ps and an average power of 1 kW is demonstrated for the first time using a thin-disk regenerative amplifier. The excellent thermal properties of the thin-disk scheme in combination with a thorough investigation of the amplifier properties and a careful optimization of the design provides a highly stable laser output with an excellent virtually diffraction limited beam quality. This amplifier can be used as nearly ideal pump source for an OPA chain, which is predicted to facilitate few-cycle pulses with energies up to 20 mJ and a multi-kilohertz repetition rate. In a second part an alternative approach to obtain a femtosecond scale pulse duration from the presented amplifier is studied. In one of the first implementations of a multipass nonlinear broadening stage, pulses of about 18 mJ are spectrally broadened with a repetition rate of 5 kHz, and compressibility down to 41 fs is demonstrated. Further pulse energy scaling to 40 mJ and 75 mJ is shown. To the best of the authors knowledge these energies represent the highest energies at which a pulse was spectrally broadened in the multi-kilohertz regime. The proposed approach features unprecedented throughputs over 95% and excellent average power scalability. In contrast to the OPA scheme most of the input pulse energy is transferred into the femtosecond scale pulse and hence less complex source lasers are necessary for a given output pulse energy. The record-breaking results of this thesis constitute an important step for next generation femtosecond laser sources. A simulated extension of the system allows for the generation of a pulse energy of 100 mJ, a pulse duration of tens of femtosecond and a repetition rate of 5 kHz close to the envisioned parameters., Die Entwicklung leistungsfähigerer Femtosekundenlaser mit höherer Pulsenergie und Durchschnittsleistung ermöglicht eine immer weitreichendere Anwendung von Lasersystemen. Die Erzeugung von leistungsstarken Attosekundenpulsen für empfindliche Messreihen und kompakte Röntgenquellen mit hoher Brillanz sind nur zwei denkbare Anwendungen von vielen. Die erhofften Lasersysteme mit Durchschnittsleistungen im Kilowatt Bereich, hunderten von Millijoule Pulsenergie und Pulsdauern von wenigen Femtosekunden basieren auf einer signifikanten Weiterentwicklung bestehender Technologie, die zum Teil Gegenstand dieser Arbeit ist. Mittels eines regenerativen Dünnscheibenverstärkers konnte zum ersten mal die Verstärkung von Laserpulsen bis zu einer Energie von 200 mJ bei einer Wiederholrate von 5 kHz, einer Dauer von circa 1 ps und einer Durchschnittsleistung von 1 kW gezeigt werden. Die ausgezeichneten thermischen Eigenschaften des Dünnscheibenkonzepts in Verbindung mit einer tiefgreifenden Untersuchung der Verstärkereigenschaften und einer sorgfältigen Optimierung des Aufbaus ermöglichen einen hochstabilen Laser mit einem annähernd beugungslimitierten Ausgangsstrahl. Der Verstärker kann als ideale Pumpquelle für einen optischen parametrischen Verstärker (OPV) genutzt werden, der dann die Erzeugung von Pulsen mit einer Energie bis zu 20 mJ und einer Dauer von wenigen Femtosekunden bei einer Wiederholrate von mehreren Kilohertz ermöglichen könnte. Ein alternativer Ansatz zur Erzeugung von Femtosekundenpulsen aufbauend auf dem vorgestellen Lasersystem wird ebenfalls untersucht. In einer der ersten Realisierungen einer nichtlinearen Verbreiterung in einer Multipasszelle konnten Pulse mit einer Energie von 18 mJ bei einer Wiederholrate von 5 kHz spektral verbreitert und deren Komprimierbarkeit auf eine Dauer von 41 fs demonstriert werden. Eine weitere Skalierung bis zu Pulsenergien von 40 mJ und 75 mJ wird gleichfalls gezeigt. Diese Energien sind (soweit bekannt) die höchsten, bei denen ein Puls mit einer Frequenz von mehreren Kilohertz verbreitert wurde. Der vorgestelle Ansatz weist einen beispiellosen Durchsatz von über 95% und eine hervorragende Skalierbarkeit bezüglich der Durchschnittsleistung auf. Im Gegensatz zum OPV Ansatz wird die meiste Eingangsenergie in den erzeugten Femtosekundenpuls überführt, weshalb für eine gegebene Ausgangsenergie weniger komplexe Laserquellen notwendig sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen einen bedeutsamen Schritt für die nächste Generation von Femtosekundenlasern dar. Eine simulierte Erweiterung des Systems erlaubt sogar eine höhere Pulsenergie von 100 mJ bei einer Pulsdauer von mehreren zehn Femtosekunden und einer Wiederholrate von 5 kHz.
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Kaumanns, Reimund Martin
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Kaumanns, Reimund Martin (2020): Generation of energetic femtosecond pulses at high average power. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The development of more powerful and more energetic femtosecond laser systems builds the foundation for an even wider application of lasers. Powerful attosecond sources for sensitive experiments and compact high brilliance X-ray sources are only two examples of a vast field of possibilities that can be made accessible. The envisioned lasers with kilowatt scale average powers, hundreds of millijoule of pulse energy and pulse durations down to the few-cycle regime require significant technological advances that are partially introduced in this thesis. The amplification of laser pulses to an energy of 200 mJ with a repetition rate of 5 kHz, a duration of about 1 ps and an average power of 1 kW is demonstrated for the first time using a thin-disk regenerative amplifier. The excellent thermal properties of the thin-disk scheme in combination with a thorough investigation of the amplifier properties and a careful optimization of the design provides a highly stable laser output with an excellent virtually diffraction limited beam quality. This amplifier can be used as nearly ideal pump source for an OPA chain, which is predicted to facilitate few-cycle pulses with energies up to 20 mJ and a multi-kilohertz repetition rate. In a second part an alternative approach to obtain a femtosecond scale pulse duration from the presented amplifier is studied. In one of the first implementations of a multipass nonlinear broadening stage, pulses of about 18 mJ are spectrally broadened with a repetition rate of 5 kHz, and compressibility down to 41 fs is demonstrated. Further pulse energy scaling to 40 mJ and 75 mJ is shown. To the best of the authors knowledge these energies represent the highest energies at which a pulse was spectrally broadened in the multi-kilohertz regime. The proposed approach features unprecedented throughputs over 95% and excellent average power scalability. In contrast to the OPA scheme most of the input pulse energy is transferred into the femtosecond scale pulse and hence less complex source lasers are necessary for a given output pulse energy. The record-breaking results of this thesis constitute an important step for next generation femtosecond laser sources. A simulated extension of the system allows for the generation of a pulse energy of 100 mJ, a pulse duration of tens of femtosecond and a repetition rate of 5 kHz close to the envisioned parameters.

Abstract

Die Entwicklung leistungsfähigerer Femtosekundenlaser mit höherer Pulsenergie und Durchschnittsleistung ermöglicht eine immer weitreichendere Anwendung von Lasersystemen. Die Erzeugung von leistungsstarken Attosekundenpulsen für empfindliche Messreihen und kompakte Röntgenquellen mit hoher Brillanz sind nur zwei denkbare Anwendungen von vielen. Die erhofften Lasersysteme mit Durchschnittsleistungen im Kilowatt Bereich, hunderten von Millijoule Pulsenergie und Pulsdauern von wenigen Femtosekunden basieren auf einer signifikanten Weiterentwicklung bestehender Technologie, die zum Teil Gegenstand dieser Arbeit ist. Mittels eines regenerativen Dünnscheibenverstärkers konnte zum ersten mal die Verstärkung von Laserpulsen bis zu einer Energie von 200 mJ bei einer Wiederholrate von 5 kHz, einer Dauer von circa 1 ps und einer Durchschnittsleistung von 1 kW gezeigt werden. Die ausgezeichneten thermischen Eigenschaften des Dünnscheibenkonzepts in Verbindung mit einer tiefgreifenden Untersuchung der Verstärkereigenschaften und einer sorgfältigen Optimierung des Aufbaus ermöglichen einen hochstabilen Laser mit einem annähernd beugungslimitierten Ausgangsstrahl. Der Verstärker kann als ideale Pumpquelle für einen optischen parametrischen Verstärker (OPV) genutzt werden, der dann die Erzeugung von Pulsen mit einer Energie bis zu 20 mJ und einer Dauer von wenigen Femtosekunden bei einer Wiederholrate von mehreren Kilohertz ermöglichen könnte. Ein alternativer Ansatz zur Erzeugung von Femtosekundenpulsen aufbauend auf dem vorgestellen Lasersystem wird ebenfalls untersucht. In einer der ersten Realisierungen einer nichtlinearen Verbreiterung in einer Multipasszelle konnten Pulse mit einer Energie von 18 mJ bei einer Wiederholrate von 5 kHz spektral verbreitert und deren Komprimierbarkeit auf eine Dauer von 41 fs demonstriert werden. Eine weitere Skalierung bis zu Pulsenergien von 40 mJ und 75 mJ wird gleichfalls gezeigt. Diese Energien sind (soweit bekannt) die höchsten, bei denen ein Puls mit einer Frequenz von mehreren Kilohertz verbreitert wurde. Der vorgestelle Ansatz weist einen beispiellosen Durchsatz von über 95% und eine hervorragende Skalierbarkeit bezüglich der Durchschnittsleistung auf. Im Gegensatz zum OPV Ansatz wird die meiste Eingangsenergie in den erzeugten Femtosekundenpuls überführt, weshalb für eine gegebene Ausgangsenergie weniger komplexe Laserquellen notwendig sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen einen bedeutsamen Schritt für die nächste Generation von Femtosekundenlasern dar. Eine simulierte Erweiterung des Systems erlaubt sogar eine höhere Pulsenergie von 100 mJ bei einer Pulsdauer von mehreren zehn Femtosekunden und einer Wiederholrate von 5 kHz.