High-power ultrafast light

Petraviciute-Lötscher, Lauryna (2020): High-power ultrafast light: generation of 1 ps-to-70 fs, 5 mJ-to-mikroJ pulses and low-harmonic-generation at high repetition rate. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Eine Vielzahl von Anwendungen, wie zum Beispiel Attosekundenmetrologie, fordern ein Lasersystem mit hoher Wiederholrate von hunderten Kilohertz oder Megahertz. Aufgrund der hohen Wiederholraten können die Datenerfassungszeit und Statistik signifikant verbessert werden. In der Lasertechnik haben Ytterbium-Ionen Yb3+ eine herausragende Rolle als laseraktive Dotierungen in Kristallen und Gläsern. Kommerziell erhältliche Yb-dotierte Materialien besitzen hohe optische und thermo-mechanische Qualität und können effizient durch Hochleistung-Diodenlasermodule gepumpt werden. Als Lasermaterial hat Yb jedoch einen gravierenden Nachteil für ultrakurze Anwendungen; es ist schmalbandig und erzeugt deswegen entsprechend lange Pulse (in einem Bereich von mehreren hunderten Femtosekunden und Pikosekunden). Dieser Nachteil kann teilweise durch den Einsatz von nichtlinearer Pulskompression (NPC, von engl. "nonlinear pulse compression") gelöst werden. Diese Arbeit berichtet über experimentelle Fortschritte in der NPC mit verschiedenen Wiederholungsraten. Zuverlässige und einfache NPC Setups können als Teil eines grösseren Systems für Anwendungen, wie zum Beispiel zeitaufgelöste Elektronenbeugung für Untersuchungen atomarer Bewegung bei chemischen und biologischen Prozessen) verwendet werden. Die NPC Ergebnisse zeigen, dass ein breitbandiger Anregungslaser auch für optisch gechirpte Pulsverstärker (OPCPA, von engl. "optical parametric chirped pulse amplifier" ) aus Yb-basierten schmalbandigen Laserquelle mit Kilohertz und Megahertz Repetitionsrate erzeugt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Hochleistungslaser mit einer Wiederholrate von 100 kHz entwickelt. Der Zweck des Lasers war es ein breitbandiges OPCPA zu pumpen. Komplizierte Synchronisationsschemata zwischen einer Pumpe und einem Anregungslaser können vermieden werden, indem ein breitbandiger Anregungslaser aus einem Pumplaser direkt erzeugt wird. Dieses Verfahren vereinfacht signifikant den Gesamtaufbau und ermöglicht eine weitere Skalierung der mittleren Leistung. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Erzeugung von extremer ultravioletter Strahlung (EUV von engl. "extreme ultraviolet" ) in Gasen unter Verwendung eines Yb-Lasers bei 50 MHz Repetitionsrate. EUV mit Multimegahertz Repetitionsrate ist ein schnell wachsendes Gebiet von grossen Interesse. Zwei verschiedene Ansätze werden verfolgt: Überhöhungs-Resonatoren unterstützte und direkte EUV Erzeugung. Bei der direkten EUV Erzeugung können mehrere Versuchsbedingungen kontrolliert werden, z.B. die Wiederholrate und auch die Bedingungen, welche die Effizienz des Prozesses erhöhen, wie Quasi-Phasenanpassung. Außerdem hängt die direkte EUV Erzeugung ohne Überhöhungs-Resonator von keinem Verfahren zur Auskopplung der EUV Strahlung ab.

Abstract

In this thesis, nonlinear pulse compression (NPC) in solid core fibers is investigated in details at different repetition rates. A reliable and simple NPC setup is demonstrated, which can be used as part of a larger system for applications such as time-resolved electron diffraction to investigate atomic motion during chemical and biological processes. Results show that, for optical parametric chirped pulse amplifier (OPCPA) a broadband seed can also be successfully generated from picosecond Yb-based laser sources at kHz and MHz repetition rates. A high power laser at 100 kHz repetition rate, based on Yb laser technology was developed; its purpose was to pump a broadband OPCPA. Complicated synchronization schemes between a pump and a seed can be avoided by direct generation of a broadband seed from a pump laser, which simplifies the overall setup significantly and allows further scaling in average power. Finally, extreme ultraviolet (EUV, 10 - 121 nm) generation using an Yb laser at 50 MHz repetition rate is described.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Femtosecond, Ultrafast, High power, High repetition rate, Ytterbium
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 8. Mai 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Krausz, Ferenc