Development of high power CEP-stable light sources

Seeger, Maximilian (2023): Development of high power CEP-stable light sources. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die Erzeugung und Verstärkung von Lichtpulsen mit Pulsenergien von mehreren mJ, Pulsdauern von wenigen Zyklen und einer stabilen Träger-Einhüllenden-Phase (CEP) ist eine Schlüsseltechnologie der modernen Laserphysik. In der Starkfeld- und Attosekundenphysik werden solche Pulse benötigt, um die effiziente Erzeugung von höheren Harmonischen und isolierten Attosekundenpulsen zu ermöglichen. Die verbreitetsten Treiber-Lichtquellen für Attosekundenexperimente sind dabei Laser basierend auf Titan-dotiertem Saphir als Lasermedium. Diese Lasersysteme sind jedoch auf eine mittlere Leistung von wenigen zehn Watt begrenzt. Attosekundenexperimente basierend auf diesen Lasern können daher nur bei niedrigen Wiederholraten im Bereich von einigen kHz betrieben werden. Diese Einschränkung beförderte die Entwicklung von Hochleistungslasern auf Basis von Ytterbium-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (Yb:YAG). Diese können Leistungen im Bereich von kW liefern. Daher ermöglichen sie eine effiziente Erzeugung von Attosekundenpulsen selbst bei Wiederholraten ≥ 100 kHz. Systeme, die eine ausreichende Pulsenergie, hohe Wiederholraten und CEP-stabile Pulse vereinen, sind jedoch kaum verfügbar, was einen flächendeckenden Einsatz zur Erzeugung von Attosekundenpulsen verhindert. Dagegen sind Yb:YAG-Laser gepumpte, optisch-parametrische Verstärker weit verbreitete Systeme für Attoskeundenexperimente. Sie ermöglichen eine breitbandige Verstärkung von Pulsen zu Energien von mehreren mJ. Die erreichbare Leistung dieser Systeme ist allerdings durch die niedrige Konversionseffizienz des parametrischen Prozesses beschränkt. Diese Arbeit behandelt die genannten Einschränkungen für den Einsatz von Yb:YAG basierten Lichtquellen für Attosekundenexperimente bei hohen Wiederholraten. Für den direkten Einsatz in der Erzeugung von Attosekundenpulsen wurde ein nichtlinearer regenerativer Yb:YAG Scheibenlaser für die direkte Verstärkung von CEP-stabilen Pulsen entwickelt. Dieses Lasersystem erreicht Pulsenergien von über 2 mJ bei einer Wiederholrate von 100 kHz und Pulsdauern von unter 200 fs. Die CEP-Stabilität der Pulse geht jedoch beim Verstärkungsprozess verloren. Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Mechanismen die zum Verlust der CEP-Stabilität beitragen. Des Weiteren wurde ein Hochleistungs-OPCPA-Aufbau entwickelt, der von einem Yb:YAG Scheibenlaser gepumpt wird. Dieses Lasersystem mit eine Zentralwellenlänge von 2.1 μm liefert Lichtimpulse mit einer Dauer von 20 fs, einer Pulsenergie von mehr als 5 mJ bei einer Wiederholrate von 10 kHz. Durch passive und aktive Stabilisierungsmechanismen wird das CEP-Rauschen in diesem System auf 100 mrad begrenzt. Diese Parameter, in Verbindung mit der exzellenten Leistungsstabilität, machen dieses Lasersystem zu einer hervorragenden Treiberquelle für Attosekundenexperimente mit Photonenenergien im Bereich der weichen Röntgenstrahlung.

Abstract

The generation and amplification of light pulses with multiple mJ of pulse energy, few-cycle pulse durations, and a stable carrier-envelope-phase (CEP) is a key aspect of modern laser science. In strong-field and attosecond science, these pulses are required for efficient high-harmonic generation, and for the generation of isolated attosecond pulses. The most commonly used driving light sources for attosecond experiments are lasers based on titanium-doped sapphire as active laser medium. However, these lasers systems have limited output power capabilities of a few tens of watts. Therefore, the pulse energies required for efficient generation of attosecond pulses can only be achieved at low repetition rates typically in the few kHz range. This limitation promoted the development of infrared pump lasers based on ytterbium doped yttrium-aluminum-garnet (Yb:YAG). These systems can provide kW-level output powers allowing for high pulse energies even at repetition rates beyond 100 kHz. However, their direct use for isolated attosecond pulse generation is not common. The few existing experiments are limited to low repetition rate systems. This is due to a lack of CEP-stable few-cycle sources delivering sufficiently high pulse energies at repetition rates ≥100 kHz. Yb:YAG pumped optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) setups, however, are common driving sources for attosecond experiments. These systems provide broadband amplification to multi-mJ pulse energies but their output power is limited due to the low pump-to-signal conversion efficiency. The research and development work that was part of this thesis addresses these two major limitations for the use of Yb:YAG based driving lasers for attosecond science at high repetition rates. I present two infrared laser sources based on Yb:YAG meant to drive experiments with isolated attosecond pulses. The first light source is a nonlinear regenerative Yb:YAG thin-disk amplifier for the direct amplification of CEP-stable pulses. This setup delivers pulse energies of more than 2 mJ at 100 kHz repetition rate with pulse durations below 200 fs. The CEP-stability of the seed pulses, however, was lost during the amplification process. In this thesis, the CEP-distortion mechanisms in nonlinear regenerative thin-disk amplifiers are investigated. The second light source is a self-seeded, high power OPCPA setup, which is pumped by a kW-class regenerative Yb:YAG thin-disk amplifier. This short-wavelength infrared (SWIR) source, centered at 2.1 μm delivers 20 fs pulses with up to 5.1 mJ energy at 10 kHz repetition rate. The CEP of the pulses is stabilized to an rms CEP noise of 100 mrad with a hybrid concept relying on a passively CEP-stable seed generation and an active slow-loop CEP control. These parameters in conjunction with the excellent average power stability make this SWIR setup an outstanding driving source for HHG with photon energies in the water window region.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. September 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Kling, Matthias