Rekordparameter für verstärkte ultrakurze Lichtimpulse bei 2 µm Wellenlänge und Kilohertz-Folgefrequenzen

Wie in der neuesten Ausgabe von Optics Letters berichtet 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.

Abb. 1: 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 0.23%, die Energieschwankungen von Impuls zu Impuls 2.1%. Kleines Bild links: Strahlprofil (Intensitätsverteilung im Fernfeld). Kleines Bild rechts: Autokorrelationsfunktion der rekomprimierten 52.5 mJ Impulse, gemessen und simuliert.

Dr. Uwe Griebner
E-Mail uwe.griebner@mbi-berlin.de

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)