Yuriy Stepanenko, Paweł Wnuk, and Czesław Radzewicz

Transkrypt

1 Yuriy Stepanenko, Paweł Wnuk, and Czesław Radzewicz Institute of Experimental Physics, Warsaw University Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Sciences

2 Plan Do czego służą duże moce szczytowe Krótka historia Metody Wyniki obliczeń Eksperyment Podsumowanie

3 Do czego mogą służyć impulsy laserowe o dużej mocy szczytowej? Duża moc szczytowa= TW PW Laserowe akceleratory cząsteczek Źródła promieniowania X

4 Parametryczne wzmacniacze impulsu ze świergotem 1992, Dubietis et al. zastosował technikę CPA do wzmocnienie femtosekundowych impulsów >450 citations 1995, Gale et al. odkrył możliwość szerokopasmowego wzmocnienia w krysztale BBO w geometrii niewspółliniowej. *A. Dubietis, G. Jonusauskas and A. Piskarskas, "Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crystal," Opt. Commun. 88, (1992) ** G. M. Gale, M. Cavallari, T. J. Driscoll, and F. Hache, "Sub-20-fs tunable pulses in the visible from an 82-MHz optical parametric oscillator," Opt. Lett. 20, (1995)

5 Niewspółliniowe dopasowanie fazowe w krysztale BBO Niewspółliniowa geometria ~250nm Współliniowa geometria <5nm

6 pump Kryształ nieliniowy OPA szerokość pasma vs natężenie pompy signal idler

7 OPCPA Optical Parametric Chirped Pulse Amplifier Zalety: Szerokopasmowy tryb pracy bez efektu nasycenia wzmocnienia Wyskoki współczynnik wzmocnienia: >10 2 na przejście Niski poziom wzmocnionej fluorescencji parametrycznej Nie ma efektów termicznych Wady: Efektywność bardzo zależna od czasowego oraz przestrzennego przekrywania pompy oraz impulsu wzmocnionego. * D. Strickland, G. Mourou, Compression of amplified chirped optical pulses, Opt. Commun. 56, 219 (1985)

8 Efektywność OPCPA Komercyjny Nd:YAG laser t pompy 5-10 ns Po szerokopasmowym rozciągnięciu impuls zasiewający t seed ns Bardzo niska sprawność! 5 10ns Jak rozwiązac: ps lasery pompujące oraz ps impulsy zasięwajace skomplikowana synchronizacja czasowa laser pompujący na zamówienie wąskopasmowy streczer t seed >2ns <10 nm pasmo wzmocnienia => wzmocnione impulsy >100fs streczery o dużym współczynniku rozciągnięcia >2ns układy hybrydowe (wzmacniacz parametryczny + laserowy) skomplikowana konstrukcja duże apretury siatek dyfrakcyjnych efekty termiczne zawężenie wzmocnienia

9 Efektywność OPCPA c.d. Gaussowski profil czasowy pompy Która konfiguracja jest dobra? Rozwiązanie : Prostokątny profil czasowy pompy

10 Efektywność OPCPA c.d. Czasowo przestrzenny profil lasera pompującego z nie stabilnym rezonatorem Rozwiązanie : Stabilny rezonator

11 Przedwzmacniacz oraz wzmacniacz mocy * ** transmitted pump 3. stage 2. stage 1. stage input Technika time shearing Impuls zasiewający przy każdym przebiegu oddziałuje z nie wysyconą częścią impulsu pompującego Długość każdego kryształu dobrana aby pracował w trybie nasyconym *Y. Stepanenko, and C. Radzewicz, High-gain multipass noncollinear optical parametric chirped pulse amplifier, APL 86, (2005) **P. Wnuk, Y. Stepanenko, and C. Radzewicz, Multi-terawatt chirped pulse optical parametric amplifier with a time-shear power amplification stage, Opt. Express 17, (2009) **Tetsuo Harimoto and Koichi Yamakawa, "Numerical analysis of optical parametric chirped pulse amplification with time delay," Opt. Express 11, (2003)

12 OPCPA, układ eksperymentalny 1.2m 2.5m

13 Równania sprzężone ) exp( 2 ) exp( 2 ) exp( 2 * * kz i E E d n i dz de kz i E E d n i dz de kz i E E d n i dz de s p eff p i i i p eff s s s i s eff p p p i s p eff i s p i s p i s p k k k k d n n n E E E,,,,,, amplituda pola częstość współczynnik załamania efektywna nieliniowość niedopasowanie fazowe Modelowanie

14 Modelowanie c.d. Rozwiązujemy równania dla fal płaskich monochromatycznych Impuls zasiewający ma chirp liniowy ω= ω(t), Δk= Δk(t) Tworzymy siatkę początkowych wartości natężenia pompy oraz impulsu zasiewającego oraz normujemy je: x x max y y t min max min t max min I( x, y, t) dxdydt W W energia impulsu Możliwość kontroli kształtu impulsów pompującego oraz zasiewającego w czasie oraz przestrzeni

15 Intensity, a.u. Amplification gain Intensity, a.u. Intensity, a.u. Wieloprzejściowy przedwzmacniacz Input Pump beam profile Output Input beam profile Amplified beam profile Wavelength, nm Czas trwania impulsu pompy: 4 ns Energia pompy: 100 mj Energia impulsu zasiewającego: 2nJ Szerokość spektralna streczera 10 : 150 nm 7 Okno czasowe streczera: 1.1 ns Distance from the beam axis, mm Time, ns Interaction length, mm

16 Instensity, a.u. Amplification gain Intensity, MW/cm 2 Intesity, a.u. Wzmacniacz mocy Pump profile Seed profile Amplified beam profile Wavelength, nm Distance from the beam axis, mm Czas trwania impulsu pompy: 4 ns 200 Energia pompy: 700 mj Energia impulsu zasiewającego: 12mJ Time, ns Interaction length, mm

17 Pulse energy, mj Standard deviation, % Pulse energy, mj Standard deviation, % Pulse energy, mj Standard deviation, % Pulse energy, mj Standard deviation, % OPCPA stabilność. Symulacje Monte-Carlo Nonlinear crystal length, mm Nonlinear crystal length, mm Nonlinear crystal length, mm Nonlinear crystal length, mm 0

18 Wyniki modelowania: Input parameters Przedwzmacniacz Wzmacniacz mocy Energia pompy, mj Natężenie szczytowe, MW/cm 2 Energia na wyjściu, mj Długość kryształu mm; 6mm; 4mm Efektywność wzmacniacza mocy >50% Efektywność całkowita >45%

19 Rzeczywistość

20 Intensity, arb. units Intensity, arb. units Laser zasiewający oraz pompujący Wavelength, nm Ti:Szafir oscillator Częstość 85 MHz Moz średnia 200 mw Energia w impulsie 2.5 nj Time, ns Nd:YAG, Druga prostokątny impuls Częstość 10 Hz Energia w impulsie 4 J max Stabilność <4% rms Jitter <50ps rms Czas narastania > ps

21 Intensity, arb. units Intensity, arb. units Broadband Öffner stretcher Wavelength, nm Time, ns

22 Streczer-kompresor

23 Wieloprzejściowy wzmacniacz Jeden kryształ- 3 przejścia Obliczone wzmocnienie parametryczne Widmo fluorescencji parametrycznej BBO, ~500 MW/cm 2, θ=23.8, α=2.4

24 Wieloprzejściowy wzmacniacz modelowanie eksperyment Wavelength, nm

25 Intensity, arb. units Wieloprzejściowy wzmacniacz c.d. Czasowy przebieg pompy na wyjściu Wyniki: Wzmocnienie na przejście - ~ Energia pompy 130 mj Energia na wyjściu 12 mj, rms 0.9mJ Time, ns

26 Wzmacniacz mocy eksperyment T Fourier =13 fs >10 TW Wavelength, nm E out =230 mj rms 12mJ (E pump =750mJ) Effektywność: 31% (oczekiwana >50%) (15% przy Gaussowskiej pompie)

27 Intensity, arb. units Wysycenie pompy modelowanie eksperyment Time, ns Time, ns

28 Kompresja impulsu

29 Kierunki udoskonalenia przestrzenne przekrywanie optymalizacja streczera (pasmo) optymalizacja opóźnienia w stopniu wzmacniacza mocy inne nieliniowe kryształy LBO, BiBO Projekt finansowany ze środków NCBiR, NR

30 Podsumowanie Został zamodelowany oraz uruchomiony układ wzmacniacza Energia impulsu >200mJ Czas trwania <16fs Moc szczytowa >10 TW Efektywność >30%