Yuriy Stepanenko, Paweł Wnuk, and Czesław Radzewicz Institute of Experimental Physics, Warsaw University Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Sciences
Plan Do czego służą duże moce szczytowe Krótka historia Metody Wyniki obliczeń Eksperyment Podsumowanie
Do czego mogą służyć impulsy laserowe o dużej mocy szczytowej? Duża moc szczytowa= TW PW Laserowe akceleratory cząsteczek Źródła promieniowania X
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, 437-440 (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, 1562-1564 (1995)
Niewspółliniowe dopasowanie fazowe w krysztale BBO Niewspółliniowa geometria ~250nm Współliniowa geometria <5nm
pump Kryształ nieliniowy OPA szerokość pasma vs natężenie pompy signal idler
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)
Efektywność OPCPA Komercyjny Nd:YAG laser t pompy 5-10 ns Po szerokopasmowym rozciągnięciu impuls zasiewający t seed 0.5-2 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
Efektywność OPCPA c.d. Gaussowski profil czasowy pompy Która konfiguracja jest dobra? Rozwiązanie : Prostokątny profil czasowy pompy
Efektywność OPCPA c.d. Czasowo przestrzenny profil lasera pompującego z nie stabilnym rezonatorem Rozwiązanie : Stabilny rezonator
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, 211120 (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, 15264 15273 (2009) **Tetsuo Harimoto and Koichi Yamakawa, "Numerical analysis of optical parametric chirped pulse amplification with time delay," Opt. Express 11, 939-943 (2003)
OPCPA, układ eksperymentalny 1.2m 2.5m
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
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
Intensity, a.u. Amplification gain Intensity, a.u. Intensity, a.u. Wieloprzejściowy przedwzmacniacz 1.1 1.0 0.9 Input 1.1 1.0 0.9 Pump beam profile 0.8 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Output 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Input beam profile Amplified beam profile 0.2 0.1 0.1 0.0 0.0 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 1.1 1.0 0.9 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 -0.1 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 10 6 Distance from the beam axis, mm 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0-1 0 1 2 3 4 5 Time, ns 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Interaction length, mm
Instensity, a.u. Amplification gain Intensity, MW/cm 2 Intesity, a.u. Wzmacniacz mocy 4000 3500 1.0 3000 2500 2000 0.8 0.6 Pump profile Seed profile Amplified beam profile 1500 0.4 1000 500 0.2 0 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 Wavelength, nm 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Distance from the beam axis, mm 1.1 1.0 0.9 0.8 Czas trwania impulsu pompy: 4 ns 200 Energia pompy: 700 mj Energia impulsu zasiewającego: 12mJ 150 0.7 0.6 0.5 100 0.4 0.3 0.2 50 0.1 0.0-1 0 1 2 3 4 5 Time, ns 0 0 5 10 15 20 25 Interaction length, mm
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 14 35 700 10 12 30 600 9 8 10 25 500 7 8 20 400 6 5 6 15 300 4 4 10 200 3 2 2 5 100 1 0 0 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 9.7 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 Nonlinear crystal length, mm 0 8.0 10.0 12.012.7 14.0 16.0 18.0 20.0 Nonlinear crystal length, mm 0 1400 10 10 1200 9 8 1900 1800 9 8 1000 7 1700 7 800 6 5 1600 6 5 600 4 1500 4 400 3 1400 3 200 2 1 1300 2 1 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 4.85.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Nonlinear crystal length, mm 0 1200 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.44.5 5.0 5.5 6.0 6.5 Nonlinear crystal length, mm 0
Wyniki modelowania: Input parameters Przedwzmacniacz Wzmacniacz mocy Energia pompy, mj 100 500 Natężenie szczytowe, 650 140 MW/cm 2 Energia na wyjściu, mj 12 270 Długość kryształu 9.4 10.7mm; 6mm; 4mm Efektywność wzmacniacza mocy >50% Efektywność całkowita >45%
Rzeczywistość
Intensity, arb. units Intensity, arb. units Laser zasiewający oraz pompujący 650 700 750 800 850 900 950 1000 Wavelength, nm Ti:Szafir oscillator Częstość 85 MHz Moz średnia 200 mw Energia w impulsie 2.5 nj -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 Time, ns Nd:YAG, Druga harmoniczna @532nm prostokątny impuls Częstość 10 Hz Energia w impulsie 4 J max Stabilność <4% rms Jitter <50ps rms Czas narastania >150-180ps
Intensity, arb. units Intensity, arb. units Broadband Öffner stretcher 750 800 850 900 950 Wavelength, nm -1 0 1 2 3 4 5 Time, ns
Streczer-kompresor
Wieloprzejściowy wzmacniacz Jeden kryształ- 3 przejścia Obliczone wzmocnienie parametryczne Widmo fluorescencji parametrycznej BBO, ~500 MW/cm 2, θ=23.8, α=2.4
Wieloprzejściowy wzmacniacz modelowanie eksperyment 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 Wavelength, nm
Intensity, arb. units Wieloprzejściowy wzmacniacz c.d. Czasowy przebieg pompy na wyjściu Wyniki: Wzmocnienie na przejście - ~320-350 Energia pompy 130 mj Energia na wyjściu 12 mj, rms 0.9mJ -2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 Time, ns
Wzmacniacz mocy eksperyment 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 T Fourier =13 fs >10 TW 0.0 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 Wavelength, nm E out =230 mj rms 12mJ (E pump =750mJ) Effektywność: 31% (oczekiwana >50%) (15% przy Gaussowskiej pompie)
Intensity, arb. units Wysycenie pompy modelowanie eksperyment 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Time, ns -1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Time, ns
Kompresja impulsu
Kierunki udoskonalenia przestrzenne przekrywanie optymalizacja streczera (pasmo) optymalizacja opóźnienia w stopniu wzmacniacza mocy inne nieliniowe kryształy LBO, BiBO Projekt finansowany ze środków NCBiR, NR02001910
Podsumowanie Został zamodelowany oraz uruchomiony układ wzmacniacza parametrycznego @840nm Energia impulsu >200mJ Czas trwania <16fs Moc szczytowa >10 TW Efektywność >30%