Krachtige, zeer repetitieve, met ytterbium gedoteerde ultrasnelle lasers zijn van grote waarde voor toepassingen in onderzoek en industrie. De smalle spectrale bandbreedte (10 nm) van dit lasersysteem heeft echter geleid tot de opkomst van talrijke postcompressietechnieken gebaseerd op zelffasemodulatie om het spectrum te verbreden. De compressie-efficiëntie van multipass-caviteitstechnieken kan > 90 procent overschrijden, waardoor ultrakorte pulsen met hoge energie en hoog gemiddeld vermogen met een uniforme ruimtelijke verdeling worden geproduceerd.
In dit artikel simuleren we numeriek het compressieproces in een multipass-holte en laten we zien hoe we de systeemparameters kunnen optimaliseren, zodat het verbrede spectrum een vloeiende fase heeft en schone gecomprimeerde pulsen worden verkregen.
De auteurs gebruikten een gedistribueerde numerieke Fourier-methode om de voortplanting van de puls in de multipass-holte te simuleren. Bij de simulatie wordt rekening gehouden met effecten zoals diffractie, dispersie, zelffasemodulatie en zelfsteilheid, en het gas in de multipass-holte is een inert gas, zodat Raman-effecten kunnen worden verwaarloosd. De pulsintensiteit in de holte wordt onder de ionisatiedrempel geregeld, zodat het ionisatie-effect ook kan worden genegeerd. Het feitelijke multi-pass caviteitssysteem moet aan vier voorwaarden voldoen: (1) de optische lengte binnen de caviteit is groter dan de niet-lineaire lengte en kleiner dan de dispersielengte, dwz < L<; (2) the upper limit of the soliton order is less than 10, i.e., N = √ < 10; (3) avoiding self-focusing, <; and (4) avoiding ionization. Satisfying the above four conditions at the same time, the input pulse center wavelength is 1030 nm, the pulse width is 150 fs, the curvature of the multi-pass cavity lumen is 40 cm, the distance of the cavity lumen is 40 cm, and the pulse goes back and forth within the cavity 20 times. At this time to meet the actual multi-pass cavity needs of the pressure and pulse energy range shown in Figure 1 light blue region.
Fig. 1 Multi-pass caviteitparametergebied.
The spectral characteristics of the output pulse are measured by two parameters, the half-height full width and the spectral cleanliness C. The spectral width of the output pulse is the limit of compression. The spectral width demonstrates the limiting pulse width of the pulse compression, while the spectral cleanliness C characterizes the cleanliness of the compressed pulse (high percentage of main peak energy and low intensity of secondary pulses). At C > 0.9 the compressed pulse has a primary peak energy share of >98 procent en een secundaire pulsintensiteit van<0.5%. Figure 2 shows the spectral half-height widths of the multi-pass cavity with different parameters and the spectral cleanliness C. It can be seen from the figure that wide and clean spectra can only be obtained when the pressure and energy satisfy certain conditions.
Fig. 2 Pulsreinheid in het energie-drukdiagram.
Uit figuur 2 blijkt dat betere compressieresultaten kunnen worden verkregen wanneer de pulsenergie 100 μJ is en de druk 10 bar is, en de gerelateerde simulatieresultaten worden getoond in figuur 3. De ruimtelijke uniformiteit van de spectra wordt geanalyseerd. in Fig. 3(a) en Fig. 3(b), en men kan zien dat de spectra op de x-as en de y-as exact hetzelfde zijn, en dat de ruimtelijke uniformiteit goed is. Figuren 3(c) en 3(d) tonen de pulsbreedten en spectra, waaruit blijkt dat de spectra een grote bodemachterstand en een vloeiende parabolische fase hebben, wat overeenkomt met een transformatielimietpuls van 14,2 fs.
Fig. 3 Ruimtelijke spectrale verdelingen op de x-as (a) en y-as (b), evenals de pulsbreedte (c) en spectrale (d) verdelingen, voor een pulsverbreding en compressieresultaat met een energie van 100 μJ in een MPC gevuld met 10 bar argon.
Figuur 4 toont in detail de spectrale en spotvariaties voor elke retourvlucht van de puls door het multi-pass-holteapparaat. Figuur 4(a) 1/spectrum komt overeen met de verandering in de spectrale zuiverheidsparameter en de spectrale halve hoogte blijft constant na 10 retourvluchten, maar de 1/spectrum neemt toe en het spectrum lijkt een grotere basis te hebben. De grafiek in figuur 4(b) toont de uiteindelijke uitgangsvlek als een perfecte Gaussiaans. Figuur 4 (c) demonstreert de evolutie van de vlekgrootte, die overal soepel verandert, waardoor de samendrukbaarheid van de daaropvolgende pulsen wordt gegarandeerd.
Figuur 4 (a) toont de evolutie van de spectrale spreiding na elke retourvlucht; (b) toont het ruimtelijke patroon aan het einde van de voortplanting; en (c) toont de vergelijking van de dwarsbundelafmetingen tijdens voortplanting zonder gas (blauwe lijn) en met gas (stippen)
In dit artikel wordt door middel van numerieke simulatie aangetoond dat bij gebruik van een multi-pass holte om de puls te comprimeren, een breed en schoon spectrum en een gecomprimeerde puls van hoge kwaliteit kunnen worden verkregen door het gezamenlijk optimaliseren van de pulsenergie en de gasdruk, die zal een leidraad bieden voor de daaropvolgende constructie van een praktisch multi-pass spouwsysteem.
