EDP-TD végerősítő kísérleti elrendezése

Az EDP-TD erősítő működésének kísérleti demonstrációjához a Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V. intézetben [188] kutatótársaimmal felépítettünk egy multipasszos erősítő elrendezést, és karakterizáltuk annak működési paramétereit. Az említett intézet két nagyintenzitású lézerrendszer csatornának adott otthont, amelyek közös frontenddel (IV.3.5. ábra, „Frontend” rész) rendelkeztek. Az egyik csatorna egy Ti:Sa alapú, 70 TW (2,5 J, 35 fs) csúcsteljesítményű impulzusok előállítását lehetővé tevő, egyedi építésű rendszer volt [189]. Ezzel szemben a másik csatorna egy kommerciális erősítő rendszer (Amplitude Technologies, [190]) volt 100 TW csúcsteljesítményű impulzusokkal. Mivel a kísérlet során az utóbbi csatornát használtuk fel, annak felépítésével fogok részletesen foglalkozni a következő bekezdésben.

A 100 TW csúcsteljesítményű rendszer egy Ti:Sa alapú DCPA rendszer volt 2,5 J energiával és 25 fs impulzushosszal a kimenetén. A frontend 25 fs hosszúságú, 1,2 mJ energiájú impulzusokat biztosított

T ( C)

15 23,5 15 112,4

63,7 T ( C)

19,3

a.

b.

STST

c.

68

10⁹ impulzuskontraszt (előimpulzus-kontraszt a főimpulzushoz képest) és 10 Hz ismétlési frekvencia mellett. Az így keletkező impulzusokon időszűrést végeztek el XPW keltés felhasználásával egy vákuum kamrában elhelyezett elrendezés segítségével [191]. Ennek hatására az impulzusok kontrasztja 10¹² értékre nőtt, míg energiájuk a kezdeti értékről töredékére csökkent. Az XPW fokozatban időszűrt impulzusokat 400 ps hosszúságúra nyújtották egy diffrakciós rácsokon alapuló elrendezésben (IV.3.5.

ábra, „TW nyújtó” rész), majd több Ti:Sa alapú erősítőben növelték meg az impulzusenergiát. A végerősítő előtt a magimpulzusok energiája elérte az 500 mJ-t. A 500 mJ energiájú magimpulzusok a kriogenikus hűtésű végerősítőn végig haladva 4 J energiát értek el, amit a szintén rácsos, vákuumban elhelyezett impulzuskompresszor 25 fs hosszúságúra nyomott össze 2,5 J kimeneti impulzusenergia mellett, amely 100 TW csúcsteljesítménynek felelt meg (IV.3.5. ábra, elhalványított rész).

IV.3.5. ábra 100 TW csúcsteljesítményű lézerrendszer kísérletben felhasznált része, illetve a kísérleti EDP-TD erősítő optikai elrendezése. Elhalványítva ábrázoltam a kísérlet során kikerült végerősítőt, valamint az impulzuskompresszort.

A kísérlet során a végerősítőt áthidalva a magimpulzusokat az EDP-TD erősítő elrendezésbe küldtük.

Az erősítendő impulzusokra egy hárompasszos elrendezést valósítottunk meg, amely a kristály hátoldali reflexiója révén hat passznak felelt meg. A teljes elrendezést az erősítendő impulzusokra vonatkozóan a IV.3.5. ábra alsó része szemlélteti.

IV.3.6. ábra EDP-TD erősítő pumpálásának optikai elrendezése. Mindhárom pumpalézer nyalábja kétszer verődött vissza a kristály hátsó felületéről, amely effektíve 4 passznak felelt meg az aktív közegben.

Frontend

69

Az eredeti végerősítőt négy Pro-Pulse (Amplitude Technologies) [190] típusú pumpalézer hajtotta meg 10 Hz ismétlési frekvencián, egyenként 2 J energiájú és 6,8 ns időbeli félértékszélességű impulzusokkal 532 nm hullámhosszon. Ezen pumpalézerek közül a kísérlet ideje alatt az egyik nem volt használható állapotban, így az eredetileg 8 J teljes pumpaenergiából 6 J energiát tudtuk felhasználni. Mindhárom pumpalézer által biztosított nyaláb esetén két átmenetet alakítottunk ki a Ti:Sa kristályon keresztül, amely effektíve négy passznak felel meg, mivel az impulzusok a kristály hátsó felületén lévő HR rétegről visszaverődnek (IV.3.6. ábra). Az erősített impulzusok energiáját egy nagy csúcsteljesítményű impulzusok detektálására alkalmas (Coherent, PM30V1) energiamérővel mértük. Ezen felül a kristályt egy CCD kamera segítségével monitoroztuk, amely a pumpaimpulzusokkal történő gerjesztés hatására kialakuló fluoreszcencia profil megfigyelését tette lehetővé. Továbbá az erősítendő impulzusokkal való energiakicsatolást az egyes passzokban a kristály közelében elhelyezett gyors fotodióda (Thorlabs, DET10A/M) segítségével, a fluoreszcencia időbeli lefutásának mérésével vizsgáltuk. A kristályban felhalmozódó hő hatására bekövetkező hőmérséklet-változás monitorozására egy hőkamerát (Micro-Epsilon, TIM-160 [177]) használtunk fel. Mind a pumpa-, mind pedig az erősítendő impulzusok esetén a passzok kialakítása során a hagyományos Ti:Sa erősítőkre is jellemző, minimális szögek kialakítására törekedtünk a megfelelő térbeli átfedés biztosítása érdekében. A mag- és a pumpaimpulzusok átmérője 24 mm-re lett beállítva a kristály elülső felületén, amely a közeg teljes vastagságában állandónak volt tekinthető.

A kísérlethez egy, az ELI-ALPS mérnökei által megvalósított TD hűtő egységet használtunk fel, amelybe egy 35 mm átmérőjű és 3 mm vastagságú Ti:Sa korongot fogattunk be. A kristály elülső felületére AR, míg a hátsó felületére pedig HR dielektrikum réteg került a pumpa- (532 nm) és a magimpulzusok (800 nm körül) hullámhosszaira optimalizálva. A kristály abszorpciós együtthatója a pumpaimpulzusok hullámhosszára vonatkozóan 2 cm^-1 értékű volt. A felhasznált TD modul prototípusának háromdimenziós képét a IV.3.7. ábra (a) része szemlélteti.

IV.3.7. ábra TD modul prototípus elölről (a), illetve központi rész kialakítása (b).

A központi egységhez (IV.3.7. ábra, (b) rész) két víztartály csatlakozik, amelyek felső részénél lett kialakítva a hűtővíz be- és kivezetése. A bemenetre nyomáscsökkentő szelep lett felszerelve, hogy a folyadékáramlás sebességét a nyomás révén szabályozni lehessen. Továbbá, a kristállyal közvetlen kapcsolatban lévő áramlási csatorna vastagságát egy külső csavar segítségével tudtuk állítani. A kristály befogatásánál egy kisméretű kamra lett kialakítva a korong palástja mentén, amely egy M-sorozatú (Cargille Labs) törésmutató-illesztett folyadékban (TIF, 1,76 értékű törésmutató 800 nm hullámhosszon) feloldott IR140 típusú (Exciton) abszorber festékkel lett feltöltve (IV.3.8. ábra). A Ti:Sa kristály hátsó felületével érintkező hűtőcsatorna részben a hűtővíz áramlási sebességét a rendelkezésre álló temperáló berendezés, valamint a TD modul által megengedett víznyomás határozta meg. Ennek

Víztartály

a. b.

Ti:Sa

70

méréséhez a hűtőberendezés beindítását követően a közvetlenül a kristály mögött folyásirányban elhaladó buborékok mozgását 60 fps gyorsaságú CCD kamerával rögzítettük.

IV.3.8. ábra Ti:Sa kristály befogatásának és az abszorber elhelyezésének képe.

A buborékok mozgási sebességéből az áramlás sebességét a Ti:Sa kristály mögött 0,35 m/s értékűnek becsültük meg. A mért sebesség, valamint a csatorna geometriája alapján az áramlás lamináris volt.