Hullámfront torzulásának mérése

Az erősített nyaláb alkalmazhatóságát egyértelműen meghatározza, hogy annak hullámfrontja milyen mértékben torzult az erősítés folyamán. A végerősítőket követően gyakran alkalmaznak hullámfront korrekciót, amely deformálható tükrök felhasználásával valósítható meg [191]. A hullámfront torzulásához hozzájárul az aktív közeg felületi minőségének inhomogenitása a nyaláb által érintett felületen, a törésmutató megváltozása a kristály pumpált térfogatában a hőmérséklet megnövekedésének köszönhetően, a hőtágulás által a be- és kilépő felületek meghajlásai, valamint a

Hűtővíz áramlási iránya

Pumpanyaláb átmérő

74

hőmérséklet-változás hatására kialakuló mechanikai stressz által indukált kettőstörés a fotoelasztikus hatás révén [171].

Az EDP-TD erősítőben kialakuló hullámfront torzulást egy egyszerű elrendezés segítségével mértem meg. Egy He-Ne lézer (Melles Griot) kitágított nyalábja segítségével kivilágítottam a Ti:Sa kristály teljes apertúráját, majd a hátsó felületről visszavert nyalábot egy teleszkópon keresztül egy Schack-Hartmann típusú (Imagine Optics, HASO) hullámfront szenzorba lőttem (IV.3.14. ábra).

IV.3.14. ábra Hullámfront torzulásának mérésére felhasznált elrendezés. L1 és L2 lencséket, TE teleszkópot és HASO hullámfront szenzort jelöl. A nyaláb méretét az ábrán a jobb láthatóság érdekében lecsökkentettem.

A teleszkópra azért volt szükség, hogy a nyaláb méretét a HASO szenzor chip méretének közel felére csökkentsem. Mivel az erősítőben fellépő hullámfront-torzulást a pumpaimpulzusok abszorpciójának termikus hatásai határozzák meg, a hullámfront mérést a IV.3.5. fejezetben leírt hőmérsékletmérési kísérlettel szinkronizálva végeztem el. A 4 J energiájú impulzusokkal való pumpálás megkezdésétől rögzítettem a hullámfront torzulását. Mivel a pumpált kristálytérfogaton kívül az erősítendő impulzusok hullámfrontjának változásaihoz a kristály további részei nem járulnak hozzá, elegendő a pumpaimpulzusok által érintett apertúra részt vizsgálni. Az erősítés szempontjából a termikus egyensúlyi állapotban kialakult torzulás a legfontosabb, amit a IV.3.15. ábra szemléltet a pumpált kristály apertúrára vonatkozólag. A IV.3.15. ábra (a) részén a kristály pumpálandó apertúráján áthaladó He-Ne nyaláb hullámfrontját láthatjuk, amely a Ti:Sa kristály vágása és rétegezése során keletkezett inhomogenitásoknak köszönhetően már eleve rendelkezik 0,32 µm P-V (Peak-to-Valley, a maximum és minimum közötti különbség abszolút értéke) és 0,06 µm RMS értékű hullámfront torzulással.

IV.3.15. ábra Hullámfront torzulása a pumpált apertúrában: hullámfront a pumpálás előtt (a) és a pumpálás közben a termikus egyensúly állapotában (b).

A IV.3.15. ábra (b) része már a pumpálás hatására kialakult hőmérsékleti egyensúly állapotában került rögzítésre (20 s időpillanatban a IV.3.12. ábrán). Megfigyelhető, hogy a P-V érték 1,51 µm-re, addig az

HeNe

75

RMS érték pedig 0,39 µm-re nőtt, ami egyértelműen jelzi a termikus hatások jelenlétét. Felhívnám azonban a figyelmet arra, hogy ezen hullámfront paraméterek a kristály vastagságán kétszeri áthaladásra vonatkoznak.

IV.3.7. Diszkusszió

Az Yb-adalékolású erősítő közegek esetén kifejlesztett koronglézer geometria nagy áttörést jelentett az ultrarövid impulzusok előállítására alkalmas fényforrások átlagteljesítményének növelésében.

Ugyanezen geometria az ultranagy intenzitású impulzusok előállítására alkalmas Ti:Sa végerősítőkben való alkalmazása az elérhető ismétlési frekvencia jelentős megnövekedését eredményezheti. Az előzetes modellszámítások alapján az EDP-TD metódus nagymértékben csökkenti az erősítő kristályban kialakuló hőmérsékleti gradiens értékét a konvencionális erősítőkhöz képest.

Az EDP-TD végerősítő kísérleti demonstrációjához szükség volt egy 100 TW osztályú lézerrendszerre, amely mind a mag- mind pedig a pumpaimpulzusokat biztosítani tudta. Ehhez a Max-Born-Institut 100 TW csúcsteljesítményű rendszerét használtam fel. Kutatótársaimmal kísérletileg demonstráltam egy EDP-TD Ti:Sa végerősítő működését. A kísérlet során felhasznált 35 mm átmérőjű és 3 mm vastagságú Ti:Sa kristály a hátsó felületén közvetlenül érintkezett a 18 °C-os hűtővízzel, amely 0,35 m/s áramlási sebességgel haladt át a hűtőcsatornán. Az erősítőbe belépő 0,5 J energiájú magimpulzusokat 3 passz kialakításával erősítettem aktív tükör típusú elrendezésben. A pumpalézerek által biztosított 6 J pumpaenergiával 5 J abszorbeált energiát sikerült elérni a méréseink szerint, amely egyenletes eloszlása révén homogén populáció inverziót hozott létre a Ti:Sa kristályban. Az egylövéses erősítési kísérletek során 2,6 J erősített impulzusenergiát értem el a parazita effektusok elnyomásával.

A kristály hűtésének hatékonyságát 10 Hz ismétlési frekvencián 4 J energiájú impulzusokkal pumpálva vizsgáltam erősítés nélkül. Egy hőkamera segítségével rögzítettem a kristály felmelegedését, amely során a mérések szerint kevesebb, mint 20 másodperc alatt sikerült elérni a stacionárius állapotot.

Az egyensúlyi állapotban mindössze 30,3 °C maximális hőmérsékletet mutattam ki, amely demonstrálja a EDP-TD módszer Ti:Sa kristállyal való használatának nagy potenciálját. A hőmérséklet mérésével párhuzamosan egy hullámfront szenzor segítségével mértem egy He-Ne lézer nyalábjának hullámfront torzulását is, amely egyszer verődött vissza a Ti:Sa kristály hátsó felületéről.

T3.a. TD geometria alkalmazását javasoltam az EDP módszerrel kombinálva nagyenergiájú Ti:Sa végerősítők átlagteljesítményének felskálázásához. Numerikus szimulációkkal összehasonlítottam egy konvencionális és egy EDP-TD technikával működtetett 2 PW csúcsteljesítményű erősítő termikus hatásait. Az EDP-TD erősítő esetén jelentős javulást mutattam ki a hőmérséklet eloszlásában [TP3].

T3.b. Kísérletileg demonstráltam egy 100 TW osztályú EDP-TD Ti:Sa végerősítő fokozat működését.

Egylövéses kísérletekkel 5 J abszorbeált pumpaenergia és 0,5 J magimpulzus energia mellett 2,6 J erősített impulzusenergiát értem el [TP4]. A Ti:Sa kristályban kialakuló hőmérsékletet 4 J energiájú impulzusokkal 10 Hz ismétlési frekvencián vizsgálva egyenletes térbeli eloszlást tapasztaltam, és a hőmérséklet maximumára 30,3 °C-ot kaptam. Megmértem a kristályban pumpálás esetén fellépő hullámfront torzulást a kristályon való kétszeri áthaladásra.

76