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Zur Erzeugung von Impulsen hoher Leistung werden optische Verstärker eingesetzt, die auf der Chirped Pulse Amplification (CPA) beruhen. Dabei werden intensitätsschwache Impulse zunächst zeitlich gestreckt, in einem Verstärker auf hohe Leistungen verstärkt und schließlich zeitlich wieder komprimiert. Unter Ausnutzung dieses Konzepts wurden jetzt vom Max-Born-Institut ein System vorgestellt das Infrarotimpulse bei 2 µm Wellenlänge mit einer Spitzenleistung größer 10 GW (10 Milliarden Watt) und einer Repetitionsrate von 1 kHz unter Aufrechterhaltung exzellenter Strahlqualität und hervorragender Impulsstabilität erzeugt.
Wie in der neuesten Ausgabe von Optics Letters berichtet werden als optisches Verstärkungsmedium Holmium-dotierte YLF-Kristalle eingesetzt. Das System besteht aus einem hochstabilen regenerativen Verstärker und zwei Nachverstärkern, die bei Raumtemperatur betrieben und von kontinuierlichen Tm:Faserlasern mit einer Gesamtleistung von 270 W gepumpt werden. Als Eingangssignal dienen Femtosekundenimpulse aus einer bei 2 µm emittierenden Quelle. Diese werden zeitlich gestreckt und vorverstärkt bevor sie die Ho:YLF-Verstärkerkette speisen.
Die Energie der verstärkten rekomprimierten Impulse beträgt 52,5 mJ mit einer exzellenten Stabilität von <0,23% rms. Die Langzeitstabilitätsmessung ist zusammen mit dem Strahlprofil der Impulse in Abb. 1 gezeigt, der Strahlparameter M2 hat einen Wert von 1,2. Das Impulsspektrum ist bei einer Wellenlänge von 2,05 µm zentriert, seine Bandbreite beträgt 3,5 nm (FWHM). Dies erlaubt eine Fourier-limitierte minimale Impulsdauer von ~1,7 ps. Die Kompression der Impulse erfolgt in einer Treacy-Gitteranordnung mit einem Wirkungsgrad von >93%. Die gemessene Autokorrelation der Impulse (ACF) besitzt eine FWHM von 4,1 ps. Die Analyse der Autokorrelationsmessung liefert eine Impulsdauer von 2,4 ps (FWHM), worin sich 85% der Energie befinden. Daraus ergibt sich eine Impulsspitzenleistung von 17 GW. Diese Leistung und die Impulsenergie von mehr als 50 mJ sind die höchsten jemals mit Pikosekunden-Impulsen bei 2 µm Wellenlänge erreichten Werte.
Das Verstärkersystem wird ggw. erfolgreich als Pumpquelle in einem System zur Erzeugung von Impulsen mit wenigen Zyklen und multi-Millijoule-Energie im Wellenlängenbereich um 5 µm eingesetzt. Anwendungen in der nichtlinearen Optik, Spektroskopie und Materialcharakterisierung sind Gegenstand laufender Forschung.
Abb. 1: Langzeitstabilität des Ho:YLF Verstärkersystems bei 1 kHz Folgefrequenz. Die mittlere Impulsenergie Emean=52.5 mJ wurde über einen Zeitraum von 120 min gemessen. Ihre Standardabweichung beträgt 0.23%, die Energieschwankungen von Impuls zu Impuls 2.1%. Kleines Bild links: Strahlprofil (Intensitätsverteilung im Fernfeld). Kleines Bild rechts: Autokorrelationsfunktion der rekomprimierten 52.5 mJ Impulse, gemessen und simuliert.
Dr. Uwe Griebner
E-Mail uwe.griebner@mbi-berlin.de
L. von Grafenstein, M. Bock, D. Ueberschaer, A. Koc, U. Griebner, T. Elsaesser,
2.05 µm chirped pulse amplification system at a 1 kHz repetition rate - 2.4 ps pulses with 17 GW peak power, Opt. Lett. 45, 3836-3839 (2020)
Langzeitstabilität des Ho:YLF Verstärkersystems bei 1 kHz Folgefrequenz.
MBI
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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