Høyeffekts, svært repeterende ytterbium-dopet ultraraske lasere er av stor verdi for applikasjoner innen forskning og industri. Imidlertid har den smale spektrale båndbredden (10 nm) til dette lasersystemet ført til fremveksten av en rekke postkompresjonsteknikker basert på selvfasemodulasjon for å utvide spekteret. Kompresjonseffektiviteten til flerpass-hulromsteknikker kan overstige > 90 prosent, og produserer høyenergi, høy-gjennomsnittlig effekt ultrakorte pulser med jevn romlig fordeling.
I denne artikkelen simulerer vi komprimeringsprosessen numerisk i et multipass-hulrom og viser hvordan man kan optimere systemparametrene slik at det utvidede spekteret har en jevn fase og rene komprimerte pulser oppnås.
Forfatterne brukte en distribuert Fourier numerisk metode for å simulere forplantningen av pulsen inne i flerpasshulen. Effekter som diffraksjon, dispersjon, selvfasemodulasjon og selvbratt tas i betraktning i simuleringen, og gassen inne i flerpasshulen er en inert gass slik at Raman-effekter kan neglisjeres. Pulsintensiteten i hulrommet styres under ioniseringsterskelen, så ioniseringseffekten kan også ignoreres. Det faktiske multi-pass hulromssystemet må tilfredsstille fire betingelser: (1) den optiske lengden inne i hulrommet er større enn den ikke-lineære lengden og mindre enn dispersjonslengden, dvs. < 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 hulrom parameterområde.
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 prosent og en sekundær pulsintensitet på<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 Pulsrenslighet i energi-trykkdiagrammet.
Fra fig. 2 kan man se at bedre kompresjonsresultater kan oppnås når pulsenergien er 100 μJ og trykket er 10 bar, og de relaterte simuleringsresultatene er vist i fig. 3. Den romlige uniformiteten til spektrene analyseres i fig. 3(a) og fig. 3(b), og det kan sees at x-aksen og y-aksens spektra er nøyaktig like, og den romlige ensartetheten er god. Figur 3(c) og 3(d) viser pulsbreddene og spektrene, hvorfra det kan sees at spektrene har en stor bunnsløyfe og en jevn parabolsk fase, som tilsvarer en transformasjonsgrensepuls på 14,2 fs.
Fig. 3 Romlige spektralfordelinger på x-aksen (a) og y-aksen (b), samt pulsbredde (c) og spektral (d) fordelinger, for en pulsutvidelse og kompresjon med en energi på 100 μJ i en MPC fylt med 10 bar argon.
Figur 4 viser i detalj spektral- og punktvariasjonene for hver rundtur av pulsen gjennom flerpasshulromsanordningen. Figur 4(a) 1/spektrum er konsistent med endringen i spektral renhetsparameter og den spektrale halvhøydebredden forblir konstant etter 10 rundturer, men 1/spekteret øker og spekteret ser ut til å ha en større base. Plottet i fig. 4(b) viser det endelige utgangspunktet som en perfekt gaussisk. Fig. 4 (c) viser utviklingen av punktstørrelsen, som endres jevnt gjennom, og sikrer komprimerbarheten til de påfølgende pulsene.
Fig. 4 (a) viser utviklingen av spektralspredningen etter hver rundtur; (b) viser det romlige mønsteret ved slutten av forplantningen; og (c) viser sammenligningen av tverrstrålestørrelsene under forplantning uten gass (blå linje) og med gass (prikker)
I denne artikkelen demonstreres det gjennom numerisk simulering at når man bruker et flerpasshulrom for å komprimere pulsen, kan et bredt og rent spektrum og en høykvalitets komprimert puls oppnås ved å optimalisere pulsenergien og gasstrykket i fellesskap, som vil gi en veiledning for den påfølgende konstruksjonen av et praktisk multi-pass hulromssystem.
