Kraftfulla, mycket repetitiva ytterbiumdopade ultrasnabba lasrar är av stort värde för applikationer inom forskning och industri. Den smala spektrala bandbredden (10 nm) för detta lasersystem har emellertid lett till uppkomsten av ett flertal efterkompressionstekniker baserade på självfasmodulering för att bredda spektrumet. Kompressionseffektiviteten för flerpassagetekniker kan överstiga > 90 procent, vilket ger ultrakorta pulser med hög energi och hög medeleffekt med enhetlig rumsfördelning.
I detta dokument simulerar vi numeriskt komprimeringsprocessen i en multipass-kavitet och visar hur man optimerar systemparametrarna så att det breddade spektrumet har en jämn fas och rena komprimerade pulser erhålls.
Författarna använde en distribuerad Fourier numerisk metod för att simulera utbredningen av pulsen inuti multipass kaviteten. Effekter som diffraktion, dispersion, självfasmodulering och självbrantning beaktas i simuleringen, och gasen inuti multipass-kaviteten är en inert gas så att Raman-effekter kan försummas. Pulsintensiteten i kaviteten styrs under joniseringströskeln, så joniseringseffekten kan också ignoreras. Det faktiska multi-pass kavitetssystemet måste uppfylla fyra villkor: (1) den optiska längden inuti kaviteten är större än den olinjära längden och mindre än dispersionslängden, 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 Flerpassage-kavitetsparameterområde.
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 och en sekundär 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 Pulsrenhet i energi-tryckdiagrammet.
Från fig. 2 kan man se att bättre kompressionsresultat kan erhållas när pulsenergin är 100 μJ och trycket är 10 bar, och de relaterade simuleringsresultaten visas i fig. 3. Spektrans rumsliga enhetlighet analyseras i fig. 3(a) och fig. 3(b), och det kan ses att x-axelns och y-axelns spektra är exakt likadana och den rumsliga enhetligheten är god. Figurerna 3(c) och 3(d) visar pulsbredderna och spektra, av vilka det kan ses att spektra har en stor bottensläpning och en jämn parabolisk fas, vilket motsvarar en transformationsgränspuls på 14,2 fs.
Fig. 3 Rumsliga spektralfördelningar på x-axeln (a) och y-axeln (b), såväl som pulsbredds- (c) och spektrala (d) fördelningar, för en pulsbreddning och komprimering resulterar med en energi på 100 μJ i en MPC fylld med 10 bar argon.
Figur 4 visar i detalj spektral- och punktvariationerna för varje tur och retur av pulsen genom flerpassage-kavitetsanordningen. Figur 4(a) 1/spektrum överensstämmer med förändringen i spektral renhetsparameter och den spektrala halvhöjdsbredden förblir konstant efter 10 rundresor, men 1/spektrumet ökar och spektrumet verkar ha en större bas. Plottet i fig. 4(b) visar den slutliga utgångspunkten som en perfekt Gauss. Fig. 4 (c) visar utvecklingen av fläckstorleken, som ändras jämnt hela tiden, vilket säkerställer kompressibiliteten för de efterföljande pulserna.
Fig. 4 (a) visar utvecklingen av den spektrala spridningen efter varje tur och retur; (b) visar det rumsliga mönstret i slutet av fortplantningen; och (c) visar jämförelsen av de tvärgående strålstorlekarna under utbredning utan gas (blå linje) och med gas (prickar)
I denna artikel demonstreras det genom numerisk simulering att när man använder en multi-pass kavitet för att komprimera pulsen, kan ett brett och rent spektrum och en högkvalitativ komprimerad puls erhållas genom att gemensamt optimera pulsenergin och gastrycket, vilket kommer att ge en guide för den efterföljande konstruktionen av ett praktiskt kavitetssystem med flera genomgångar.
