Fortschritte in kompakter Multi-Pass-Lasertechnologie
Neues Design verbessert die Laserleistung für verschiedene Anwendungen.
Arthur Schönberg, Supriya Rajhans, Esmerando Escoto, Nikita Khodakovskiy, Victor Hariton, Bonaventura Farace, Kristjan Põder, Ann-Kathrin Raab, Saga Westerberg, Mekan Merdanov, Anne-Lise Viotti, Cord L. Arnold, Wim P. Leemans, Ingmar Hartl, Christoph M. Heyl
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Inhaltsverzeichnis
In den letzten Jahren hat sich die Lasertechnologie, insbesondere die ultrakurzen Laser, erheblich weiterentwickelt. Diese Laser werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, von der Physik bis zur Medizin, da sie sehr kurze und intensive Lichtblitze erzeugen können. Eine grosse Herausforderung in dieser Technologie ist es, hohe Spitzenleistungen mit einer hohen mittleren Leistung zu kombinieren. Diese Kombination ist wichtig für Anwendungen wie die Laser-Plasma-Beschleunigung, eine Methode zur Erzeugung hochenergetischer Partikel mithilfe von Lasern.
Zur Lösung dieses Problems sind Post-Kompressionstechniken entstanden. Eine solche Methode nutzt Mehrfachpasszellen, die es dem Laserlicht ermöglichen, mehrere Male durch ein Medium zu gehen. Dadurch kann die Spitzenleistung der Laserpulse erhöht werden. Es gibt jedoch Grenzen, wie viel Energie in diesen Setups akzeptiert werden kann, die durch ihre Grösse und die Haltbarkeit ihrer Beschichtungen bestimmt werden.
In diesem Artikel wird eine neu entwickelte Art von Mehrfachpasszelle beschrieben, die kompakte, energie-skalierbare Mehrfachpasszelle (CMPC). Das Design der CMPC ermöglicht eine kompakte Installation, selbst bei hohen Pulsenergien. Durch die Umgestaltung des Strahlwegs innerhalb des Systems kann die Länge des Setups minimiert werden, was besonders wertvoll für leistungsstarke Laser-Ausgaben ist.
Herausforderungen bei der Laserleistungssteigerung
Ultrakurzlaser-Systeme stehen traditionell vor der Herausforderung, Spitzen- und Mittelwerte auszubalancieren. Hohe Spitzenleistung ist entscheidend, um die ultra-kurzen Pulse zu erzeugen, die diese Laser für verschiedene Anwendungen effektiv machen. Allerdings ist es schwierig, gleichzeitig eine hohe Durchschnittsleistung zu erreichen. Zum Beispiel können titandotierte Saphir (Ti:Sa) Laser hohe Spitzenleistungen erzeugen, sind aber in der durchschnittlichen Leistungsabgabe begrenzt.
Optische parametrische Prozesse wurden als Alternativen zu traditionellen Laser-Verstärkungsmethoden vorgeschlagen. Optische parametrische gepulste Verstärker (OPCPA) sind in der Lage, breite Bandbreiten zu liefern, die ideal sind, um wenige Zyklen Puls zu erzeugen, während sie höhere Durchschnittsleistungen aufrechterhalten. Dennoch leiden sie oft unter niedriger Effizienz, was sie weniger attraktiv macht als andere Optionen.
Ytterbium (Yb)-basierte Laser zeichnen sich durch ihre hervorragende Skalierbarkeit der Durchschnittsleistung aus. Sie können über 10 Watt kontinuierlicher Leistung erzeugen. Allerdings erzeugen sie im Allgemeinen längere Pulsdauern, was ihre Effektivität für einige Anwendungen einschränkt. Die Kombination dieser Laser mit effektiven Post-Kompressionstechniken könnte der Schlüssel zur Steigerung ihrer Energieausgabe sein.
Die Rolle von Mehrfachpasszellen
Mehrfachpasszellen sind eine effektive Lösung zur Verbesserung der Leistung von Hochleistungs-Lasersystemen. Sie funktionieren, indem sie den Laser-Puls mehrmals durch ein nichtlineares Medium leiten und so die insgesamt übertragene Energie erhöhen. Dieser Prozess umfasst Techniken wie Selbstphasenmodulation, um das Spektrum des Pulses zu verbreitern, wodurch es möglich wird, ihn anschliessend zu komprimieren und höhere Spitzenleistungen zu erreichen.
Traditionell verwendeten diese Setups Standard-Konfigurationen mit zwei Spiegeln, bei denen die maximale Energiekapazität eng mit der Grösse der Zelle verbunden ist. Grössere Zellen können mehr Energie aufnehmen, werden aber für den täglichen Laborgebrauch unpraktisch. Die CMPC führt ein neues Design ein, das ein kompakteres System ermöglicht und gleichzeitig hohe Energieakzeptanz und Effizienz bietet.
Kompaktes Design der Mehrfachpasszelle
Das Design der CMPC umfasst eine einzigartige Anordnung von Spiegeln, die es dem Strahl ermöglicht, innerhalb der Zelle zu falten. Dieser innovative Ansatz bedeutet, dass das System eine kompakte Grösse beibehalten kann, während es hohe Energieausgaben erreicht. Der Faltmechanismus bringt Designflexibilität mit sich und ermöglicht signifikante Reduzierungen der Gesamtlänge, ohne die Leistung zu opfern.
In Experimenten wurde die CMPC mit Pulsenergien von 1 bis 51 in atmosphärischer Luft getestet. Dies wurde mit einem kompakten Setup von etwa 45 in Länge erreicht. Darüber hinaus könnte eine potenzielle Energie-Skalierung Setups hervorbringen, die Pulsenergien von bis zu 200 aufnehmen können. Diese signifikante Skalierbarkeit eröffnet neue Wege zur Verbesserung von Laseranwendungen in verschiedenen anspruchsvollen Bereichen.
Experimentelle Ergebnisse
Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die CMPC Pulses effektiv komprimieren konnte und starke Reduzierungen der Pulsdauer erreichte. Zum Beispiel wurden Pulse, die mit einer Dauer von 1.1 begannen, auf 51 komprimiert, was die Effizienz der Zelle beim Umgang mit hohen Energien innerhalb eines kompakten Rahmens verdeutlicht.
Während der Tests blieb die Strahlqualität ausgezeichnet, mit einer hohen Übertragungsrate. Die Leistung der CMPC zeigte sich in ihrer Fähigkeit, gute spatio-temporale Eigenschaften aufrechtzuerhalten, die entscheidend sind, um sicherzustellen, dass der Laser fokussiert und effektiv bleibt.
Die Bedeutung der Strahlqualität
Die Strahlqualität ist ein kritisches Merkmal für Laser, insbesondere für solche, die in Präzisionsanwendungen eingesetzt werden. Die Aufrechterhaltung einer hohen Strahlqualität sorgt dafür, dass der Laser genau und effizient gerichtet werden kann. Das Design der CMPC ermöglicht nicht nur eine Energie-Skalierung, sondern fördert auch ausgezeichnete Strahlmerkmale.
Tests bestätigten, dass die CMPC über verschiedene Energieniveaus hinweg ein gutes Mass an Strahlqualität aufrechterhielt. Diese Fähigkeit ist besonders wichtig in Anwendungen, die präzises Zielen erfordern, wie in medizinischen Verfahren oder fortschrittlichen wissenschaftlichen Experimenten.
Potenzielle Anwendungen
Die Fortschritte im CMPC-Design können mehrere Bereiche erheblich beeinflussen. Bei der hochharmonischen Erzeugung könnte die Fähigkeit, kurze, hochenergetische Pulse zu erzeugen, zu neuen Techniken zur Erzeugung von extrem ultraviolettem Licht führen, das Anwendungen in der Bildgebung und Materialanalyse hat.
Darüber hinaus könnte die Fähigkeit, leistungsstarke Energieschübe zu erzeugen, neue Forschungsansätze in der Teilchenphysik eröffnen, insbesondere im Bereich der Laser-Plasma-Beschleunigung. Dies könnte zu Durchbrüchen in unserem Verständnis von fundamentalen Partikeln und Kräften führen.
In der Hochfeldwissenschaft, wo Forscher das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen untersuchen, können die Möglichkeiten der CMPC die hochenergetischen Pulse bereitstellen, die für solche Untersuchungen nötig sind. Zudem könnte die laserbasierte Kernfusion, die darauf abzielt, saubere Energie zu erzeugen, von der Fähigkeit profitieren, höhere Spitzen- und Durchschnittsleistungen zu erzeugen.
Fazit
Die Entwicklung der CMPC stellt einen wichtigen Fortschritt in der Lasertechnologie dar. Durch die Kombination hoher Energiekapazität mit einem kompakten Design ermöglicht diese innovative Mehrfachpasszelle eine bessere Leistung in verschiedenen Anwendungen. Während die Forscher weiterhin diese Technologie verfeinern, wächst das Potenzial für höhere Energieausgaben und verbesserte Laseranwendungen und ebnet den Weg für Fortschritte in mehreren wissenschaftlichen Disziplinen.
Zukunftsausblick
Im Hinblick auf die Zukunft gibt es Optimismus bezüglich weiterer Skalierungen der Energieniveaus in kompakten Setups. Durch die Vergrösserung der Spiegel und die Optimierung der Parameter können Forscher die Leistung der CMPC weiterhin steigern. Diese fortlaufende Entwicklung verspricht eine Zukunft, in der ultrakurzlasers noch leistungsfähiger und vielseitiger werden und zunehmend komplexe und anspruchsvolle Aufgaben in der wissenschaftlichen Forschung und Industrie bewältigen können.
Mit weiterer Erforschung und Innovation in diesem Bereich könnte die CMPC die Grenzen der Lasertechnologie neu definieren und Anwendungen ermöglichen, die zuvor als herausfordernd oder unmöglich galten. Die Arbeiten, die geleistet werden, werden letztendlich zu einem besseren Verständnis von Photonen und ihren Wechselwirkungen beitragen und zu neuen Technologien führen, die das volle Potenzial des Laserlichts nutzen.
Die Bedeutung dieser Forschung kann nicht genug betont werden, da die Entwicklungen in der Lasertechnologie wahrscheinlich eine Vielzahl von Bereichen beeinflussen werden, von der Grundlagenwissenschaft bis hin zu praktischen Anwendungen, die das tägliche Leben betreffen. Die Zukunft der Lasertechnologie ist vielversprechend, und die CMPC steht bereit, eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung dieser Zukunft zu spielen.
Titel: Compact, folded multi-pass cells for energy scaling of post-compression
Zusammenfassung: Combining high peak and high average power has long been a key challenge of ultrafast laser technology, crucial for applications such as laser-plasma acceleration and strong-field physics. A promising solution lies in post-compressed ytterbium lasers, but scaling these to high pulse energies presents a major bottleneck. Post-compression techniques, particularly Herriott-type multi-pass cells (MPCs), have enabled large peak power boosts at high average powers but their pulse energy acceptance reaches practical limits defined by setup size and coating damage threshold. In this work, we address this challenge and demonstrate a novel type of compact, energy-scalable MPC (CMPC). By employing a novel MPC configuration and folding the beam path, the CMPC introduces a new degree of freedom for downsizing the setup length, enabling compact setups even for large pulse energies. We experimentally and numerically verify the CMPC approach, demonstrating post-compression of 8 mJ pulses from 1 ps down to 51 fs in atmospheric air using a cell roughly 45 cm in length at low fluence values. Additionally, we discuss the potential for energy scaling up to 200 mJ with a setup size reaching 2.5 m. Our work presents a new approach to high-energy post-compression, with up-scaling potential far beyond the demonstrated parameters. This opens new routes for achieving the high peak and average powers necessary for demanding applications of ultrafast lasers.
Autoren: Arthur Schönberg, Supriya Rajhans, Esmerando Escoto, Nikita Khodakovskiy, Victor Hariton, Bonaventura Farace, Kristjan Põder, Ann-Kathrin Raab, Saga Westerberg, Mekan Merdanov, Anne-Lise Viotti, Cord L. Arnold, Wim P. Leemans, Ingmar Hartl, Christoph M. Heyl
Letzte Aktualisierung: Sep 4, 2024
Sprache: English
Quell-URL: https://arxiv.org/abs/2409.02542
Quell-PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.02542
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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