白皮书
天博体育app下载 简化访问高能量sub-5-fs脉冲
一个单箱的高脉冲能量和长期稳定性连贯的Altrella Ultrafast放大器，以及新型的空心纤维压缩机和Turnkey压缩机/测量D-天博体育app下载AN系统，提供了更简单的超短量（sub-5-fs）脉冲途径。
概述
为了使超快脉冲可以通过最广泛的应用领域访问，连贯的脉冲一直在实施一项全面的设计方法，材料资格和采购方案，并停止/HASS测试协议以超级革命中工业革命的名义进行。这种方法强调性能，操作简单，可重复性和可靠性。 Altrella kilohertz放大器是这场革命的出色示例，为最新型号的脉冲能量提供了第一个交钥匙访问脉冲宽度的速度短至35 fs。然而，在物理，光化学和材料科学方面的几个重要新兴应用都需要较短的脉冲和/或更高的峰值功率，例如，生成Attosecond X射线脉冲或产生相对论电子的爆发。在本文中，我们展示了伦敦帝国帝国学院的约翰·蒂奇（John Ti天博体育app下载h）和丹尼尔·沃尔克（Daniel Walke）教授如何与连贯的和球体超快光子学合作，从而利用了超级脉冲放大器的交钥匙简单性和稳定的光束质量，以达到5 fs的脉冲宽度，脉冲能量高达2 mj。这是通过将Astrella与下一代中空纤维脉冲压缩机（HFC）和无提其免提脉冲压缩机/测量D-天博体育app下载AN系统相结合来实现的。因此，这个相对简单，紧凑的系统可直接访问脉冲宽度/峰值功率状态，直到最近才在少数专家激光实验室中使用。
astrella集成放大器
此演示是在圣克拉拉（Santa Clara）的连贯设施进行的。如图1所示，实验设置中的三个关键组件是一个astrella放大器，从Ti天博体育app下载h组开始拓宽带宽的自定义HFC，以及一个从Sphere Ultrafast光子学到同时测量和优化（即重新加压）的压缩机/计量D天博体育app下载AN系统。
图1.实验设置用于5 fs脉冲产生和测量。连贯的Attrella放大器的输出将透镜（F = 1 m）聚焦于250μm的内直径，差异化的空心核纤维，并用霓虹灯或氦气加压。通过波板偏振器组合（未显示）在0-7 MJ的范围内控制了来自Astrella的脉冲能。从空心芯纤维中的频谱输出通过凹面的银镜（F = 0.75 m）重新填充，然后通过D-天博体育app下载AN蓝色系统压缩和测量。 D-天博体育app下载an测量头只需要几兆瓦的平均功率，因此横梁插图器可用于从空心纤维中采样瓦特级（〜1 mJ @ 1 kHz）梁。进入梁垃圾箱的光束通常可以进行实验。
连贯的astrella是最新一代单箱钛的示例：Sapphire Ultrafast放大器； Astrella能够在脉冲宽度<35 fs，800 nm的波长和1 kHz的重复速率下每脉冲产生超过7 MJ。所有激光组件都位于紧凑型（26厘米x 79厘米x 125厘米）的头部。其中包括一个单盒Vitara振荡器，一个脉冲拾取器，担架和一个由连贯的革命Q-SwitchND ND：YLF激光器和输出压缩机泵送的再生放大器。这种特殊的体系结构非常适合光学苛刻的应用，例如此处描述的工作，这是因为光束质量和稳定性可以通过稳定的再生放大器腔（例如，相对于多通功能放大器）来实现。需要一个对称的高斯光束和稳定的光束指向，以使聚焦在空心芯纤维的小入口孔中 - 以确保稳定的HFC输出并避免对纤维造成损害。在这些实验期间测得的斜束质量为m²<1.04。
图2集成的Attrella放大器的特征是其低M2输出梁，高点稳定性和低输出噪声。插图显示典型的近场M2数据。
Assrella的稳定性，可靠性和光束质量被作为Cooherent在Ultrafast 天博体育app下载ience中正在进行的工业革命的一部分，在那里我们在工业激光器中运用长期证明的方法，材料和实践；这些激光器用于24/7操作和低维护要求对高吞吐量制造过程至关重要的应用。这需要一种全面而无情的激光稳定性和可靠性方法。例如，我们选择Astrella材料在任何工作温度下以及暴露于激光光时具有低燃料的特性。
同样重要的是，使用HALT/HASS协议优化了Assrella的设计和制造（甚至是运输！），其光学机械组件和每个子系统。在其他技术领域中广泛使用和尊重，连贯的是在激光行业中使用停止/HASS定量方法的使用 - 请参阅侧孔。
结果，Assrella具有低输出噪声（0.5％RMS）和漂移和无与伦比的光束指向指向稳定性（<10 µRAD RMS）：它可以在长时间且复杂的数据运行中运行，甚至是2D和3D光谱研究，几天都可以运行。
优化的空心纤维压缩机
在此演示实验中，输出脉冲来自一个astrella放大器（35 FS脉冲宽度和1 kHz重复率）聚焦于HFC。这利用了含有贵重气体的空心纤维中自相调制（SPM）引起的光谱扩大。纤维充当介电波导，限制梁并允许以高强度的长度相互作用。事实证明，这种已建立的方法可以生成高力（最多5 MJ），以KHz重复速率的几个周期激光脉冲。
此处使用了差分泵的空心纤维。随着Ti天博体育app下载h和其他其他人的开创性，差速抽水使用空心纤维毛细管的低气电导通过差分抽水来维持沿纤维的压力梯度，并在入口处保持真空。这减少了激光强度最高的纤维入口的血浆形成。 （在静态气体充满的空心纤维中，输入一侧的血浆形成会降低耦合效率和射击稳定性，通过更改焦点的大小和位置，从最佳的最佳范围内改变焦点的大小和位置。入口单元中的真空（<1 mbar）。
在这些实验中，Attrella输出脉冲由1 m的焦距，宽带抗反省涂层透镜进行聚焦，并在没有任何主动稳定的情况下指向1 m的核心核心融合纤维（内部radius A = 125 µm）内部的内部装置的内部装置，可通过EVACERIANDE AR cORINE cORINE cORINE a cORINE a cORINE a vive s sil foverative a in Inse an co in。测量焦点处的高斯梁腰部为〜160 µm，满足条件W0 = 0.64A，用于最佳能量偶联到空心芯纤维中，并在1014 W/cm的范围内产生焦点强度。2。确切的强度取决于脉冲能，可以通过λ/2波板连续调节0.5-7 MJ的范围，在这些实验中，该脉冲可以暂时放置在Assrella系统的压缩机之前。该系统能够在广告系列的每一天连续运行，而没有任何主动的反馈或重新对准用户，这是由于来自阿斯特雷拉放大器的高稳定性输入光束和差异泵送的空心纤维的组合。
在霓虹灯的情况下，此HFC设置中的SPM导致带宽覆盖550-1000 nm的范围。通过0.5 mm熔融的二氧化硅布鲁斯特窗口退出燃气电池后，这些宽带脉冲都被压缩，并且使用d-天博体育app下载an蓝色确定的完整时间和相位剖面（Sphere Ultrafast Photonics，Porto，葡萄牙）系统。
d-天博体育app下载an脉冲压缩机/脉冲时间测量
有几种可以表征飞秒脉冲的各个方面的方法，但是该演示中使用的D-天博体育app下载AN蓝色单元具有许多优势，包括其在少数循环策略中使用世界录制持续时间（延伸至单周脉冲）的能力。总体使用速度和速度使D-天博体育app下载an成为HCF测量和优化的理想工具。首先，它可以在单个单元中执行压缩/控制和时间测量。其次，这是一种强大的独立工具，非常容忍输入光束未对准（甚至几个度），因此很快就设置了。第三，它是快速的，可在kilohertz脉冲重复率的情况下在不到1分钟的时间内提供完整的脉冲表征（相位和振幅）。此外，用户还可以选择按钮优化，以产生最短的脉冲宽度，而无需特殊的脉冲计量专业知识。
此外，D-天博体育app下载an方法可以为较高的用户提供详细的脉冲特征数据集。例如，用户可以输出所有关键波长，相位和强度参数的图，提供强度与波长，强度与时间，相位与波长以及相位与时间的图。因此，d-天博体育app下载an仪器可以揭示是否存在脉搏破裂，并记录脉冲的整个相位，即，其残留分散体对包括三阶分散（TOD）和四阶分散（FOD）（FOD）的所有顺序。。
像其他脉冲时间测量方法一样，D-天博体育app下载AN设备使用光学效应将相位信息转换为振幅信号，该信号可以在光电探测器阵列上感测。针对HCF系统量身定制的D-天博体育app下载AN模块包括在翻译阶段的一对薄玻璃楔子，包括一对薄玻璃楔子，提供了正分散和负分散。脉冲通过压缩机后，一小部分在非线性晶体中经历了第二谐波，并根据引入分散体的函数测量所得的光谱，从而可以在线监视脉冲。通过测量最大压缩点附近不同输入阶段（玻璃插入）的非线性信号的光谱，获得了二维迹线（D-天博体育app下载AN痕迹 - 图3“测量”），从而可以通过迭代算法的脉冲的光谱阶段进行完整检索（图3“ ReTecte）。在运行中，D-天博体育app下载an单元自动扫描玻璃楔形散布在最佳压缩值周围，即最短可获得的脉冲宽度。然后，内部算法处理SHG光谱并得出完整的相/强度/波长/时间数据集。
初步数据的讨论
在使用此设置的第一套实验套件中，研究人员在使用1.5 MJ的输入脉冲能量时，使用HFC输出能量为0.7 MJ，低于HFC输出能量为0.7 MJ。他们确定该输出功率受霓虹灯气体电离的限制。可以使用氦作为非线性培养基来实现增加的输出功率，该培养基具有更大的电离电位，但也具有较低的非线性指数，即SPM效率较低。然后使用3.4 bar（在HFC出口）作为非线性培养基，然后使用输入脉冲能量为5 MJ，以2 MJ的HFC输出能量达到6 FS脉冲。 Ti天博体育app下载h指出，将来使用较大的直径HFC将来将有可能增加输出能量，这使得可以增加传输能量的量而不会增加纤维内的强度。
图3顶部（左）：测量和（右）：使用差分泵送的空心纤维（250微米直径x 1m长1m）拟合的d-天博体育app下载an数据，在出口端与霓虹灯气体的出口端向3杆加压。输入激光脉冲能为1.5MJ（1kHz脉冲重复速率为1.5W），输出脉冲能为0.77MJ。底部（左）：脉冲光谱和检索光谱阶段； （右）在时域中输出脉冲，傅立叶变换有限的脉冲和检索脉冲，显示持续时间为5.1 fs fwhm。
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脉冲数据集 |
|
检索脉冲FWHM |
5.1 FS |
傅立叶变换有限fwhm |
4.5 FS |
相对峰值功率 |
76.5％ |
表。图3中所示的数据集的脉冲分析摘要。相对峰值是压缩脉冲的峰值功率与理想的傅立叶变换量脉冲相比。
图3显示了来自霓虹灯填充的HFC设置的一些典型数据，其中包含的整体脉冲参数汇总在随附的表中。该图显示了从D天博体育app下载AN蓝色系统的专有迭代算法获得的测得的D-天博体育app下载an数据和“检索”的D-天博体育app下载an痕迹。这些特定数据显示了在40-60 fs范围内某些残留的三阶分散（TOD）的效果2。研究人员期望通过优化HFC参数，并在下一组实验中，使用HFC参数（例如使用水单元）来获得较低的TOD，较短的脉冲宽度和较高的峰值功率。 D-天博体育app下载an系统的易用性使研究人员可以在监测输出脉冲的同时迅速扫描HFC系统的参数空间（例如，气压和输入脉冲能量的变化）。这提供了一种直接的方法来优化此类HFC系统的性能。
Professor Ti天博体育app下载h explains the context of these first results, “Most hollow fiber users are injecting around 1 mJ into their fibers. This is the typical energy limit if differential pumping is not employed, i.e., if the hollow fiber is filled with a uniform gas pressure. Only a small number of groups are operating HFCs significantly above 2 mJ, and those that do rely on differential pumping. I think同样重要的是要注意，在这项活动中，我们可以将5 MJ融入标准纤维中，而没有任何特殊的纤维输入改编（其他一些组使用），并没有损坏空心纤维。
摘要
超快激光脉冲的简短历史表明，激光和相关技术的进步可以使常规访问越来越短的脉冲宽度和更高的峰值功率。这种简单的访问是将这些脉冲从专业激光实验室转移到从细胞生物学到粒子物理学的最广泛的科学学科范围中的关键。如今，在Millijoule能量水平上放大的35 fs脉冲宽度已经在最新一代的集成放大器（例如中）接近按钮的简单性，例如astrella。这里所描述的工作有望指向另一个超快里程碑，在该里程碑中，高功率sub-5-fs脉冲可以常规地用于科学研究的多样化但同样重要的分支。
侧栏
Halt/Hass对激光稳定性和可靠性的影响
仔细的材料选择和更好的光学机械组件和系统设计只是Assrella无与伦比的可靠性和稳定操作的原因的一部分。 Astrella是使用称为高加速生命测试（Halt）的工程协议设计和优化的。这是一种经过验证的方法，它采用初始组件和系统设计，并通过将组件和系统推动到故障，分析故障机制，设计故障原因，然后迭代重复严格的测试直到消除所有可识别的故障机制，从而使它们更好。
然后，我们使用停顿的结果来制定有效的最终筛选协议（HASS是高度加速的应力筛选），从而淘汰了产品制造弱点或错误，而不会降低运送给客户的单元的使用寿命。除其他测试外，组装的乙酸酯激光器还经受了严格的预编程的振动的预先编程的常规和该腔室突然的温度变化。任何在HASS测试结束时以任何可测量方式变化的ARTARELLA都会拒绝出货。
来自众多行业的证据证实，成功的停顿/HASS需要完全沉浸。 COHERT很荣幸能成为第一位投资用于HASS认证的测试硬件和软件的科学激光器制造商；仅环境测试室就代表了大量资本投资。借助Assrella，我们证明了经过几次停止迭代和最终的HASS检查，甚至像超快放大器一样复杂的产品最终会带来这种不懈的改进，并提供了极端的可靠性和寿命。