Ny laser opfylder krævende krav til at drive banebrydende attosecond-lyskilder

Forskere har kombineret et fiber-laser-system med nylige fremskridt inden for multi-pass-celler for at skabe en laser med en unik kombination af få-cyklus-impulser med høj gennemsnitseffekt, pulsenergi og gentagelseshastighed og med stabil bærerindhyllingsfase (CEP) drift. Disse egenskaber gør den nye laser ideel til at drive næste generations attosecond-kilder, såsom dem ved Extreme Light Infrastructure (ELI) i Europa.

ELI, verdens største og mest avancerede højeffektlaserinfrastruktur, vil blive brugt til at undersøge lys-stof-interaktioner ved de højeste intensiteter og korteste tidsskalaer. Strålelinjerne i ELI's Attosecond Light Pulse Source vil give en hidtil uset ydeevne til at generere isolerede attosecond-impulser og har således meget krævende lasersystemkrav.

Steffen Hädrich fra Active Fibre Systems GmbH i Tyskland vil præsentere den nye laser på Optica (tidligere OSA) Laser Congress virtuelle webkonference den 3.–7. oktober 2021. Hädrichs foredrag er planlagt til mandag d. 4. oktober kl. 11:30 EDT (UTC 04:00).

"Udviklingen af ​​et så unikt lasersystem åbner nye muligheder for sekundære kilder, f.eks. til generering af isolerede attosekundpulser med hidtil usete parametre, " sagde Hädrich. Disse lover til gengæld at fremme forståelsen af ​​elektroniske processer på fundamentale længde- og tidsskalaer og bidrage til nye opdagelser inden for biologi, kemi, fysik og medicin."

For at skabe et lasersystem, der kan opfylde behovene for ELI og andre videnskabelige applikationer, forskerne udviklede et fiber-chirped pulsforstærkningssystem, der sammenhængende kombinerer otte forstærkerkanaler. Dette system udsender 300-fs-impulser, som derefter komprimeres ned til få-cyklus-regimet ved hjælp af to multi-pass-celler. Den første multi-pas celle bruger standard dielektriske spejle til at opnå 1,7 mJ pulser med en varighed på mindre end 35 fs. Den anden celle bruger metalbaserede spejle til at opnå en pulsvarighed på kun 5,8 fs ved en pulsenergi på 1,1 mJ, 110 W gennemsnitlig effekt og gentagelseshastighed på 100 kHz.

Stabil CEP-drift er nødvendig for fuldt ud at udnytte laserens høje gennemsnitlige effekt og hurtige gentagelseshastighed. Forskerne opnåede dette ved at måle CEP for hver puls ved hjælp af et enkelt stereo-ATI fasemeter, der kan karakterisere støj over hele frekvensspektret. CEP-målingerne blev sendt til en PID-controller, skabe en feedbackloop, der muliggjorde ~400 mrad CEP-støj.

"Vi demonstrerede de korteste impulser og højeste komprimerede gennemsnitseffekt, der er opnået for få-cyklus MPC'er med 110 W ved 100 kHz pulsgentagelseshastigheden, " sagde Hädrich. "Med yderligere forbedringer, vi håber også snart at opnå mindre end 300 mrad CEP-støj."

Hädrich tilføjer, "Det præsenterede lasersystem opfylder kravet til HR1-laseren fra ELI-ALPS. Vi er i gang med at skalere denne tilgang til HR2-parametrene, at implementere dette koncept til demonstration af en 500W, 5mJ, 6fs CEP-stabilt lasersystem."