I laser ultraveloci drogati con itterbio ad alta potenza e altamente ripetitivi sono di grande valore per le applicazioni nella ricerca e nell'industria. Tuttavia, la stretta larghezza di banda spettrale (10 nm) di questo sistema laser ha portato all'emergere di numerose tecniche di post-compressione basate sulla modulazione di autofase per ampliare lo spettro. L'efficienza di compressione delle tecniche di cavità multipass può superare > 90%, producendo impulsi ultracorti ad alta energia e potenza media elevata con distribuzione spaziale uniforme.
In questo articolo simuliamo numericamente il processo di compressione in una cavità multipass e mostriamo come ottimizzare i parametri del sistema in modo che lo spettro ampliato abbia una fase uniforme e si ottengano impulsi compressi puliti.
Gli autori hanno utilizzato un metodo numerico distribuito di Fourier per simulare la propagazione dell'impulso all'interno della cavità multipass. Nella simulazione vengono presi in considerazione effetti quali diffrazione, dispersione, modulazione di fase automatica e auto-ramanimento e il gas all'interno della cavità multipass è un gas inerte in modo che gli effetti Raman possano essere trascurati. L'intensità dell'impulso nella cavità è controllata al di sotto della soglia di ionizzazione, quindi anche l'effetto di ionizzazione può essere ignorato. L'effettivo sistema di cavità multi-passaggio deve soddisfare quattro condizioni: (1) la lunghezza ottica all'interno della cavità è maggiore della lunghezza non lineare e minore della lunghezza di dispersione, ovvero < 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 Regione dei parametri della cavità multi-passaggio.
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% e un'intensità dell'impulso secondario di<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 Pulizia dell'impulso nel diagramma energia-pressione.
Dalla Fig. 2 si può vedere che migliori risultati di compressione possono essere ottenuti quando l'energia dell'impulso è di 100 μJ e la pressione è di 10 bar, e i relativi risultati della simulazione sono mostrati in Fig. 3. Viene analizzata l'uniformità spaziale degli spettri in Fig. 3 (a) e Fig. 3 (b), e si può vedere che gli spettri dell'asse x e dell'asse y sono esattamente gli stessi e l'uniformità spaziale è buona. Le Figure 3(c) e 3(d) mostrano le ampiezze degli impulsi e gli spettri, da cui si può vedere che gli spettri hanno un ampio fondo finale e una fase parabolica liscia, che corrisponde a un impulso limite di trasformazione di 14,2 fs.
Fig. 3 Distribuzioni spettrali spaziali sull'asse x (a) e sull'asse y (b), nonché distribuzioni dell'ampiezza dell'impulso (c) e spettrali (d), per un risultato di allargamento e compressione dell'impulso con un'energia di 100 μJ in un MPC riempito con argon a 10 bar.
La Figura 4 mostra in dettaglio le variazioni spettrali e spot per ciascun viaggio di andata e ritorno dell'impulso attraverso il dispositivo a cavità multi-passaggio. Figura 4(a) 1/spettro è coerente con la modifica del parametro di pulizia spettrale e l'ampiezza spettrale di mezza altezza rimane costante dopo 10 viaggi di andata e ritorno, ma 1/spettro aumenta e lo spettro sembra avere una base più ampia. Il grafico in Fig. 4 (b) mostra il punto di uscita finale come una gaussiana perfetta. La Fig. 4 (c) mostra l'evoluzione della dimensione dello spot, che cambia gradualmente, garantendo la comprimibilità degli impulsi successivi.
La Fig. 4 (a) mostra l'evoluzione della diffusione spettrale dopo ogni viaggio di andata e ritorno; (b) mostra lo schema spaziale alla fine della propagazione; e (c) mostra il confronto delle dimensioni del fascio trasversale durante la propagazione senza gas (linea blu) e con gas (punti)
In questo articolo, viene dimostrato attraverso la simulazione numerica che quando si utilizza una cavità multi-pass per comprimere l'impulso, è possibile ottenere uno spettro ampio e pulito e un impulso compresso di alta qualità ottimizzando congiuntamente l'energia dell'impulso e la pressione del gas, che fornirà una guida per la successiva realizzazione di un pratico sistema di cavità multipasso.
