Laserquellenentwicklung

Optisch-parametrische gechirpte Pulsverstärkung

OPCPA ist derzeit die einzige Technik, die gleichzeitig hohe Spitzen- und Durchschnittsleistung sowie Wenig-Zyklen-Pulse liefert.

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Produktbeschreibung

Von CPA zu OPCPA

Die mit dem Nobelpreis 2018 ausgezeichnete Chirped-Pulse-Verstärkung (CPA) für Hochenergielaser hat das gesamte Gebiet der Wissenschaft ultrakurzer Laser revolutioniert. Das CPA-Verfahren dient dazu, die Leistung ultrakurzer Pulse zu steigern und dabei optische Schädigung des Lasermediums zu vermeiden. Heute wird es in modernen Ultrakurzpuls-Laserverstärkersystemen weithin eingesetzt – sowohl in kompakten Lasersystemen wie CARBIDE und PHAROS als auch in großen Lasersystemen mit Petawatt-Spitzenleistung. Viele wissenschaftliche Anwendungen benötigen jedoch hochintensive Pulse in unterschiedlichen Spektralbereichen; dies führte zur Entwicklung der optisch-parametrischen Chirped-Pulse-Verstärkung (OPCPA).

Wie OPCPA eingesetzt wird

Das erste Proof-of-Concept-Experiment zu Streckung, Verstärkung und Kompression gechirpter Pulse in einem optisch-parametrischen Verstärker (OPA) wurde 1992 von einer Forschungsgruppe der Vilnius University unter Leitung von Prof. A. Piskarskas vorgeführt. Es wurde vorgeschlagen, hochenergetische Pumpulse zur Verstärkung gechirpter und gestreckter Signale in einem OPA zu nutzen und so die Leistung von Femtosekundenpulsen bis in den Terawatt-Bereich zu steigern. Seither hat sich OPCPA zu einer weithin anerkannten und rasch weiterentwickelten Verstärkungstechnologie für die Erzeugung hochleistungsfähiger Femtosekundenpulse entwickelt; Systeme erreichen inzwischen Petawatt-Spitzenleistungen. Die OPCPA-Technologie erzeugt nicht nur Pulse ultrahoher Leistung, sondern auch extrem kurze (wenigzyklische) Pulse, die experimentell im sichtbaren (VIS), nahinfraroten (NIR) und mittelinfraroten (MIR) Spektralbereich erhalten wurden. Derzeit ist OPCPA die einzige Lasertechnologie, die gleichzeitig hohe Spitzen- und Durchschnittsleistung sowie eine wenigzyklische Pulsdauer bereitstellt, wie sie die anspruchsvollsten wissenschaftlichen Anwendungen erfordern.

ORPHEUS-OPCPA als Frontend

Aufgrund inhärent kontrastreicher Ausgangspulse wurden OPCPA-Systeme auch als Frontends in einer Reihe von Lasern ultrahoher Intensität übernommen und bieten dabei bestimmte Vorteile gegenüber anderen Verfahren zur Verbesserung des zeitlichen Kontrasts. Pulse mit relativ hohem Kontrast nach optisch-parametrischen Verstärkern werden anschließend in Laserverstärkern bis zu ultrahohen Energien weiter verstärkt. Gestützt auf die Stabilität der Laser CARBIDE und PHAROS liefert ORPHEUS-OPCPA wenigzyklische, CEP-stabile Pulse in einem ebenso kompakten Gehäuse wie übliche parametrische Verstärker. ORPHEUS-OPCPA kann außerdem als Seed-Quelle für größere Verstärker dienen und hintergrundfreie Pulse mit Bandbreiten nahe einem einzelnen optischen Zyklus, ausgezeichneter spektraler Phasenkohärenz und CEP-Stabilität liefern.

SYLOS an ELI-ALPS

Ein weiteres OPCPA-Highlight ist der Single-Cycle-Laser SYLOS an ELI-ALPS (Extreme Light Infrastructure Attosecond Light Pulse Source). Das SYLOS-Lasersystem basiert auf OPCPA-Stufen, die von einem PHAROS-Femtosekundenlaser und einem Pikosekundenlaser getrieben werden. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass der PHAROS-Laser zwei Femtosekunden-OPAs pumpt. Der erste OPA erzeugt einen passiv CEP-stabilisierten Puls bei 1.3 µm zur Erzeugung eines CEP-stabilen Weißlichtkontinuums. Gleichzeitig verstärkt der zweite OPA das Weißlichtkontinuum im Spektralbereich 700–1000 nm und liefert einen kontrastreichen Seed-Puls für die nachfolgenden Stufen der optisch-parametrischen Chirped-Pulse-Verstärkung. Der auf 50 mJ Pulsenergie verstärkte und bei 850 nm Wellenlänge zentrierte Puls wird in einer Folge von Glasblöcken und gechirpten Spiegeln auf 10 fs Pulsdauer komprimiert. Sein Nachfolger, das Lasersystem SYLOS 3, liefert Pulse von etwa 120 mJ bei einer CEP-Stabilität von weniger als 250 mrad und einer Pulsenergiestabilität von weniger als 1 %.