High-Power High-Repetition-Rate 1-µM Fiber Laser System for Strong-Field Physics and Mid-Infrared Generation

Abstract

Auf Grund der ultrakurzen Impulsdauern mit zugleich extremen Spitzenleistungen ist das Interesse an Ultrakurzimpulslasern für die Erforschung der Stark-Feld Physik in den letzten Jahrzehnten rapide gewachsen. Durch die Entwicklung des passiv modengekoppelten Lasers und der anschließenden technischen Weiterentwicklung, ist es routinemäßig möglich, ultrakurze Impulsdauern bei extremen Spitzenleistungen und zugleich optischer Phasenstabilität zu erreichen. Dies erschließt der Wissenschaft unzählige Anwendungsgebiete wie Bildgebung in lebender Materie, Spektroskopie-Verfahren in der Astronomie, Erzeugung hoher Harmonischer in Festkörpern, das Treiben von ultrakurzen Elektronen-Emissionsprozessen in Nanostrukturen oder der Licht-Materie Wechselwirkung in neuen Materialien. Ein Durchbruch in der Verstärkung ultrakurzer Laserimpulse, auch in Faserlasern, war die Entwicklung der Verstärkung gechirpter Impulse, welche extrem hohe Spitzenleistungen ermöglichte. Faserlaser mit hoher Durchschnittsleistung basieren auf dieser Technik und realisieren diese durch die Verwendung photonischer Kristall-Verstärkungsfasern mit großen Modenquerschnitten. Diese Systeme finden zahlreiche Anwendung in der Stark-Feld Physik aufgrund ihrer Kompaktheit, Zuverlässigkeit und Stabilität. Des Weiterenkönnen Faserlaser mit hoher Spitzenleistung auch als Seedlaser für nachgeschaltete Festkörper-Verstärker oder als Vorstufen für nichtlineare Konversionsstufen dienen, die zur Erzeugung hoch intensiver Strahlung im mittleren Infraroten bis in den Terahertz-Bereich, mit Anwendungen in der Terahertz-getriebenen linearen Elektronenbeschleunigung, verwendet werden können. Neben den zuvor genannten Eigenschaften zeichnen sich die Lasersysteme auch durch hohe Repetitionsraten aus, die bei vielen Stark-Feld Experimenten zu extrem erhöhtem Photonenfluss und verbessertem Signal-zu-Rausch Verhältnis beitragen. Nichtsdestotrotz ist es immer noch eine technische Herausforderung parametrische Verstärker, mit ultrakurzen Impulsen, hoher Repetitionsrate und vor allem hoher Durchschnittsleistung zu realisieren, da thermische Effekte an Einfluss und Kristallgröße gewinnen. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Richtlinie für die Entwicklung eines dispersionsangepassten Faserlasers mit hoher Durchschnittsleistung bei 1µm Wellenlänge und variabler Repetitionsrate zu liefern. Des Weiteren soll gezeigt werden, wie dieser als Pumpquelle für die Erzeugung von ultrakurzen Impulsen im mittleren Infrarot-Bereich durch nichtlineare Frequenzkonversion dienen kann. Solche Quellen werden dringend für Stark-Feld Experimente benötigt. In dieser Arbeit wird ein Faserlasersystem mit MHz Repetitionsrate und Impulsenergie >55 µJ basierend auf der Methode der Verstärkung gechirpter Impulse demonstriert. Die Repetitionsrate kann zudem, durch einen akusto-optischen Modulator flexibel eingestellt werden. Durch die speziell designte Dispersion im System können die verstärkten Impulse mit Nanosekunden-Impulsdauern auf den Bandbreite-limitierten Wert mit einem Gitter-Kompressor reduziert werden. Außerdem wurde die neuartige Methode der pre-Chirp-angepassten Verstärkung von zirkular polarisiertem Licht erfunden und demonstriert. Diese Methode erlaubt es, 1.5-fach höhere Spitzenleistung bei gleicher nichtlinearer Phase, im Vergleich zu linear polarisierter Verstärkung, zu erzeugen. Außerdem, basierend auf optisch parametrischer Verstärkung wird ein Schema zur Erzeugung von Impulsen bei einer Wellenlänge von 2.1-µm bei MHz-Repetitionsrate demonstriert. Diese Impulse sind zudem passiv stabil in der Trägereinhüllenden-Phase und können auf ihr Bandbreitelimit komprimiert werden, wodurch sie nur noch wenige Lichtzyklen aufweisen. Der breitbandige 2.1-µm Seedimpuls wird in einer gechirpten Differenzfrequenzstufe erzeugt. Konzepte zur Erzeugung von noch längerwelliger Infrarotstrahlung werden ebenfalls aufgezeigt. Diese Arbeit demonstriert abschließend einen Weg zur Erzeugung ultrakurzer Impulse mit hoher Repetitionsrate, die den Anforderungen von vielen Stark-Feld Experimenten genügen, die hohe Intensitäten, hoher Photonenfluss und hohes Signal-zu-Rausch Verhältnis benötigen.

Because of their ultrashort pulse duration and extremely high peak power, interest in ultrashort pulse lasers for strong-field experiments has been rapidly increasing over the past decades. After the invention of passively mode-locked lasers, further developments of ultrashort pulses in achieving ultrashort pulse duration, extremely high peak power and phase stabilization enable scientists to do frontier research such as bio-imaging, astronomical spectroscopy, solid-state high-harmonic generation, optical-field-driven electron emission from nanostructures, light-matter interaction in new materials, etc. A breakthrough in pulse amplification of ultrashort laser pulses, including fiber lasers, to extremely high levels was accomplished through chirped-pulse amplification. High power fiber lasers realized by using large-mode-area photonic crystal gain fibers become popular in strong-field applications due their compactness, stability and perfect beam profile. Furthermore, high power fiber lasers can also serve as front-end lasers for subsequent solid-state laser amplifiers and nonlinear frequency conversion stages to enable applications such as high power mid-infrared generation, terahertz-driven linear electron acceleration, etc. High repetition rates are also a very important characteristic of ultrashort pulse lasers besides the pulse duration and the pulse peak power. This can extremely improve the photon flux and signal-to-noise ratio in many state-of-the-art strong-field experiments. However, especially in parametric amplifiers, realizing high repetition rate ultrafast lasers with high average power is still limited by the crystal size and remaining thermal effects. The aim of this thesis is to develop and provide a roadmap to build well dispersion managed, high power, repetition rate tunable 1-µm all-fiber lasers and mid-infrared lasers based on nonlinear frequency conversion. Such lasers are heavily needed in strong-field applications. Here, we demonstrate a MHz-level fiber laser system with >55 µJ pulse energy using chirped-pulse amplification. The repetition rate system can be further tuned, here reduced, by applying an acousto-optic modulator. Amplified pulses at ≈ns pulse duration can be compressed to near transform-limited duration with a grating pair compressor due to a well-engineered dispersion management. The method of hundred-watts-level circularly polarized pre-chirp managed amplification is invented and proven for the first time in this thesis. This method indicates that the peak power of the circularly polarized pulse can be amplified to 1.5 times higher than the linearly polarized pulse accumulating the same nonlinear phase. We also applied the method of optical parametric amplification to generate high repetition rate mid-infrared lasers using the high repetition rate, high power, 1-µm lasers. µJ-level, few-cycle, passively CEP-stable, 2.1-µm pulses at MHz-level repetition rate have been generated in dispersion-managed OPAs. The broadband 2.1-µm seed is generated from the chirped-pulse DFG stage. Ideas for further experiments to generate high repetition rate mid-infrared sources with much longer wavelength are also presented in this thesis. Our work paves the way to construct high repetition rate ultrafast sources satisfying the needs of many applications requiring high optical intensities, high photon flux and high signal-to-noise ratio.