Efficient high energy laser-driven multicycle terahertz generation for accelerators

Abstract

Optisch erzeugte Multi-Cycle-Terahertz-Strahlung (MC-THz) hat das Potenzial, konventionelle Elektronenbeschleuniger und damit verbundene Forschungsgebiete zu revolutionieren. Bisherige Umwandlungseffizienzen von optischer zu THz-Strahlung sind derzeit zu niedrig, um ausreichend hohe Feldgradienten zur Beschleunigung von Elektronen auf hohe Energien zu erreichen. In dieser Arbeit wurde die MC-THz-Erzeugung durch Differenzfrequenzerzeugung (DFG) in Magnesiumoxid-dotiertem, periodisch gepolten Lithiumniobat (MgO:PPLN) und Rubidium-dotiertem, periodisch gepolten Kaliumtitanylphosphat (Rb:PPKTP) mittels eines Yb-basierten, speziell entwickelten Multilinienlasers untersucht. Dieser Ansatz erweist sich als vielversprechend, denn es konnte eine Steigerung der Konversionseffizienz auf 0,49% mit einer Pulsenergie von 30 μJ bei 0,29 THz und 0,89% mit einer Pulsenergie von 45 μJ bei 0,53 THz in MgO:PPLN sowie 0,16% mit einer Pulsenergie von 3 μJ bei 0,5 THz in Rb:PPKTP nachgewiesen werden. Diese Werte stellen die zum heutigen Stand höchsten je gemessenen Werte dar. Die Ergebnisse sind in sehr guter Übereinstimmung mit zweidimensionalen numerischen Simulationen. Desweiteren wurden Skalierungsexperimente mit einem kommerziellen Yb-basierten Laser (200 mJ, 500 fs, 50 Hz) durchgeführt. Eine Effizienz von 0,29% mit Pulsenergien von 260 μJ bei 0,35 THz in MgO:PPLN-Kristallen mit großer Apertur (10x15mm2) konnte demonstriert werden, obwohl dabei eine bekannterweise weniger effiziente THz-Erzeugungsmethode, die optische Gleichrichtung, benutzt wurde. Dies ist die höchste nachgewiesene Effizienz basierend auf optischer Gleichrichtung für MC-THz Strahlung. Darüber hinaus wurde die periodische Polung des nichtlinearen Mediums auch über ein Wafer-Konzept erfolgreich realisiert. Dadurch war es möglich KTPund LN-Wafer mit Aperturgrößen von 1” und 10x15mm2 zu verwenden, um so die Pumpenergie im Vergleich zu herkömmlichen Kristallen hoch zu skalieren. Dabei wurden zwei Methoden für die effiziente Benutzung des Pumplasers untersucht: Einerseits wurden Wafer-Stapel hintereinander gereiht und vermessen, andererseits eine Methode zur geseedeten MC-THz- Erzeugung über einen rückreflektierten THz-Strahl getestet. In beiden Fällen konnte eine erhöhte Effizienz beobachtet werden. Besonders im zweiten Fall konnte eine Effizienz von 0,29% mit einer Pulsenergie von 280 μJ bei 0,16 THz erreicht werden, dreimal mehr als im Vergleich zum ungeseedeten Fall. Diese Ergebnisse sind entscheidend für die Realisierung kompakter, auf THz-Strahlung basierender Elektronenbeschleuniger der nächsten Generation.

Optically generated, narrowband multi-cycle terahertz (MC-THz) radiation has the potential to revolutionize electron acceleration, X-ray free-electron lasers, advanced electron beam diagnostics and related research areas. However, the currently demonstrated THz generation efficiencies are too low to reach the requirements for many of these applications. In this project, a MC-THz generation approach via difference frequency generation (DFG) driven by a laser with a multi-line optical spectrum was investigated with the aim of increasing the conversion efficiency. For this purpose, a home-built, Yb-based laser source with a multi-line optical spectrum was developed. This laser source was amplified to tens-of-millijoule using a regenerative and a four-pass amplifier; it was used to generate MC-THz in magnesiumoxid-doped periodically poled lithium niobate (MgO:PPLN) and rubidium-doped periodically poled potassium titanyl phosphate (Rb:PPKTP). With this laser system, the highest optical-to-THz conversion efficiencies (CE) of 0.49% with a pulse energy of 30 mJ at 0.29 THz, and 0.89% with a pulse energy of 45 mJ at 0.53 THz in MgO:PPLN were achieved. These results compare well with 2-dimensional numerical simulations. In addition, Rb:PPKTP, which has a promising figure-of-merit compared to MgO:PPLN, achieved a CE of 0.16% with a pulse energy of 3 mJ at 0.5 THz. Next, to scale this laser system to tens of millijoule MC-THz output, large aperture crystals for both MgO:PPLN and Rb:PPKTP were investigated using a commercial laser, producing 200 mJ with a pulse duration of 500 fs at 1030 nm; although in this case an older method of optical rectification (OR) was used, achieving less efficiency than the multi-line source. With MgO:PPLN crystals of aperture size 10x15mm2, a CE of 0.29% at 0.35 THz was achieved with a pulse energy of 260 mJ. This is the highest known CE value using OR. In addition, wafer-stacks with alternating crystal-axis orientation of aperture size of 1” for LN and 10x10mm2 for KTP were successfully tested. Two novel experiments were performed with LN wafers: multi-stage wafer-stacks in a serial configuration with multi-output THz radiation and back-reflected seeded MC-THz generation. Both methods improved the efficiency of the MC-THz generation, compared to a single stack. In particular, for the backreflected seeded MC-THz generation, pulse energies of 280 mJ with a CE of 0.29% was achieved; thus demonstrating the potential of seeded MC-THz generation. These achievements are an important step for the realization of next-generation, THz-driven electron accelerators.