Lasersystem zum Betrieb einer OPCPA-Ultrakurzpuls-Anlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die beantragten Geräte stellen die Leistungsstufen eines selbstentwickelten Lasersystems dar, das die Vorteile optisch-parametrischer Verstärkungsverfahren für verschiedene experimentelle Anwendungen zur zeitaufgelösten Festkörperspektroskopie zur Verfügung stellen wird. Die zentralen Bestandteile des Systems sind (1) eine seed-Quelle (die Quelle der zu verstärkenden Pulse), (2) eine Kette nichtlinearer Kristalle (parametrischer Verstärker), und eine (3) pump-Quelle. Die zwei Komponenten Strecker und Kompressor wurden durch die Antragsteller entwickelt und durch Einsatz von Berufungsmitteln aufgebaut. Dafür wurden einzelne, kommerziell verfügbare Bauteile erworben. Die im Rahmen des Forschungsgroßgeräts beschafften Komponenten Ti:Saphir-Oszillator, Yb-bulk-Verstärker und Innoslab-Verstärker wurden 2013 erfolgreich in Betrieb genommen. Der dreistufige optische, parametrische Verstärker wurde seit 2014 in Kooperation mit der AG Baltushka (TU Wien) entwickelt und befindet sich aktuell im Aufbau. Die infrarote Strahlung (bis zur einer Wellenlänge von 3 µm) wird in einem zweistufigen parametrischen Prozess m nahen infraroten (OPA-NIR) und mittleren infraroten Spektralbereich (OPA-MIR) erzeugt. Beide OPA-Stufen bestehen jeweils aus 2 bis 3 Verstärkerstufen. Der Pumpkanal (Vorverstärker, Verstärker, zweite Harmonische) produziert Pulse mit 1 ps Dauer bei 1030 nm Wellenlänge (Fundamentale, mittlere Leistung bis 400 W) und 515 nm (zweite Harmonische, mittlere Leistung bis 30 W) mit denen OPA-MIR bzw. OPA-NIR gepumpt werden. Um unerwünschte nichtlineare Effekte oder Beschädigungen der Verstärker im pump-Kanal zu vermeiden wird der Puls vor der Verstärkung zunächst auf etwa 2 ns gestreckt und anschließend wieder komprimiert (chirped pulse amplification, CPA). Der Ti:Saphir-Laser (Ti:Sa-Osc) mit oktavenumspannender Bandbreite produziert seed-Pulse sowohl für den parametrischen Verstärker bei 800 nm, als auch für den pump-Kanal bei 1030 nm. Dadurch sind die pump-Pulse und die zu verstärkenden Pulse in den OPA-Kristallen gut synchronisiert. Dies gewährleistet eine hohe Effizienz bei der Umwandlung der pump-Photonen in den MIR Spektralbereich und die Erzeugung von verstärkter optisch parametrischer Fluoreszenz (amplified optical parametric fluorescence, AOPF). Die Anlage kann auf einer "hohen" (20 bis 300 kHz, Hauptbetrieb) oder "niedrigen" (Einzelschuss bis 1 kHz, Justage) Repetitionsrate betrieben werden. Abbildung 1 zeigt den aktuellen Status der Anlage. Die in dunkelgelb bezeichneten Elemente wurden bereits in beiden Betriebsmodi getestet. Die weiß-gelben Elemente befinden sich zur Zeit im Aufbau und waren bis jetzt bei einer niedrigen Repetitionsrate im Betrieb. Abb. 3 stellt die Spektren der Vorverstärkerstufe (Yb-bulk) und des Leistungsverstärkers (Innoslab) für die hohe und niedrige Wiederholrate dar. Das System soll zum Pumpen einer table-top Femtosekunden-Röntgenquelle benutzt werden. Eine breitbandige Emission im weichen Röntgenbereich erfolgt mittels Erzeugung höherer Harmonischer (HHG) in Edelgasen. Für die HHG sind mittlere Leistungen von 10-30 W (Repetitionsrate 20 kHz) bei Zentralwellenlängen von 2-3 μm mit Pulsdauern von einigen optischen Zyklen mit Stabilisierung der carrier-envelope Phase zur Verfügung zu stellen. Die Entwicklung dieser Röntgenquelle erfolgt in Kooperation mit JILA, Univ. Colorado, Boulder (M. M. Murnane, H. C. Kapteyn) und der Technischen Universität Wien (A. Baltushka). In einer früheren Zusammenarbeit haben diese Gruppen mit Hilfe eines mittelinfraroten Pumplasers HHG bis zu einer Photonenenergie von 1 keV demonstriert. Um Röntgenpulse auf ähnliche Art im Duisburger Labor zu erzeugen, wird zuerst die Laseranlage weiterentwickelt werden. Die Erzeugung der MIR Strahlung bei 3,5 µm Wellenlänge durch MIR / NIR OPA wird optimiert werden, sowie die Repetitionsrate und die mittlere Leistung bis auf 20 kHz bzw. 30 W erhöht werden (Energie pro Puls 1.5 mJ). Die Pulse werden auf 80 -100 fs komprimiert werden.
