Hocheffiziente und rauscharme Verstärkung ultrakurzer Pulse durch quasi-parametrische Verstärkung

Seit der frühesten Demonstration von Chirped-Pulse Amplification (CPA) und optisch parametrischer Chirped-Pulse Amplification (OPCPA) konnten Femtosekundenlaser ultrahohe Spitzenleistungen von bis zu zehn Petawatt (PW) liefern und damit den Weg für kompakte Teilchenbeschleuniger ebnen und Röntgenquellen.

Um die Spitzenleistungen weiter zu erhöhen, werden Laserverstärkungsschemata mit sowohl hoher Umwandlungseffizienz als auch großer Bandbreite benötigt. CPA-Laserverstärker leiden jedoch unter einer relativ schmalen Verstärkungsbandbreite, während OPCPAs unter einer relativ geringen Signaleffizienz oder Pumpverarmung aufgrund von Rückwandlung leiden.

In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Wissenschaft & Anwendungenein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Liejia Qian vom Key Laboratory for Laser Plasmas (MOE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, China, und Mitarbeiter haben ein Schema mit ultrahohem Wirkungsgrad und geringem Rauschen demonstriert quasi-parametrische Chirped-Pulse Amplification (QPCPA), eine Variation von OPCPA, indem der Idler mit starker Kristallabsorption dissipiert wird.

Die Idler-Verlustleistung behindert den Rückwandlungseffekt und ermöglicht die QPCPA-Leistung mit hoher Effizienz, großer Bandbreite und Robustheit gegenüber Phasenfehlanpassung. Sie demonstrierten experimentell eine Energieeffizienz von 56 % für ein 810-nm-Signal, das von einer 532-nm-Pumpe umgewandelt wurde, oder äquivalent 85 % Pumpenerschöpfung. Eine solche rekordhohe Verarmung unterdrückte das parametrische Superfluoreszenz-(PSF)-Rauschen in QPCPA stark auf nur etwa 10 –6 relativ zur verstärkten Signalenergie.

In ihrem Experiment wurde ein 8-cm-Sm:YCOB-Kristall mit der Ausrichtung für maximierten nichtlinearen Koeffizienten verwendet, der sowohl für die Pumpe als auch für das Signal transparent, aber für den Idler undurchsichtig war. Unter einer Pumpintensität von 3 GW cm−2 wurde die höchste Signaleffizienz von 56 % bei einer Seed-Intensität von ~7 MW cm−2 erreicht, was einer Pumpverarmung von 85 % entspricht.

Die demonstrierte Erschöpfung der QPCPA-Pumpe war ungefähr 2,5-mal so hoch wie die von OPCPA. Die starke Pumpverarmung durch effiziente Signalverstärkung unterdrückte signifikant die Erzeugung von PSF-Rauschen. Innerhalb der größten Signalausgabe von ~65 mJ war die gemessene PSF-Rauschenergie so niedrig wie ~10 μJ. Der Pulskontrast nach der Kompression sollte so hoch wie ~109 sein.

Prof. Ma, der Erstautor, erklärte, warum sie ein solches Verfahren „quasi-parametrische“ Verstärkung nannten: „Das QPCPA-Verfahren ist sehr interessant. Im gesättigten Verstärkungsregime steigt seine Effizienz mit der Seed-Intensität ohne Rückwandlung, ziemlich ähnlich wie die ’nicht-parametrische‘ Laserverstärkung. Im Kleinsignal-Verstärkungsregime erbt es jedoch alle parametrischen Verhaltensweisen von OPCPA. Das QPCPA kombiniert die Vorzüge von parametrischen und nicht-parametrischen Prozessen.“

„Da der Rückwandlungseffekt vollständig behindert wird, ist der QPCPA auch robust gegenüber Phasenfehlanpassung. Das bedeutet, dass QPCPA unempfindlich gegenüber Schwankungen der Pumpstrahlausrichtung und der Umgebungstemperatur ist. Dies kommt dem Betrieb mit hoher Wiederholungsrate von QPCPA zugute.“ er fügte hinzu.

„Mit seinem sehr großen Produkt aus Effizienz und Bandbreite kann das QPCPA-Schema, das auf einem großen Sm:YCOB-Kristall basiert, eine Spitzenleistung von bis zu 50 PW unterstützen, indem dieselbe Pumpenergie wie bei aktuellen Zehn-Petawatt-Laseranlagen verwendet wird, so QPCPA ein geeigneter Kandidat sein, um ultraintensive Laser über die derzeitige Zehn-Petawatt-Grenze hinaus voranzutreiben“, sagte Prof. Ma.