核心概念
本文介紹了一個緊湊、穩定的雷射系統,該系統產生 2 µm、週期量級的脈衝,適用於強場實驗,例如高諧波產生和強場光發射。
摘要
雷射系統概述
本研究論文介紹了一個新穎的緊湊型雷射系統,能夠產生適用於強場實驗的 2 µm 週期量級脈衝。該系統採用三級參數放大/頻率轉換設計,由商用的 80 W Light Conversion Carbide 雷射作為泵浦源驅動。
系統設計與功能
該系統的核心是 Carbide 泵浦雷射,它提供 200 fs、1030 nm、400 µJ 的超短脈衝,重複率為 200 kHz。這些脈衝通過一系列三個主要階段:
- **白光產生:**一小部分 1030 nm 泵浦光聚焦到釔鋁石榴石 (YAG) 晶體中,產生寬頻超連續譜,作為後續頻率轉換階段的種子。
- **可見光非共線光參數放大器 (VIS-NOPA):**另一部分 1030 nm 光經過倍頻,用於泵浦 VIS-NOPA。通過利用龐廷向量補償幾何結構,可以放大白光種子的寬光譜範圍,產生 630-730 nm 的可見光脈衝,脈衝能量約為 3.5 µJ。
- **差頻產生 (DFG) 和放大:**VIS-NOPA 輸出脈衝與一部分 1030 nm Carbide 雷射光在 BBO 晶體中進行差頻產生,產生中心波長約為 2 µm 的近紅外 (NIR) 脈衝。然後,這些 NIR 脈衝在最後一個放大級中被放大,使用 BBO 或 BiBO 晶體作為非線性介質,產生高達 30 µJ 的脈衝能量。
結果與效能
該雷射系統表現出出色的脈衝能量穩定性,在 2000 個連續脈衝中測得的輸出脈衝相對標準偏差 (RSD) 值為 0.19%。通過 d-scan 技術表徵,實現了低至 15.4 fs 的脈衝持續時間。此外,該系統還表現出良好的被動載波包絡相位 (CEP) 穩定性,在十分鐘內測得的均方根 (RMS) CEP 噪聲為 108 mrad。
強場實驗的應用
開發的雷射系統非常適合強場實驗,例如:
- **過渡金屬二硫屬化物 (TMD) 的強場電子光發射:**通過將 2 µm 脈衝聚焦到 TMD 樣品上,可以產生來自表面的非線性電子發射,從而可以研究激子動力學。
- **氣體中的高次諧波產生 (HHG):**高脈衝能量使 HHG 能夠在氣體中產生寬頻 XUV 輻射,截止能量高達 150 eV。
總結與未來方向
總之,本研究展示了一個緊湊、穩定且功能強大的雷射系統,能夠產生適用於各種強場應用的 2 µm 週期量級脈衝。該系統的設計簡化了實驗設置,同時保持了高性能。未來的研究方向包括通過主動 CEP 控制進一步提高 CEP 穩定性和優化 HHG 過程。
統計資料
該雷射系統產生的輸出脈衝能量高達 30 µJ。
測量了 2000 個連續脈衝的脈衝能量穩定性,相對標準偏差 (RSD) 為 0.19%。
使用 BBO 晶體放大時,最短脈衝持續時間為 19.5 fs。
使用 BiBO 晶體放大時,最短脈衝持續時間為 15.4 fs。
該系統的被動載波包絡相位 (CEP) 穩定性表現出 108 mrad 的均方根 (RMS) 噪聲。
通過模擬慢速 CEP 穩定迴路,RMS 噪聲可降至 60 mrad。
HHG 實驗中實現了高達 150 eV 的截止能量。
估計 XUV 光子的通量約為 5 × 10^6 光子/秒。
引述
"由於 λ2-比例的 HHG 過程截止能量 [11],現在可以達到遠高於 100 eV 的高光子能量 [12,13]。"
"與傳統的 Ti:Sa 光源相比,近年來對波長更長的近紅外至中紅外光源的需求有所增加。"
"由於實現的高脈衝能量,該系統的輸出脈衝可用於強場實驗。"