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Einfacherer Zugang zu Pulsen unter 5 fs und mit hoher Energie

Die hohe Pulsenergie und Langzeitstabilität eines Astrella-Ultrafast-One-Box-Verstärkers von Coherent, zusammen mit einem neuartigen Hohlfaserkompressor und einem einsatzbereiten Kompressor/D-Scan-Messsystem, bieten einen einfacheren Weg zu ultrakurzen (unter 5 fs) Pulsen.

Überblick

Damit Ultrafast-Pulse für einen möglichst breiten Anwendungsbereich zugänglich gemacht werden können, hat Coherent ein umfassendes Programm von Designmethoden, Materialqualifizierung und -beschaffung sowie HALT/HASS-Testprotokollen eingeführt, das unter dem Namen „Industrial Revolution in Ultrafast Science“ (industrielle Revolution in der Ultrafast-Wissenschaft) läuft. Dieser Ansatz betont die Leistung, die Einfachheit der Bedienung, die Wiederholbarkeit und die Zuverlässigkeit. Die Astrella Kilohertz-Verstärker sind herausragende Beispiele für diese Revolution. Sie bieten den ersten einsatzbereiten Zugang zu Pulsbreiten von bis zu 35 fs mit Pulsenergien von bis zu 10 mJ bei den neuesten Modellen. Einige wichtige neue Anwendungen in der Physik, Photochemie und Materialwissenschaft benötigen jedoch noch kürzere Pulse und/oder höhere Spitzenleistungen – zum Beispiel, um Attosekunden-Röntgenpulse zu erzeugen oder Bursts relativistischer Elektronen zu erzeugen. Wir zeigen in diesem Artikel, wie Professor John Tisch und Dr. Daniel Walke vom Imperial College of London in Zusammenarbeit mit Coherent und Sphere Ultrafast Photonics die Einfachheit und stabile Strahlqualität eines Astrella-Verstärkers genutzt haben, um Pulsbreiten von 5 fs mit Pulsenergien von bis zu 2 mJ zu erreichen. Erreicht wurde dies durch die Kombination der Astrella mit einem Hohlfaser-Pulskompressor (HFC) der nächsten Generation und einem handlichen Pulskompressor/D-Scan-Messsystem. Somit bietet dieses relativ einfache und kompakte System einen unkomplizierten Zugang zu einem Pulsbreiten-/Spitzenleistungsbereich, der bis vor kurzem nur in einer Handvoll spezialisierter Laserlabors verfügbar war.

Astrella-integrierter Verstärker

Diese Demonstration wurde in der Anlage von Coherent in Santa Clara durchgeführt. Abbildung 1 zeigt zusammenfassend, dass die drei Hauptkomponenten des experimentellen Aufbaus ein Astrella-Verstärker, ein kundenspezifischer HFC der Gruppe von Professor Tisch zur Erweiterung der Bandbreite und ein Kompressor/Metrologie-D-Scan-System von Sphere Ultrafast Photonics zur gleichzeitigen Messung und Optimierung (d. h. Rekomprimierung) der endgültigen Ausgangspulse sind.

Abbildung 1. Versuchsaufbau für die Erzeugung und Messung von 5-fs-Pulsen. Der Ausgang eines Coherent Astrella-Verstärkers wird durch eine Linse (f=1 m) in eine differenziell gepumpte Hohlkernfaser mit 250 μm Innendurchmesser fokussiert, die entweder mit Neon- oder Heliumgas unter Druck gesetzt wird. Die Pulsenergie vom Astrella wurde über einen Bereich von 0–7 mJ mit einer Wellenplatte-Polarisator-Kombination gesteuert (nicht gezeigt). Der spektral verbreiterte Ausgang der Hohlkernfaser wird durch einen konkaven Silberspiegel (f=0,75 m) neu kollimiert, bevor er sowohl komprimiert als auch durch das D-Scan-Blue-System gemessen wird. Für den D-Scan Messkopf wird nur eine durchschnittliche Leistung von wenigen mW benötigt. Daher werden Strahlteiler verwendet, um den wattstarken (~1 mJ bei 1 kHz) Strahl aus der Hohlfaser abzutasten. Der in den Strahlabzug eintretende Strahl würde im Allgemeinen für Experimente zur Verfügung stehen.

Der Coherent Astrella ist ein Beispiel für die neueste Generation von Ultrafast-Verstärkern mit einer Titan-Saphir-Box. Der Astrella ist in der Lage, über 7 mJ pro Puls bei einer Pulsbreite <35 fs, einer Wellenlänge von 800 nm und einer Wiederholrate von 1 kHz zu erzeugen. Sämtliche Laserkomponenten befinden sich in dem kompakten Kopf (26 cm x 79 cm x 125 cm). Dazu gehören ein Vitara-One-Box-Oszillator, ein Pulspicker, ein Pulsdehner und ein regenerativer Verstärker, der von einem gütegeschalteten Nd:YLF-Laser der Revolution-Serie von Coherent gepumpt wird, sowie ein Ausgangskompressor. Diese spezielle Architektur ist ideal für optisch anspruchsvolle Anwendungen wie die hier beschriebene Arbeit, da die Strahlqualität und -stabilität, die mit einer stabilen regenerativen Verstärkerkavität erreicht werden kann (im Gegensatz z. B. zu einem Multipass-Verstärker). Ein symmetrischer Gauß-Strahl und eine stabile Ausrichtung des Strahls sind erforderlich, um eine enge Fokussierung in die kleine Eingangsöffnung der Hohlkernfaser zu ermöglichen – um eine stabile HFC-Leistung zu gewährleisten und Schäden an der Faser zu vermeiden. Die während dieser Experimente gemessene Strahlqualität des Astrella betrug M² < 1,04.

Abbildung 2. Der integrierte Astrella-Verstärker zeichnet sich durch einen Ausgangsstrahl mit niedrigem M²-Wert, hohe Ausrichtungsstabilität und geringes Ausgangsrauschen aus. Der Ausschnitt zeigt typische Nahfeld-M²-Daten.

Die Stabilität, Zuverlässigkeit und Strahlqualität des Astrella wurde im Rahmen der laufenden industriellen Revolution in der Ultrafast-Wissenschaft von Coherent maximiert. Dabei wenden wir Methoden, Materialien und Praktiken an, die sich seit langem bei unseren Industrielasern bewährt haben. Diese Laser werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen ein 24/7-Betrieb und geringe Wartungsanforderungen für Fertigungsprozesse mit hohem Durchsatz absolut entscheidend sind. Dies erfordert einen umfassenden und kompromisslosen Ansatz bei der Stabilität und Zuverlässigkeit des Lasers. Beispielsweise wählen wir die Materialien des Astrella so aus, dass sie bei jeder Betriebstemperatur und bei Einwirkung von Laserlicht nur geringfügig ausgasen.

Genauso wichtig ist, dass das Design und die Herstellung (und sogar der Versand!) des Astrella, seine optomechanischen Komponenten und jedes Teilsystem mit Hilfe von HALT/HASS-Protokollen optimiert wurden. Coherent ist in anderen Technologiebereichen weit verbreitet und anerkannt und hat in der Laserindustrie Pionierarbeit bei der Anwendung der quantitativen HALT/HASS-Methoden geleistet - siehe Seitenleiste.

Daher zeichnet sich der Astrella durch ein geringes Ausgangsrauschen (0,5 % rms) und eine geringe Drift sowie eine unübertroffene Stabilität der Strahlausrichtung (<10 µrad rms) aus: Das System kann bei langen und komplexen Datenläufen, sogar bei 2D- und 3D-Spektroskopiestudien, die sich über mehrere Tage erstrecken, ungehindert arbeiten.

Optimierter Hohlfaserkompressor

In diesem Demonstrationsexperiment wurden die Ausgangspulse eines Astrella-Verstärkers (35 fs Pulsbreite und 1 kHz Wiederholrate) in einem HFC fokussiert. Dabei wird die spektrale Verbreiterung ausgenutzt, die durch die Selbstphasenmodulation (SPM) in einer Hohlfaser mit Edelgas verursacht wird. Die Faser fungiert dabei als dielektrischer Wellenleiter, der den Strahl einschließt und eine lange Interaktionslänge bei hoher Intensität ermöglicht. Dieser bewährte Ansatz gestattet nachweislich die Erzeugung von Laserpulsen mit hoher Leistung (bis zu 5 mJ) und wenigen Zyklen bei kHz-Wiederholraten.

Dabei wurde eine differenziell gepumpte Hohlfaser verwendet. Das von Professor Tisch und anderen entwickelte differentielle Pumpen nutzt die geringe Gasleitfähigkeit der Hohlfaserkapillare, um durch differentielles Pumpen einen Druckgradienten entlang der Faser aufrechtzuerhalten und ein Vakuum am Eingang zu erzeugen. Dies reduziert die Plasmabildung am Fasereingang, wo die Laserintensität am höchsten ist. (In einer statisch gasgefüllten Hohlfaser würde die Plasmabildung auf der Eingangsseite andernfalls zu einer Verringerung der Kopplungseffizienz und der Shot-to-Shot-Stabilität führen, da sich die Größe und Position des Fokus am Eingang von seinem Optimum entfernt). Wie in Abbildung 1 schematisch dargestellt, ermöglicht eine separate gasgefüllte Zelle (Helium oder Neon) am Ausgang des HFC den Aufbau eines Differenzdruckgradienten entlang der Faser, während das Vakuum (<1 mbar) in der Eingangszelle erhalten bleibt.

In diesen Experimenten wurden die Astrella-Ausgangspulse durch eine breitbandige Linse mit Antireflexbeschichtung und einer Brennweite von 1 m fokussiert und ohne aktive Stabilisierung über ein 0,5 mm dickes, mit Quarzglas beschichtetes Eingangsfenster in den Eingang einer 1 m langen Quarzglas-Hohlfaser (Innenradius a = 125 µm) geleitet, die sich in einer evakuierten Zelle befand. Die Gaußsche Strahltaille im Fokus wurde mit ~160 µm gemessen. Dies erfüllt die Bedingung w0 = 0,64a für eine optimale Energieeinkopplung in eine Hohlkernfaser und führt zu Brennpunktintensitäten in der Größenordnung von 1014 W/cm². Die exakte Intensität hängt von der Pulsenergie ab, die mit Hilfe einer λ/2-Wellenplatte, die bei diesen Experimenten vorübergehend vor dem Kompressor des Astrella-Systems platziert wurde, kontinuierlich im Bereich von 0,5–7 mJ eingestellt werden konnte. Durch die Kombination des hochstabilen Eingangsstrahls aus dem Astrella-Verstärker und einer differenziell gepumpten Hohlfaser konnte das System an jedem Tag der Aktion ohne aktive Rückkopplung oder Neuausrichtung durch die Benutzer kontinuierlich laufen.

Im Falle von Neon ergab die SPM in dieser HFC-Anordnung eine Bandbreite, die den Bereich von 550–1000 nm abdeckte. Nach dem Verlassen der Gaszelle durch ein 0,5-mm-Brewster-Fenster aus Quarzglas wurden diese Breitbandpulse komprimiert und ihre vollständigen Zeit- und Phasenprofile mit einem D-Scan-Blue-System (Sphere Ultrafast Photonics, Porto, Portugal) bestimmt.

D-Scan-Pulskompressor/Pulszeitmessung

Es gibt mehrere Ansätze, die verschiedene Aspekte von Femtosekundenpulsen charakterisieren können, aber die D-Scan-Blue-Einheit, die in dieser Demonstration verwendet wurde, bot eine Reihe von Vorteilen, einschließlich der Fähigkeit, Pulse im Bereich von wenigen Zyklen mit Weltrekorddauern (bis hin zu Einzelzykluspulsen) zu messen und zu komprimieren. Die einfache und schnelle Handhabung macht D-Scan zum perfekten Werkzeug für die HCF-Messung und Optimierung. Erstens ermöglicht es sowohl die Komprimierung/Kontrolle als auch die zeitliche Messung in einem einzigen Gerät. Zweitens ist es ein robustes, in sich geschlossenes Gerät, das sehr tolerant gegenüber Fehlausrichtungen des Eingangsstrahls ist (sogar ± ein paar Grad) und daher schnell eingerichtet werden kann. Drittens ist es schnell und liefert eine vollständige Pulscharakterisierung (Phase und Amplitude) in weniger als 1 Minute für Kilohertz-Pulswiederholraten. Der Benutzer hat außerdem die Möglichkeit, per Knopfdruck die kürzestmögliche Pulsbreite zu erzielen, ohne dass spezielle Kenntnisse der Pulsmesstechnik erforderlich sind.

Außerdem kann die D-Scan-Methode dem anspruchsvollen Benutzer einen detaillierten Datensatz zur Pulscharakterisierung liefern. Zum Beispiel kann der Benutzer Diagramme aller wichtigen Wellenlängen-, Phasen- und Intensitätsparameter ausgeben, welche die Intensität im Vergleich zur Wellenlänge, die Intensität im Vergleich zur Zeit, die Phase im Vergleich zur Wellenlänge und die Phase im Vergleich zur Zeit darstellen. Das D-Scan-Instrument kann somit aufzeigen, ob es einen Pulsbruch gibt und auch die volle Phase der Pulse aufzeichnen, d. h. die Restdispersion in allen Ordnungen, einschließlich der Dispersion dritter Ordnung (TOD) und der Dispersion vierter Ordnung (FOD).

Wie andere Methoden zur Messung der Pulsdauer nutzt das D-Scan-Gerät optische Effekte, um Phaseninformationen in ein Amplitudensignal umzuwandeln, das von einem Photodetektor-Array erfasst werden kann. Die auf ein HCF-System zugeschnittenen D-Scan-Module bestehen aus einem Kompressor mit gechirptem Spiegel, der über ein Paar dünner Glaskeile auf Translationsstufen verfügt, die sowohl positive als auch negative Dispersion bieten. Nachdem die Pulse den Kompressor passiert haben, wird ein kleiner Teil in einem nichtlinearen Kristall der zweiten Harmonischen unterworfen. Das resultierende Spektrum wird als Funktion der eingeführten Dispersion gemessen, was eine Online-Überwachung der Pulse ermöglicht. Durch die Messung des Spektrums des nichtlinearen Signals für verschiedene Eingangsphasen (Glaseinsätze) um den Punkt der maximalen Kompression herum, erhält man eine zweidimensionale Spur (D-Scan-Trace – „gemessen“ in Abb. 3), die es ermöglicht, die spektrale Phase der Pulse über einen iterativen Algorithmus vollständig zu ermitteln („ermittelt“ in Abb. 3). Im Betrieb tastet die D-Scan-Einheit die Glaskeildispersion automatisch um den optimalen Kompressionswert herum ab, d. h. die kürzeste erreichbare Pulsbreite. Interne Algorithmen verarbeiten dann die SHG-Spektren und leiten daraus einen vollständigen Phasen-/Intensitäts-/Wellenlängen-/Zeit-Datensatz ab.

Diskussion der vorläufigen Daten

In einer ersten Reihe von Experimenten mit diesem Aufbau demonstrierten die Forscher Pulse unter 6 fs mit einer HFC-Ausgangsenergie von 0,7 mJ bei einer Eingangspulsenergie von 1,5 mJ. Sie stellten fest, dass diese Ausgangsleistung durch die Ionisierung des Neongases begrenzt wurde. Eine höhere Ausgangsleistung kann mit Helium als nichtlinearem Medium erreicht werden, das ein größeres Ionisierungspotenzial, aber auch einen niedrigeren nichtlinearen Index, d. h. eine geringere SPM-Effizienz, aufweist. Mit 3,4 bar (am HFC-Ausgang) Helium als nichtlinearem Medium erreichten sie 6-fs-Pulse mit einer HFC-Ausgangsenergie von 2 mJ bei einer Eingangspulsenergie von 5 mJ. Von Professor Tisch wurde angemerkt, dass in Zukunft höhere Ausgangsenergien möglich wären, wenn man einen HFC mit größerem Durchmesser verwenden würde, wodurch die Menge der übertragenen Energie erhöht werden könnte, ohne die Intensität innerhalb der Faser zu erhöhen.

Abbildung 3. Oben (links): Gemessen und (rechts): angepasste D-Scan-Daten von komprimierten Pulsen unter Verwendung einer differenziell gepumpten Hohlfaser (250 Mikrometer Durchmesser und 1 m Länge), die am Ausgang mit Neongas auf 3 bar unter Druck gesetzt wurde. Die Energie des Eingangslaserpulses betrug 1,5 mJ (1,5 W bei 1 kHz Pulswiederholrate) und die Energie des Ausgangspulses 0,77 mJ. Unten (links): Pulsspektrum und ermittelte spektrale Phase; (rechts) Ausgangspuls im Zeitbereich, begrenzter Fourier-Transformationspuls und ermittelter Puls, der eine Dauer von 5,1 fs FWHM aufweist.

Pulsdatensatz
Ermittelter Puls FWHM	5,1 fs
Fourier-Transformation begrenzter FWHM	4,5 fs
Relative Spitzenleistung	76.5%

Tabelle. Zusammenfassung der Impulsanalyse für den in Abbildung 3 gezeigten Datensatz. Die relative Spitzenleistung ist die Spitzenleistung des komprimierten Pulses im Vergleich zum idealen, durch Fourier-Transformation begrenzten Puls.

Abbildung 3 zeigt einige typische Daten aus dem mit Neon gefüllten HFC-Setup mit den allgemeinen Pulsparametern, die in der nebenstehenden Tabelle zusammengefasst sind. Die Abbildung zeigt die gemessenen D-Scan-Daten und die „ermittelte“ D-Scan-Trace, die durch den proprietären iterativen Algorithmus des D-Scan-Blue-Systems erhalten wurde. Diese speziellen Daten zeigen den Effekt einer gewissen Restdispersion dritter Ordnung (TOD) im Bereich von 40–60 fs², wie die kleine Neigung in der D-Scan-Trace zeigt, die zu einer relativen Spitzenleistung von 76 % im Vergleich zur idealen (Fourier-begrenzten) Kompression führt. Die Forscher gehen davon aus, dass sie bei den nächsten Experimenten durch Optimierung der HFC-Parameter und sorgfältiges Dispersionsmanagement, z. B. mit einer Wasserzelle, einen niedrigeren TOD, kürzere Pulsbreiten und höhere Spitzenleistungen erzielen können. Dank der einfachen Bedienung des D-Scan-Systems konnten die Forscher den Parameterraum für das HFC-System schnell durchforsten (z. B. Änderung des Gasdrucks und der Eingangspulsenergie) und dabei den Ausgangspuls überwachen. Dies bietet eine unkomplizierte Methode zur Optimierung der Leistung solcher HFC-Systeme.

Professor Tisch erklärt den Zusammenhang dieser ersten Ergebnisse: „Die meisten Nutzer von Hohlfasern injizieren etwa 1 mJ in ihre Fasern. Dies ist die typische Energiegrenze, wenn kein differentielles Pumpen eingesetzt wird, d. h. wenn die Hohlfaser mit einem gleichmäßigen Gasdruck gefüllt ist. Nur wenige Gruppen arbeiten mit HFCs, die deutlich über 2 mJ liegen. Und die, die dies tun, setzen auf differenzielles Pumpen. Ich denke, es ist auch wichtig zu erwähnen, dass wir in dieser Kampagne 5 mJ in eine Standardfaser einkoppeln konnten, und zwar ohne spezielle Anpassungen des Fasereingangs (wie sie von einigen anderen Gruppen verwendet werden) mit angemessener Effizienz und ohne die Hohlfaser zu beschädigen. Dies ist ein Beweis für die hervorragende Strahlqualität und die hohe Strahlpunktstabilität des Astrella.“

Zusammenfassung

Die kurze Geschichte der Ultrafast-Laserpulse zeigt, dass Fortschritte bei Lasern und verwandten Technologien einen routinemäßigen Zugang zu immer kürzeren Pulsbreiten und höheren Spitzenleistungen ermöglichen. Dieser einfache Zugang ist der Schlüssel, um diese Pulse aus dem Speziallaserlabor in das breitestmögliche Spektrum wissenschaftlicher Disziplinen zu bringen, von der Zellbiologie bis zur Teilchenphysik. Die neueste Generation integrierter Verstärker – wie der Astrella – ermöglicht bereits heute den einfachen Zugang zu verstärkten 35-fs-Pulsen im Millijoule-Bereich. Die hier beschriebene Arbeit weist hoffentlich den Weg zu einem weiteren Ultrafast-Meilenstein, bei dem Hochleistungspulse unter 5 fs routinemäßig in verschiedenen, aber ebenso wichtigen Zweigen der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt werden können.

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Der Einfluss von HALT/HASS auf die Laserstabilität und -zuverlässigkeit

Die sorgfältige Auswahl der Materialien und die Verbesserung der optomechanischen Komponenten und des Systemdesigns sind nur ein Teil der Gründe für die unübertroffene Zuverlässigkeit und den stabilen Betrieb des Astrella. Der Astrella wurde mithilfe eines technischen Protokolls namens Highly Accelerated Life Testing (HALT) entwickelt und optimiert. Dabei handelt es sich um einen bewährten Ansatz, bei dem ursprüngliche Komponenten- und Systemdesigns verbessert werden, indem Komponenten und Systeme bis zum Versagen getestet werden, der Fehlermechanismus bzw. die Fehlermechanismen analysiert werden, die Fehlerursache beseitigt wird und dann die harten Tests iterativ wiederholt werden, bis alle identifizierbaren Fehlermechanismen beseitigt sind.

Die Ergebnisse von HALT nutzen wir dann, um ein effektives Endprüfungsprotokoll zu entwickeln (HASS steht für Highly Accelerated Stress Screening), das Schwächen oder Fehler in der Produktherstellung ausschließt, ohne die Lebensdauer der an die Kunden ausgelieferten Geräte zu verkürzen. Zusätzlich zu anderen Tests werden die montierten Astrella-Laser in dieser Kammer einer strengen vorprogrammierten Routine mit schwankenden Vibrationen und plötzlichen Temperaturschwankungen unterzogen. Bei jedem Astrella, dessen Leistung sich am Ende der HASS-Tests in irgendeiner messbaren Weise verändert, wird der Versand verweigert.

Beweise aus zahlreichen Branchen bestätigen, dass eine erfolgreiche HALT/HASS-Prüfung ein vollständiges Eindringen erfordert. Coherent ist stolz darauf, der erste Hersteller wissenschaftlicher Laser zu sein, der in die Testhardware und -software für die HASS-Zertifizierung investiert hat; allein die Umwelttestkammer stellt eine beträchtliche Investition dar. Mit dem Astrella haben wir bewiesen, dass selbst ein so komplexes Produkt wie ein Ultrafast-Verstärker nach mehreren HALT-Iterationen und einer abschließenden HASS-Prüfung schließlich dieser unerbittlichen Verbesserung nachgibt und extreme Zuverlässigkeit und Langlebigkeit bietet.