고에너지 5fs 미만 펄스에 대한 액세스 간소화

Coherent Astrella는 최신 시대의 원박스 티타늄:사파이어 초고속 증폭기의 예입니다. Astrella는 35fs 미만의 펄스 폭, 파장 800nm, 반복률 1kHz에서 펄스당 7mJ 이상을 생성할 수 있습니다. 모든 레이저 구성 요소는 소형(26cm x 79cm x 125cm) 헤드에 들어 있습니다. 여기에는 원박스 Vitara 발진기, Pulse Picker, 스트레처, Coherent Revolution Q 스위치 Nd:YLF 레이저 및 출력 압축기로 펌핑되는 재생 증폭기가 포함됩니다. 이 특정 아키텍처는 안정적인 재생 증폭기 공동(예: 멀티패스 증폭기와 비교)을 통해 달성할 수 있는 빔 품질과 안정성으로 인해 여기에 설명된 작업과 같이 광학적으로 까다로운 응용 분야에 이상적입니다. 안정적인 HFC 출력을 보장하고 섬유 손상을 방지하려면 중공 코어 섬유의 작은 입구 구멍에 집중할 수 있도록 대칭형 가우스 빔과 안정적인 빔 포인팅이 필요합니다. 이 실험 중에 측정된 Astrella 빔 품질은 M² <1.04였습니다.

Astrella의 안정성, 신뢰성, 빔 품질은 초고속 과학 분야에서 Coherent의 지속적인 산업 혁신의 일환으로 극대화되었습니다. 여기에서 우리는 산업용 레이저에서 오랫동안 입증된 방법, 재료, 관행을 적용합니다. 이 레이저는 처리량이 많은 제조 공정에 연중무휴 작동과 낮은 유지보수 요구 사항이 절대적으로 중요한 응용 분야에 사용됩니다. 이를 위해서는 레이저 안정성과 신뢰성에 대한 포괄적이고 끊임없는 접근 방식이 필요합니다. 예를 들어, 모든 작동 온도에서 레이저 광에 노출될 때 저아웃 가스성의 Astrella 재료를 선택합니다.

마찬가지로 중요한 것은 Astrella의 설계 및 제조(심지어 배송까지!), 광기계 구성 요소, 모든 하위 시스템이 모두 HALT/HASS 프로토콜을 사용해 최적화되었다는 것입니다. 다른 기술 분야에서 널리 사용되고 존경받는 Coherent는 레이저 산업에서 HALT/HASS 정량적 방법 사용을 개척했습니다. 사이드바를 참조하세요.

결과적으로 Astrella는 낮은 출력 잡음(0.5% rms)과 드리프트, 뛰어난 빔 포인팅 안정성(<10 µrad rms)을 제공합니다. 길고 복잡한 데이터 실행, 심지어 며칠이 걸리는 2D 및 3D 분광학 연구에서도 그대로 작동할 수 있습니다.

최적화된 중공 섬유 압축기

이 데모 실험에서 Astrella 증폭기의 출력 펄스(35fs 펄스 폭 및 1kHz 반복률)는 HFC에 집중되었습니다. 이는 비활성 가스를 포함하는 중공 섬유에서 자체 위상 변조(SPM)로 인한 스펙트럼 확장을 활용합니다. 섬유는 유전체 도파관 역할을 하여 빔을 제한하고, 고강도에서 긴 상호 작용 길이를 허용합니다. 이 확립된 접근 방식은 kHz 반복률에서 고출력(최대 5mJ), 소수 주기 레이저 펄스를 생성할 수 있는 것으로 입증되었습니다.

여기에는 차동 펌핑식 중공 섬유가 사용되었습니다. Tisch 등이 개척한 것처럼 차동 펌핑은 중공 섬유 모세관의 낮은 가스 전도도를 사용하여 차동 펌핑을 통해 섬유를 따라 압력 구배를 유지하고 입구에서 진공을 유지합니다. 이렇게 하면 레이저 강도가 가장 높은 섬유 입구에서 플라즈마 형성이 감소합니다. (정적으로 가스가 채워진 중공 섬유에서 입력 측의 플라즈마가 형성되면 입구에서 초점의 크기와 위치를 최적에서 변경하여 결합 효율과 샷 간 안정성이 모두 감소합니다.) 그림 1에 개략적으로 표시된 것처럼 HFC 출구에 별도의 가스로 채워진(헬륨 또는 네온) 셀이 있어 입구 셀에서 진공(<1mbar)을 유지하면서 섬유를 따라 압력 구배가 설정될 수 있습니다.

이 실험에서 Astrella 출력 펄스는 1m 초점 거리의 광대역 반사 방지 코팅 렌즈에 의해 집중되었으며 능동 안정화 없이 0.5mm 두께의 용융 실리카 AR 코팅 입구 창을 통해 진공 내부 셀에 수용된 1m 길이의 중공 코어 용융 실리카 섬유(내부 반경 a = 125µm)의 입구로 유도되었습니다. 초점의 가우스 빔 웨이스트는 약 160μm로 측정되었으며, 중공 코어 섬유에 최적의 에너지 결합을 위한 조건 w0 = 0.64a를 충족하고 초점 강도가 약 1014W/cm²가 되었습니다. 정확한 강도는 펄스 에너지에 따라 달라지며, 이 실험에서 Astrella 시스템의 압축기 앞에 일시적으로 배치된 λ/2 파장판을 통해 0.5~7mJ 범위에서 지속적으로 조정될 수 있습니다. 시스템은 Astrella 증폭기의 높은 안정성 입력 빔과 차동 펌핑식 중공 섬유의 조합으로 인해 사용자의 능동 피드백이나 재조정 없이 캠페인 기간 동안 매일 지속해서 실행될 수 있었습니다.

네온의 경우, 이 HFC 설정의 SPM은 550~1000 nm 범위를 포괄하는 대역폭을 생성했습니다. 이러한 광대역 펄스는 0.5mm 용융 실리카 브루스터 창을 통해 가스 셀에서 나온 후 모두 압축되었으며 완전한 시간 및 위상 프로파일은 d-scan 블루(Sphere Ultrafast Photonics, Porto, Portugal) 시스템을 사용하여 결정되었습니다. 

d-scan 펄스 압축기/펄스 시간 측정

펨토초 펄스의 다양한 측면을 특성화할 수 있는 여러 접근 방식이 있지만 이 시연에 사용된 d-scan 블루 장치는 (단일 주기 펄스까지의) 세계 기록 지속 시간을 가진 소수 주기 체계에서 펄스를 측정하고 압축하는 기능을 포함하여 여러 가지 이점을 제공했습니다. 전반적인 사용 용이성과 속도로 인해 d-scan은 HCF 측정 및 최적화를 위한 완벽한 도구입니다. 첫째, 단일 장치에서 압축/제어와 시간 측정을 모두 수행할 수 있습니다. 둘째, 입력 빔 정렬 불량(± 몇 도까지도)을 매우 잘 견디므로 설정이 빠른 강력한 독립형 도구입니다. 셋째, 킬로헤르츠 펄스 반복률에 대해 1분 이내에 완전한 펄스 특성(위상 및 진폭)을 제공하여 속도가 빠릅니다. 또한 사용자는 특별한 펄스 계측학 전문 지식 없이도 가능한 가장 짧은 펄스 폭을 생성하기 위해 푸시 버튼 최적화 옵션을 사용할 수 있습니다.

또한 d-scan 방법은 보다 까다로운 사용자에게 상세한 펄스 특성 데이터 세트를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 사용자는 모든 핵심 파장, 위상, 강도 매개변수의 플롯을 출력하여 강도 대 파장, 강도 대 시간, 위상 대 파장, 위상 대 시간의 플롯을 제공할 수 있습니다. 따라서 d-scan 기기는 펄스의 깨짐이 있는지 확인하고 펄스의 전체 위상, 즉 3차 분산(TOD) 및 4차 분산(FOD)을 포함한 모든 차수에 대한 잉여 분산도 기록할 수 있습니다.

다른 펄스 시간 측정 방식과 마찬가지로 d-scan 장치는 광학 효과를 사용하여 위상 정보를 광검출기 배열에서 감지할 수 있는 진폭 신호로 변환합니다. HCF 시스템에 적합한 d-scan 모듈은 변환 단계에 있는 한 쌍의 얇은 유리 웨지를 포함하는 처프 미러 압축기로 구성되어 정파장 분산 및 역파장 분산을 모두 제공합니다. 펄스가 압축기를 통과한 후 작은 부분이 비선형 결정에서 2차 고조파를 겪고 결과 스펙트럼이 도입된 분산의 함수로 측정되어 펄스의 온라인 모니터링이 가능해집니다. 최대 압축 지점 주변의 다양한 입력 위상(유리 삽입)에 대한 비선형 신호의 스펙트럼을 측정하여 2차원 흔적(d-scan 흔적 – 그림 3 "측정 완료")을 얻어 반복 알고리즘을 통한 펄스 스펙트럼 위상의 전체 검색이 가능합니다(그림 3 "검색 완료"). 작동 시 d-scan 장치는 최적의 압축 값, 즉 얻을 수 있는 가장 짧은 펄스 폭 주변의 유리 웨지 분산을 자동으로 스캔합니다. 그러면 내부 알고리즘이 SHG 스펙트럼을 처리하고 완전한 위상/강도/파장/시간 데이터 세트를 도출합니다.

예비 데이터에 관한 논의

이 설정을 사용한 첫 번째 실험에서 연구원들은 1.5mJ의 입력 펄스 에너지를 사용할 때 HFC 출력 에너지가 0.7mJ인 6fs 미만 펄스를 시연했습니다. 그들은 이 출력 전력이 네온 가스의 이온화에 의해 제한된다는 것을 확인했습니다. 헬륨을 비선형 매체로 사용하면 증가한 출력 전력을 얻을 수 있습니다. 헬륨은 이온화 잠재력이 크지만 비선형 지수 즉, SPM 효율이 더 낮습니다. 비선형 매체로 (HFC 출구에서) 3.4bar 헬륨을 사용하고 5mJ의 입력 펄스 에너지를 사용하여 2mJ의 HFC 출력 에너지로 6fs 펄스를 달성했습니다. Tisch는 더 큰 직경의 HFC를 사용함으로써 미래에는 더 큰 출력 에너지가 가능할 것이며, 이를 통해 섬유 내 강도를 높이지 않고도 전달된 에너지의 양을 늘릴 수 있다고 말했습니다.