Power Scaling of Enhancement Cavities for Nonlinear Optics [Elektronische Ressource] / Ioachim Pupeza. Betreuer: Ferenc Krausz

Ioachim Pupeza

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
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Extrait

Power Scaling of Enhancement Cavities
for Nonlinear Optics
Ioachim Pupeza
Munchen 2011Power Scaling of Enhancement Cavities
for Nonlinear Optics
Ioachim Pupeza
Dissertation
an der Fakultat fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universitat
Munchen
vorgelegt von
Ioachim Pupeza
aus Bucuresti, Rumanien
Munchen, den 8. September 2011Erstgutachter: Prof. Ferenc Krausz
Zweitgutachter: Prof. Theodor W. Hansch
Tag der mundlichen Prufung: 7. Oktober 2011 Contents
Zusammenfassung vii
Abstract viii
1 Introduction 1
1.1 About Light: From the Genesis to the Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Motivation: Enhancement of Nonlinear Processes
in Passive Optical Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Overview of the Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Structure of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Theoretical Background 9
2.1 Passive Enhancement of Ultrashort Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Ultrashort Pulses from Mode-Locked Lasers . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Passive Enhancement in an External Cavity . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3 Interferometric Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.4 Transverse Modes, Cavity Scan and Quasi-Imaging . . . . . . . . . 24
2.2 High-Harmonic Generation (HHG) in a Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1 The Three-Step Model and Phase-Matching . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.2 Scaling Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Objectives of the Experiment and Technological Challenges 35
3.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 Power and Bandwidth Scaling of an Empty Cavity . . . . . . . . . 36
3.2.2 Inclusion of a Gas Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.3 XUV Output Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Experimental Setup and Results 41
4.1 Yb-Based CPA System with 80 MHz, 200 fs, 50 W . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.1 The Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.2 Chirped-Pulse Amplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2 The Enhancement Cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45vi Contents
4.2.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.2 Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Power Scaling of the Empty Cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 XUV Output Coupling Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.1 Brewster Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.2 WOMOC: Wedge-On-Mirror Output Coupler . . . . . . . . . . . . 58
4.4.3 Direct On-Axis Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.4 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 XUV Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.1 Intracavity Gas Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5.2 XUV Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.3 XUV Generation - First Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 Outlook 67
5.1 Further Power Scaling of Enhancement Cavities . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.1 Novel Cavity Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.2 Novel Laser Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2 Power Scalable XUV Output Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2.1 Thin Plates and WOMOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2.2 Mirrors with Apertures, Direct Output Coupling . . . . . . . . . . . 73
5.3 Towards Isolated as-Pulses Using fs-Enhancement Cavities . . . . . . . . . 74
5.4 Other Experiments with High-Power Enhancement Cavities . . . . . . . . 76
6 Included Publications 77
7 Appendix 125
7.1 Experiments Involving Enhancement Cavities . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 An Example of Comb-Cavity Detuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.3 Overview of XUV Output Coupling Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.4 Data Archiving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Bibliography 133
Acknowledgements 144
Curriculum Vitae 146
Publications 2007-2011 147Zusammenfassung vii
Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Femtosekunden Uberhohungsresonator (UR) ent-
wickelt und die Skalierung dieser Technologie zu hohen Leistungen untersucht. Der UR
wurde zur Erzeugung koharenter extrem ultravioletter (XUV) Strahlung mittels Genera-
tion hoher Harmonischer (HHG) in einem Gas als nichtlineares Medium eingesetzt.
UR sind optische Resonatoren, in welchen kontinuierliche Laserstrahlung oder Pulse
eines Frequenzkamms koharent uberlagert werden. Im Falle des Frequenzkamms entsteht
im Resonator ein leistungsstarker Puls, der mit der Repetitionsrate des Eingangspulszuges
(mehrere zehn MHz) zirkuliert. Die Leistungsuberhohung, die durch die Verluste und die
Dispersion des Resonators beschrankt ist, betragt ublicherweise bis zu drei Gro enordnun-
gen. Somit sind UR ideal zum Treiben nichtlinearer Prozesse mit niedrigen Konversionsef-
zienzen geeignet, da das nicht konvertierte Licht nach jeder Interaktion mit dem nicht-
linearen Medium wiederbenutzt wird, was hohe Intensitaten im Resonator aufrechterhalt.
UR, gekoppelt an leistungsstarke Laserquellen, die Pulse mit multi-MHz Repetitionsraten
im Sichtbaren und ins Infrarote emittieren, bieten die Aussicht, diese Strahlung mit ho-
hem Wirkungsgrad in Regionen des elektromagnetischen Spektrums zu konvertieren, in
denen Laserubergange entweder selten oder ine zient sind. Insbesondere wurde die Ent-
wicklung von UR im letzten Jahrzehnt durch die Aussicht auf kompakte, leistungsstarke
koharente Strahlungsquellen fur das Vakuum UV, XUV und weiche Rontgenstrahlung mit-
tels HHG, sowie fur das mittlere und ferne Infrarot mittels Di erenzfrequenzmischung
motiviert. Beim gegenwartigen Stand der Entwicklung sind allerdings die fundamentalen
Grenzen dieser Technologie bei weitem nicht erreicht.
Der in dieser Arbeit vorgestellte UR wird mit einem Yb-basierten Lasersystem mit
einer Repetitionsrate von 78 MHz angeregt und unterstutzt Pulsedauern von 200 fs und
2 ps bei Durchschnittsleistungen von 20 kW bzw. 72 kW, begrenzt durch intensitatsbed-
ingte E ekte in den Spiegeln. Bis heute ist dies das h ochste Leistungsniveau, welches mit
ultrakurzen Pulsen bei einer multi-MHz Repetitionsrate erreicht wurde und es entspricht
einer Steigerung von etwa einer Gro enordnung gegen uber dem Stand der Entwicklung am
Anfang dieser Arbeit in 2007. Weiterhin wurde die erste hochsensible Messmethode fur
die Umlaufdispersion in einem UR entwickelt, die Messungen bei voller Leistung erlaubt.
Damit wurden die intensitatsbedingten Limitierungen der Leistungsskalierung bestatigt.
Eine der gro ten Herausforderungen der UR-gestutzten XUV-Erzeugung ist die Auskop-
plung der im Resonator erzeugten hohen Harmonischen. Als Teil dieser Arbeit wurden
neue Methoden entwickelt, die die Aussicht auf eine Erweiterung der aktuellen Limitierun-
gen bezuglich Leistungsskalierung und Auskoppele zienz bieten. Erste HHG Experimente
wurden durchgefuhrt und eine gute Ubereinstimmung mit der Theorie wurde festgestellt.
Diese Ergebnisse stellen Meilensteine dar, auf dem Weg zu leistungsstarken, kompakten
Strahlungsquellen fur Spektralbereiche in denen Anwendungen bisher nur mit Synchrotrons
oder Freie-Elektronen-Lasern demonstriert wurden. Zusatzlich zur Kompaktheit bietet die
Strahlungserzeugung in UR den Vorteil ultrakurzer Pulse bei hohen Repetitionsraten. Dies
ero net neue M oglichkeiten fur die Grundlagenforschung, insbesondere in der Attosekun-
denphysik und der Frequenzkammspektroskopie.viii Abstract
Abstract
In the course of this work, a femtosecond enhancement cavity (EC) was developed and
scaling the intracavity power to very high values was investigated. The EC was then
used for the generation of coherent extreme ultraviolet (XUV) radiation via high-harmonic
generation (HHG) in a gas as a nonlinear medium.
EC’s are passive optical resonators in which continuous-wave laser radiation or pulses of
a frequency comb are coherently overlapped. In the case of a frequency comb this results
in one (or several) high-power pulse(s), circulating in the resonator with the repetition
rate of the initial pulse train of typically several tens of MHz. The enhancement, which is
limited by the cavity losses and chromatic dispersion, usually amounts to a few orders of
magnitude. This makes EC’s ideally suited to boost the e ciency of nonlinear processes
with low single-pass conversion eciency since the non-converted light is recycled after each
interaction with the nonlinear medium, thus sustaining high intracavity intensities. EC’s
coupled to high-power laser sources emitting multi-MHz-repetition-rate, phase-stabilized
femtosecond pulses, in the visible and infrared promise to e ciently convert the radiation
of these sources to regions of the electromagnetic spectrum, where direct laser action is