Регенеративный усилитель чирпированных фемтосекундных импульсов на основе кристалла Yb:CALYO для спектроскопии возбуждения-зондирования с высоким временным разрешением

Регенеративные усилители чирпированных фемтосекундных импульсов на основе материалов с ионами Yb³⁺ с диодной накачкой нашли широкое применение в различных отраслях науки, производства и медицины. Целью данной работы являлось исследование режима регенеративного усиления широкополосных чирпированных фемтосекундных импульсов в усилителе на основе кристалла Yb³⁺:CaYAlO . Используя в качестве задающего генератора лазер с пассивной синхронизацией мод, данные системы усиливают импульсы наноджоулевого диапазона энергий до субмилиджоулевого уровня благодаря методике усиления чирпированных импульсов. Большинство описанных в литературе систем усиления используют задающие генераторы, обеспечивающие фемтосекундные импульсы со спектральной полушириной в диапазоне 10–15 нм, что ограничивает минимальную длительность задающих импульсов на уровне 90 фс. В процессе регенеративного усиления длительность усиленных импульсов увеличивается до значений около 200 фс, что связано с сильным негативным влиянием эффекта сужения спектра импульса под воздействием полосы усиления активной среды усилителя. Применение кристаллов, имеющих широкие и гладкие полосы усиления в качестве активных сред систем усиления чирпированных фемтосекундных импульсов широкого спектрального диапазона, позволяет снизить негативный вклад эффекта сужения спектра импульса и приводит к сокращению длительности усиленных импульсов. В работе впервые представлены результаты исследования режима регенеративного усиления широкополосных чирпированных фемтосекундных импульсов в усилителе на основе кристалла Yb³⁺:CaYAlO . Получены импульсы длительностью 120 фс (спектральная полуширина 19,4 нм) со средней выходной мощностью системы усиления 3 Вт без применения методик компенсации эффекта сужения спектра усиливаемого импульса.

1. Breitling D., Föhl C., Dausinger F., Kononenko T., Konov V. Ultrashort Interaction with Materials. Femtosecond Technology for Technical and Medical Applications. F. Dausinger, F. Lichtner, H. Lubatschowski, eds. Springer, Berlin, 2004. doi: 10.1007/b96440

2. Russbueldt P., Mans T., Weitenberg J., Hoffmann H.D., Poprawe R. Compact diode-pumped 1.1 kW Yb:YAG Innoslab femtosecond amplifier. Opt. Lett., 2010, vol. 35, рр. 4169–4171. doi: 10.1364/OL.35.004169

3. Eidam Tino, Hanf Stefan, Seise Enrico, V. Andersen Thomas, Gabler Thomas, Wirth Christian, Schreiber Thomas, Limpert Jens, Tunnermann Andreas. Femtosecond fiber CPA system emihing 830 W average output power. Opt. Lett., 2010, vol. 35, pp. 94-96. https://doi.Org/10.1364/OL.35.000094

4. Fleischhaker R., Gebs R., Budnicki A., Wolf M., Kleinbauer J., Sutter D.H. Compact gigawatt-class sub-picosecond Yb:YAG thin-disk regenerative chirped-pulse amplifier with high average power at up to 800 kHz. 2013 Conference on Lasers and Electro- Optics – International Quantum Electronics Conference (Optical Society of America, 2013), paper CFIE_4_1. https://doi.org/10.1109/CLEOE-IQEC.2013.6801054

5. Schneider W., Ryabov A., Lombosi Cs., Metzger T., Major Zs., Fulop J.A., Baum P. 800-fs, 330 pj pulses from a 100-W regenerative Yb:YAG thin-disk amplifier at 300 kHz and THz generation in LiNbO^. Opt. Lett., 2014, vol. 39, pp. 6604-6607. https://doi.Org/10.1364/OL.39.006604.

6. Pouysegur J., Delaigue M., Honninger C., Zaouter Y., Georges P., Dmon F., Mottay E. Numerical and Experimental Analysis of Nonlinear Regenerative Amplifiers Overcoming the Gain Bandwidth Limi¬tation. Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, 2015, vol. 21, no. 1, pp. 212, 219. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2014.2321520

7. Caracciolo E., Pirzio F., Kemnitzer M., Gorjan M., Guandalini A., Kienle F., Agnesi A., Aus Der Au J. 42 W femtosecond Yb:Lu2O3 regenerative amplifier. Opt. Lett., 2016, vol. 41, pp. 3395–3398. https://doi.org/10.1364/OL.41.003395

8. Caracciolo E., Kemnitzer M., Guandalini A., Pirzio F., Aus der Au J., Agnesi A. 28-W, 217 fs solid-state Yb:CAlGdO regenerative amplifiers. Opt. Lett., 2013, vol. 38, pp. 4131–4133. https://doi.org/10.1364/OL.38.004131.

9. Raybaut P., Balembois F., Druon F., Georges P. Numerical and experimental study of gain narrowing in ytterbium-based regenerative amplifiers. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2005, vol. 41, no. 3, pp. 415– 425. doi: 10.1109/JQE.2004.841930

10. Kim G.H., Yang J., Chizhov S.A., Sall E.G., Kulik A.V., Yashin V.E., Kang U. A high brightness Q-switched oscillator and regenerative amplifier based on a dual-crystal Yb:KGW laser. Laser Phys. Lett., 2013, vol. 10, 125004 (5 p.). https://doi.org/10.1088/1612-2011/10/12/125004

11. Pouysegur Julien, Delaigue Martin, Zaouter Yoann, Hönninger Clemens, Mottay Eric, Jaffrès Anaël, Loiseau Pascal, Viana Bruno, Georges Patrick, Druon Frédéric. Sub-100-fs Yb:CALGO nonlinear regenerative amplifier. Opt. Lett., 2013, vol. 38, pp. 5180–5183. https://doi.org/10.1364/OL.38.005180

12. Pirzio Federico, Cafiso D. Di Dio Samuele, Kemnitzer Matthias, Guandalini Annalisa, Kienle Florian, Veronesi Stefano, Tonelli Mauro, Aus der Au Juerg, Agnesi Antonio. Sub-50-fs widely tunable Yb:CaYAlO laser pumped by 400-mW single-mode fiber-coupled laser diode. Opt. Express, 2015, vol. 23, pp. 9790–9795. https://doi.org/10.1364/OE.23.009790

13. Gao Ziye, Zhu Jiangfeng, Wang Junli, Wei Zhiyi, Xu Xiaodong, Zheng Lihe, Su Liangbi, Xu Jun. Generation of 33 fs pulses directly from a Kerr-lens mode-locked Yb:CaYAlO laser. Photon. Res., 2015, vol. 3, pp. 335–338. https://doi.org/10.1364/PRJ.3.000335

14. Ma Jie, Huang Haitao, Ning Kaijie, Xu Xiaodong, Xie Guoqiang, Qian Liejia, Ping Loh Kian, Tang Dingyuan. Generation of 30 fs pulses from a diode-pumped graphene mode-locked Yb:CaYAlO laser. Opt. Lett., 2016, vol. 41, pp. 890–893. https://doi.org/10.1364/OL.41.000890

15. KaminskiiA.A.,PetrosyanA.G.,Ovanesyan K.L., Shirinyan G.O., Butaeva T.I., Markosyan A.A. Two generation channels of the CaYAlO disordered crystal. Inorganic Materials, 1991, vol. 27, pp. 426–427.

16. Sumida D.S., Fan T.Y. Effect of radiation trapping on fluorescence lifetime and emission cross section measurements in solid-state laser media. Opt. Lett., 1994, vol. 19, pp. 1343–1345. https://doi.org/10.1364/OL.19.001343

17. Kühn Henning, Fredrich-Thornton Susanne T., Kränkel Christian, Peters Rigo, Petermann Klaus. Model for the calculation of radiation trapping and description of the pinhole method. Opt. Lett., 2007, vol. 32, pp. 1908– 1910. https://doi.org/10.1364/OL.32.001908

18. Yasyukevich A.S., Shcherbitskii V.G., Kisel V.E., Mandrik A.V., Kuleshov N.V. Integral method of reciprocity in the spectroscopy of laser crystals with impurity centers. Journal of Applied Spectroscopy, 2004, vol. 71, no. 2, pp. 202–208. https://doi.org/10.1023/B:JAPS.0000032875.04400.a0.

19. Li Dongzhen, Xu Xiaodong, Zhu Haomiao, Chen Xueyuan, Tan Wei De, Zhang Jian, Tang Dingyuan, Ma Jan, Wu Feng, Xia Changtai, Xu Jun. Characterization of laser crystal Yb:CaYA10^. J. Opt. Soc. Am. В 28, 2011, pp. 1650-1654. https://doi.Org/10.1364/JOSAB.28.001650

20. Kisel V.E., Rudenkov A.S., Pavlyuk A.A., Kovalyov A.A., Preobrazhenskii V.V., Putyato M.A., Rubtsova N.N., Semyagin B.R., Kuleshov N.V. Highpower, efficient, semiconductor saturable absorber modelocked Yb:KGW bulk laser. Opt. Lett., 2015, vol. 40, pp. 2707–2710. https://doi.org/10.1364/OL.40.002707

21. Rudenkov Alexander, Kisel Viktor, Matrosov Vladimir, Kuleshov Nikolai. 200 kHz 5.5 W Yb3+:YVO -based chirped-pulse regenerative amplifier. Opt. Lett., 2015, vol. 40, pp. 3352–3355. https://doi.org/10.1364/OL.40.003352.

22. Rudenkov Alexander, Kisel Viktor, Yasukevich Anatol, Hovhannesyan Karine, Petrosyan Ashot, Kuleshov Nikolay. Yb3+:LuAlO3 crystal as a gain medium for efficient broadband chirped pulse regenerative amplification. Opt. Lett., 2017, vol. 42, pp. 2415–2418. https://doi.org/10.1364/OL.42.002415

23. Agrawal G.P. Nonlinear Fiber Optics (Fourth Edition). Optics and Photonics, Academic Press, San Diego, 2006, p. 529. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-369516-1.X5000-6.