Gestreckte flexible Hohlfaser

Für die Kompression leistungsstarker Laserpulse auf eine Dauer von wenigen Femtosekunden haben sich gasgefüllte Hohlwellenleiter zur spektralen Verbreiterung der Pulse fest etabliert. Bei der Wahl der geeigneten Wellenleiter-Parameter für eine gegebene Anwendung galt bis vor kurzem folgende Überlegung: 1) Die Spitzenleistung der Eingangspulse soll unter der kritischen Leistung für Selbstfokussierung bleiben, 2) Die Intensität der Eingangspulse soll die Schwelle für Photoionisation nicht übersteigen und 3) Die Länge der Hohlfaser wird aus technischen Gründen auf ~1m begrenzt. Somit waren die maximal erzielbare spektrale Verbreiterung und die dadurch ermöglichte Pulskompression begrenzt. Um diese Einschränkungen zu überwinden haben wir eine neuartige Faservorrichtung konzipiert, die auf gestreckte flexible Fasern beruht.

 

Durch die Einführung dieser neuartigen Faservorrichtung ist es uns gelungen, beliebige Faserlängen zu realisieren. Somit fiel eine entscheidende frühere Begrenzung weg, wodurch die Optimierungsstrategie für die Faser-Parameter neu definiert werden konnte. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die neue Faserarchitektur mit langen gestreckten Fasern die bisher überwiegend eingesetzte Variante mit kurzen, dickwandigen Fasern sowohl hinsichtlich der erzielbaren spektralen Verbreiterung, als auch der Transmission deutlich übertrifft. Für die neue Faseranordnung wurden herausragende Wellenleitungseigenschaften nachgewiesen. Zum Funktionstest wurden Transmission und Strahlpropagation hinter der Faser evaluiert. Die Messungen belegten, dass die theoretischen Werte innerhalb der Fehlertoleranz erreicht werden konnten.

 

Um das Potenzial des neuen Ansatzes zu demonstrieren wurde eine Hohlfaser mit 3 m Länge (ID = 320µm) untersucht. Am Eingang der Faser wurden beugungsbegrenzte Pulse mit einer Dauer von 71 fs- und einer Energie von 1,1 mJ appliziert. Mit einer Ar-Füllung von 500 mbar konnte eine über 20fache spektrale Verbreiterung erzielt werden. Zur Kompression der Pulse wurden 12 Reflexionen an gechirpten Spiegeln mit einer Bandbreite von 1,5 Oktaven benutzt. Zur Vermessung der komprimierten Pulse wurde die SHG-FROG Methode eingesetzt. Die resultierende Pulsdauer war 4,5 fs.

 

Kompression von Multi-Millijoule-Pulsen auf 4.3 fs in langen gasgefüllten Hohlfasern

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA, Palaiseau, Frankreich) und der Leibniz Universität Hannover gelang es uns, CEP (Carrier-Envelope Phase)-stabilisierte Sub-2-Zyklen lange Lichtpulse mit einer bislang unerreichten Energie von 3 mJ zu erzeugen. Hierfür erfolgte die spektrale Verbreiterung der 23 fs langen zirkular polarisierten Pulse aus einem doppel-CPA Ti:Saphir Verstärkersystem (LOA) mithilfe unserer speziellen gestreckten Hohlfaservorrichtung. Die Pulsenergie am Eingang der Faser betrug 8 mJ bei einer Pulswiederholungsrate von1 kHz. Die 2 m lange Hohlfaser (Innendurchmesser 450 µm) wurde mit Helium unter Verwendung eines Druckgefälles auf 1,8 bar gefüllt. Am Ausgang erhielten wir Pulse mit einer Energie von 3,5 mJ und exzellentem Strahlprofil. Das resultierende Spektrum, das sich über eine Oktave erstreckt, unterstützt eine Fourier-begrenzte Pulsdauer von 2,5 fs. Dies entspricht der Dauer eines einzelnen optischen Zyklus bei der Zentralwellenlänge von 746 nm.

Die so gewonnenen Pulse wurden anschließend mit Hilfe von gechirpten Spiegeln, kombiniert mit einem Keil-Paar aus Quarzglas, komprimiert. Zur Charakterisierung der Pulse kam ein Einzelschuss-SHG-FROG Gerät zum Einsatz. Die von der FROG Aufnahme zurückgerechnete Pulsdauer betrug 4,3 fs wobei die CEP mit einer Genauigkeit von 360 mrad (rms) stabilisiert werden konnte.

 

Weiterführende Literatur:

T. Nagy, P. Simon:
Single-shot TG FROG for the characterization of ultrashort DUV pulses Opt. Express 17, 8144 (2009)
T. Nagy, P. Simon:
Generation of 200-mJ, sub-25-fs deep-UV pulses using a noble-gas-filled hollow fiber Opt. Lett. 34, 2300 (2009)
T. Nagy et al.:
Flexible hollow fiber for pulse compressors Appl. Opt. 47, 3264 (2008)

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