Forskare har kombinerat ett fiber-lasersystem med de senaste framstegen inom multipass-celler för att skapa en laser med en unik kombination av få-cykelpulser med hög medeleffekt, pulsenergi och upprepningshastighet och med stabil bärarenveloppfas (CEP) drift. Dessa egenskaper gör den nya lasern idealisk för att driva nästa generations attosecond-källor, som de vid Extreme Light Infrastructure (ELI) i Europa.

ELI, världens största och mest avancerade högeffektlaserinfrastruktur, kommer att användas för att undersöka ljus-materia-interaktioner vid högsta intensitet och kortaste tidsskala. Strållinjerna i ELI:s Attosecond Light Pulse Source kommer att ge oöverträffad prestanda för att generera isolerade attosecond-pulser och har därför mycket krävande lasersystemkrav.

Steffen Hädrich från Active Fiber Systems GmbH i Tyskland kommer att presentera den nya lasern på Optica (tidigare OSA) Laserkongressens virtuella webbkonferens 3–7 oktober 2021. Hädrichs samtal är planerat till måndag, 4 oktober kl. 11:30 EDT (UTC 04:00).

"Utvecklingen av ett så unikt lasersystem öppnar nya möjligheter för sekundära källor, t.ex. för generering av isolerade attosekundpulser med oöverträffade parametrar, ", sa Hädrich. Dessa har i sin tur ett löfte om att främja förståelsen av elektroniska processer på grundläggande längd- och tidsskalor och bidra till nya upptäckter inom biologi, kemi, fysik och medicin."

För att skapa ett lasersystem som kan möta behoven hos ELI och andra vetenskapliga tillämpningar, forskarna utvecklade ett fiber-chirped pulsförstärkningssystem som konsekvent kombinerar åtta förstärkarkanaler. Detta system avger 300-fs-pulser som sedan komprimeras ner till få-cykelregimen med hjälp av två multi-pass-celler. Den första multipasscellen använder dielektriska standardspeglar för att uppnå 1,7 mJ-pulser med en varaktighet på mindre än 35 fs. Den andra cellen använder metallbaserade speglar för att uppnå en pulslängd på bara 5,8 fs vid en pulsenergi på 1,1 mJ, 110 W medeleffekt och repetitionshastighet på 100 kHz.

Stabil CEP-drift krävs för att fullt ut utnyttja laserns höga medeleffekt och snabba repetitionshastighet. Forskarna åstadkom detta genom att mäta CEP för varje puls med en enda stereo-ATI-fasmätare som kan karakterisera brus över hela frekvensspektrumet. CEP-mätningarna skickades till en PID-regulator, skapa en återkopplingsslinga som möjliggjorde ~400 mrad CEP-brus.

"Vi visade de kortaste pulserna och den högsta komprimerade genomsnittliga effekten som har uppnåtts för MPC med få cykler med 110 W vid 100 kHz pulsrepetitionshastighet, ", sa Hädrich. "Med ytterligare förbättringar, vi hoppas också kunna uppnå mindre än 300 mrad CEP-brus snart."

Hädrich tillägger, "Det presenterade lasersystemet uppfyller kraven för HR1-lasern från ELI-ALPS. Vi håller på att skala detta tillvägagångssätt mot HR2-parametrarna, att implementera detta koncept för demonstration av en 500W, 5mJ, 6fs CEP-stabilt lasersystem."