[論文レビュー] A high throughput (>90%), large compensation range, single-prism femtosecond pulse compressor

Lingjie Kong, Meng Cui|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2013

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、融合シリカのルーフミラーを全内部反射を用いてルーティングする二重ルーフミラーをリアクターとして用い、>90.7%のシステムスループットと約14,500 fs²のグループ遅延分散（GDD）補償範囲を達成する、高スループットな単一プリズムフェムト秒パルスコンプレッサーを提示する。30 cmのプリズムからルーフミラーまでの距離をとることで、歪みのないコンプレッションを実現し、ユニティマグニフィケーションと高効率を実現する。この設計により、角度分散、空間分散、パルスフロントチルトが排除され、全内部反射による高反射率が実現される。

ABSTRACT

We demonstrate a high throughput, large compensation range, single-prism femtosecond pulse compressor, using a single prism and two roof mirrors. The compressor has zero angular dispersion, zero spatial dispersion, zero pulse-front tilt, and unity magnification. The high efficiency is achieved by adopting two roof mirrors as the retroreflectors. We experimentally achieved ~ -14500 fs2 group delay dispersion (GDD) with 30 cm of prism tip-roof mirror prism separation, and ~90.7% system throughput with the current implementation. With better components, the throughput can be even higher.

研究の動機と目的

• マルチフォトン顕微鏡への応用を想定し、コンパクトでアライメントが簡単なフェムト秒パルスコンプレッサーを高スループットで開発すること。
• 金属被膜を施したコーナーキューブを用いた従来の単一プリズムコンプレッサーで見られる低スループット（約70%）を克服すること。
• 角度分散、空間分散、パルスフロントチルトを導入せずに、広範囲かつチューナブルなグループ遅延分散（GDD）範囲を達成すること。
• 融合シリカのルーフミラーにおける全内部反射を用いることで、ビーム品質と偏光状態の完全性を維持すること。

提案手法

• 反射損失を最小限に抑えるために、p偏光がブリュースター角で入射する単一の分散性プリズム（N-SF66）を用いる。
• 全内部反射により高反射率を実現し、偏光状態の回転を防ぐ融合シリカのルーフミラー（90°プリズム）を二つ用い、リアクターとして機能させる。
• ビームはプリズムを前後二度通過する。最初の通過後、ルーフミラー系によって進行方向が反転され、逆方向に進む。
• 出力ビームはD字型のシルバー反射鏡を用いて抽出されるが、高反射性の誘電体ミラーに交換することでスループットをさらに向上できる。
• GDDは最初のルーフミラーを移動させることで調整可能であり、これにより有効なパス長が変化し、分散補償が変化する。
• FROGを用いた実験的検証により、ゼロの角度分散、ゼロの空間分散、ゼロのパルスフロントチルト、ユニティマグニフィケーションを維持していることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一プリズムフェムト秒パルスコンプレッサーは、高スループット（>90%）を維持しながら、広範囲のGDD補償範囲を達成できるか？
• RQ2 全内部反射を用いたルーフミラーに置き換えたコーナーキューブが、システムスループットと偏光保存に与える影響は何か？
• RQ3 単一のプリズムと可動ミラーの移動のみを用いて、広範囲にわたるGDDをどの程度チューニングできるか？
• RQ4 ルーフミラーの使用により、出力ビームにおける角度分散、空間分散、パルスフロントチルトが完全に排除されるか？
• RQ5 最小限の光学的損失を有するリアクターを用いた単一プリズムコンプレッサーで、最大のGDDとシステムスループットはそれぞれどの程度達成可能か？

主な発見

• 30 cmのプリズム先端からルーフミラーまでの距離をとった場合、測定されたグループ遅延分散（GDD）は約-14,500 fs²であった。
• GDDと距離の勾配は-84 fs²/mmと測定され、理論値の-82 fs²/mmとよく一致していた。
• 930 nmパルスにおいて、システムスループットが90.7% ± 0.7%に達した。これは、金属被膜コーナーキューブを用いた従来の単一プリズム設計よりも顕著に高い。
• D字型シルバー反射鏡を高反射性誘電体ミラーに交換することで、スループットが約3%向上すると予測されている。
• FROG測定により、システムはゼロの角度分散、ゼロの空間分散、ゼロのパルスフロントチルト、ユニティマグニフィケーションを維持していることが確認された。
• 融合シリカのルーフミラーを全内部反射で使用することで、高反射率が実現され、入射ビームの偏光状態が保持され、金属被膜コーナーキューブよりも損失が低減される。