[論文レビュー] A Survey of Spatio-Temporal Couplings throughout High-Power Ultrashort Lasers

Jeandet, Antoine, Jolly, Spencer W.+20 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2021

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 44

ひとこと要約

本論文は、チープド・パルス増幅（CPA）システムの複数段階にわたる高パワー超短パルスレーザーにおける空間時間結合（STC）の、初めての体系的サーベイを提示する。高度なフルフィールド診断法であるTERMITESおよびINSIGHTを用いて、レーザー鎖中にさまざまな位置で複雑なSTC効果が生じることを明らかにした。STCの特性評価が、超短パルスレーザーの性能最適化および基本的ダイナミクスの理解のため、システム全体にわたり不可欠であることを示している。

ABSTRACT

The investigation of spatio-temporal couplings (STCs) of broadband light beams is becoming a key topic for the optimization as well as applications of ultrashort laser systems. This calls for accurate measurements of STCs. Yet, it is only recently that such complete spatio-temporal or spatio-spectral characterization has become possible, and it has so far mostly been implemented at the output of the laser systems, where experiments take place. In this survey, we present for the first time STC measurements at different stages of a collection of high-power ultrashort laser systems, all based on the chirped-pulse amplification (CPA) technique, but with very different output characteristics. This measurement campaign reveals spatio-temporal effects with various sources, and motivates the expanded use of STC characterization throughout CPA laser chains, as well as in a wider range of types of ultrafast laser systems. In this way knowledge will be gained not only about potential defects, but also about the fundamental dynamics and operating regimes of advanced ultrashort laser systems.

研究の動機と目的

• 出力段階にとどまらず、高パワー超短パルスレーザーにおける空間時間結合（STC）を調査すること。
• ストレッチャー、増幅器、コンプレッサーを含むCPAレーザー鎖の異なる段階におけるSTCの原因を同定・特徴化すること。
• レーザー鎖全体にわたり、3次元の空間的・時間的・スペクトル的場の完全な特性評価（振幅および位相）が可能であることを実証し、最適化に不可欠であることを示すこと。
• OPCPA、コherent結合、将来のペタワットクラスシステムを含む先進的超短パルスレーザーシステムにおけるSTCメトロロジーの広範な導入を促すこと。
• 次世代超短パルスレーザーにおける複雑なSTC効果の診断・最適化のための基盤的データセットおよび手法を提供すること。

提案手法

• TERMITES（時間分解スペクトル干渉法）およびINSIGHT（空間分解フォーリエ変換分光法）という2つの高度なフルフィールド診断技術を採用した。
• ビーム伝搬軸に沿う複数の断面で、近場領域における複素電場E(x, y, ω)またはẼ(x, y, ω)を測定した。
• 複数の軸方向位置で測定されたスペクトル強度プロファイルから、反復的Gerchberg-Saxton型位相再構成アルゴリズムを用いて空間的位相を再構成した。
• 平面波分解を用いた数値ビーム伝搬法により、疑わしいSTC発生源（例：回折格子、増幅器）の位置に場をバックプロパゲートした。
• ピーク出力が0.1 TWから1 PWの範囲で変動する6台の異なる高パワーCPAレーザーに対して、両手法を適用した。
• ベクトル的非パラキシアルFourier法および適応的時間スライシングを用いた分離ステップ法を用いた、再生増幅器の数値シミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高パワー超短パルスCPAレーザーの異なる段階に、どのような種類の空間時間結合（STC）が存在するか？
• RQ2 STCは、ストレッチャーおよび増幅器を経てコンプレッサーおよび最終出力に至るまで、どのように変化するか？
• RQ3 回折格子、プリズム、増幅媒体といった内在的部品がSTC形成にどの程度寄与しているか？
• RQ4 3次元の空間的・スペクトル的特性評価（振幅および位相）が、ビーム品質および焦点化能に影響を与える以前に検出されなかったSTC効果を明らかにできるか？
• RQ5 実際のレーザーシステムにおいて、TERMITESとINSIGHTは、高空間周波数成分を有するSTC特徴をどの程度効果的に解像できるか？

主な発見

• 6台の高パワーCPAレーザーすべてにおいて、ストレッチャー後、増幅器内、出力部でSTC効果が観測された。これは、STCが最終圧縮段階に限らず、広範にわたって存在することを示しており、広範な影響を及ぼす可能性がある。
• Salle Noireレーザーでは、圧縮後の強力なSTCが観測され、空間依存のスペクトルシフトおよび時間的歪みが生じ、数サイクルパルス生成に悪影響を及えた。
• UHI–100システムでは、コンプレッサーに残存する位相歪みが原因で出力ビームにSTCが検出され、粒子加速効率に悪影響を及えた。
• TERMITESは、特に近場領域において、INSIGHTよりも高空間周波数成分のSTC特徴をより高い分解能で解像できた。
• 測定された場を、STC発生源（例：回折格子）の光学面にバックプロパゲートした数値解析により、STCの発生源が特定の部品に起因することを確認した。
• 本研究により、STCは単なる欠陥ではなく、帯域幅広いビーム操作に起因するCPAシステム固有の本質的特性であることが明らかになった。したがって、最適化のためにはフルフィールド診断法が不可欠である。