[論文レビュー] Multi-pass oscillator layout for high-energy mode-locked thin-disk lasers

K. Schuhmann, K. Kirch+1 more|ArXiv.org|Mar 1, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、軟性アパーチャ効果を有する連結された光学的安定性を持つセグメントを用いた、高エネルギーモードロックド薄板レーザーのためのマルチパスオシレータ構成を提案する。この構成により、安定性領域を縮小せずにパルスエネルギーのスケーリングが可能となる。アパーチャ効果をABCD行列形式における虚数の焦点距離を有するレンズとしてモデル化することで、従来の4fベースの設計と比較して安定性領域を2倍に拡大し、最小限の部品再配置で高いポンプパワーとパス数を実現できる。

ABSTRACT

A novel optical layout for a multi-pass resonator is presented paving the way for pulse energy scaling of mode-locked thin-disk lasers. The multi-pass resonator we are proposing consists of a concatenation of nearly identical optical segments. Each segment corresponds to a round-trip in an optically stable cavity containing an active medium exhibiting soft aperture effects. This scheme is apt for energy and power scaling because the stability region of this multi-pass resonator contrarily to the 4f-based schemes does not shrink with the number of passes. Simulation of the eigen-mode of this multi-segment resonator requires considering aperture effects. This has been achieved by implementing effective Gaussian apertures into the ABCD-matrix formalism as lenses with imaginary focal length. We conclude proposing a simple way to double the stability region of the state-of-the-art layouts used in industry achievable by a minimal rearrangement of the used optical components.

研究の動機と目的

• パス数の増加に伴い安定性領域が縮小する従来の4fベースのマルチパスレーザー共振器の限界を克服すること。
• 複数パスにおける安定性領域を維持することで、モードロックド薄板レーザーのパルスエネルギーおよび出力パワーのスケーリングを可能にすること。
• 従来の4fイメージング方式における熱レンズ効果への感受性を、再設計されたレーザー共振器構造によって克服すること。
• 実用的非対称性に起因する不安定性ギャップを回避するため、アクティブ・メディアの軟性アパーチャ効果をABCD行列形式に統合すること。
• 既存の4fシステムの光学部品を最小限に再配置することで実現可能な、産業用途に適した安定性向上ソリューションを提示すること。

提案手法

• アクティブ・メディアに軟性アパーチャ効果を示す、ほぼ同一の光学的安定性を持つセグメントを連結したマルチパスレーザー共振器を設計する。各セグメントは、アクティブ・メディアを含む1往復を含む。
• アクティブ・メディアの軟性アパーチャ挙動を、ABCD行列形式における虚数の焦点距離を持つレンズとして表現する有効ガウスアパーチャとしてモデル化する。
• 強度依存の増幅および損失の変動を考慮するために、これらの有効アパーチャを組み込んだマルチセグメント共振器の固有モード特性をシミュレーションする。
• 提案されたセグメント化された方式の安定性領域を、標準的な4fベースのマルチパスシステムと比較し、性能向上を定量的に評価する。
• 4fイメージング段階とセグメント化された安定設計を統合した統合レイアウトを提案し、既存の光学素子の簡単な再配置で実現可能であることを示す。
• 新しい方式の安定性領域が、4fベースのシステムとは異なりパス数の増加に伴って縮小しないことを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パス数の増加に伴い、マルチパス薄板レーザーの安定性領域をどのように維持または拡大できるか？
• RQ2 アクティブ・メディアに生じる軟性アパーチャ効果が、マルチパスレーザー共振器の安定性およびモード特性に与える影響は何か？
• RQ3 既存の光学部品を最小限に再配置することで、標準的な4fベースのシステムの2倍の安定性領域を達成できるか？
• RQ4 小さなセグメント間非対称性がマルチパスレーザー共振器の安定性に与える影響は何か？また、有効アパーチャモデル化によってこれを緩和できるか？
• RQ5 提案されたレイアウトは、標準的な光学素子を用いて工業的環境でどの程度実装可能か？

主な発見

• 提案されたマルチセグメント共振器は、パス数が増加しても安定性領域が一定に保たれ、4fベースのシステムとは異なり安定性が縮小しない。
• ABCD行列形式に虚数の焦点距離を持つレンズを用いて軟性アパーチャ効果をモデル化することで、セグメント間のわずかな非対称性に起因する不安定性ギャップの発生を防止できる。
• 4fイメージング段階とセグメント化された安定設計を統合した統合レイアウトは、同じパス数において標準的な4fシステムと比較して安定性領域を2倍に拡大できる。
• この方式により、高いポンプパワー密度、大きなビームウェスト、安定性を損なわずにパス数を増加させることができる。
• 提案されたレイアウトは、4fベースのシステムで使用される既存の光学部品を最小限に再配置することで、産業現場に容易に実装可能である。
• 特にSESAMを用いた超短パルスレーザー用途において、この設計は効果的である。SESAMを低強度のミラーに配置し、キャビティ内を1回のみ通過させるため、セラミック基板へのダメージリスクが低減される。