[논문 리뷰] Single-stage few-cycle nonlinear compression of milliJoule energy Ti:Sa femtosecond pulses in a multipass cell

Louis Daniault, Zhao Cheng외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 10.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 12인용 수 23

한 줄 요약

이 연구는 투명한 티타니움:사파이어(1.2 mJ, 30 fs) 펄스를 아르곤 기체로 채운 다중통과 셀을 사용하여 단단계 비선형 압축을 통해 5.3 fs(두 개의 광학 주기)로 압축하는 것을 보여준다. 기체 압력(450 mbar)과 16회 통과를 최적화함으로써 시스템은 근접한 가우시안 빔 품질과 99% 이상의 스펙트럼 균일성을 확보한 67%의 총 효율을 달성하였으며, 자가 기울임과 분산에 의한 펄스 퍼짐 등의 제한 요소를 극복하였다.

ABSTRACT

We report on the nonlinear temporal compression of mJ energy pulses from a Ti:Sa chirped pulse amplifier system in a multipass cell filled with argon. The pulses are compressed from 30 fs down to 5.3 fs, corresponding to two optical cycles. The post-compressed beam exhibits excellent spatial quality and homogeneity. These results pave the way to robust and energy-scalable compression of Ti:Sa pulses down to the few-cycle regime.

연구 동기 및 목표

• 다중통과 셀을 이용한 고에너지 Ti:Sa 펄스의 견고하고 단단계 소수주기 압축을 달성하기 위해.
• 다중통과 구현에서 펄스 압축 가능성을 제한하는 주요 요인인 자가 기울임과 기체 분산을 규명하고 이를 극복하기 위해.
• 스펙트럼 확장 최대화와 함께 펄스 압축 가능성과 빔 품질 유지가 가능한 기체 압력과 통과 수를 최적화하기 위해.
• 초고속 과학 분야에서 확장 가능한 애플리케이션에 적합한 고효율, 고품질의 소수주기 펄스 생성을 실험적으로 입증하기 위해.

제안 방법

• 1 kHz 반복 주기로 30 fs, 1.2 mJ 펄스를 제공하는 Ti:Sa 펄스 왜곡 증폭 시스템을 사용하였다.
• 청결한 회절 한계에 도달하는 빔을 확보하기 위해 21 cm 길이의 허브 코어 섬유(250 µm 지름)를 통한 공간 필터링을 적용하였다.
• 두 개의 곡률 반경 1.5 m의 거울을 갖춘 다중통과 셀(MPC)를 사용하여 최대 18회 통과가 가능하게 하였으며, 빔 크기를 약 250 µm로 유지하여 거울 손상을 방지하였다.
• 기체 압력을 다양하게 조절(0–700 mbar)하여 자가 위상 조절(SPM)과 분산 효과를 제어하였다.
• 군속도 지연 분산(GDD)을 사전 보정하기 위해 Dazzler를 사용하여 MPC에 들어가는 펄스가 푸리에 변환 한계 상태임을 확보하였다.
• 후속 압축을 위해 펄스 왜곡 거울과 플라즈마 실리카 웨지 조합을 사용하였으며, 단일 스포트 SHG-FROG 및 영상 스펙트로미터를 통해 풀 펄스 특성 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mJ 급 30 fs Ti:Sa 펄스를 소수주기 영역으로 압축하기 위한 다중통과 셀에서 최적의 기체 압력과 통과 수는 무엇인가?
• RQ2 자가 기울임과 기체 분산은 다중통과 비선형 압축에서 스펙트럼 확장과 펄스 압축 가능성을 어떻게 제한하는가?
• RQ3 단일 단계 다중통과 압축이 고효율과 뛰어난 빔 품질을 동반한 10 fs 이내의 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ4 다중통과 셀의 Ti:Sa 펄스 압축에 대한 내재된 제한 요소는 무엇이며, 이를 단주기 펄스 생성을 위해 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 30 fs, 1.2 mJ Ti:Sa 펄스는 FWHM 기준 5.3 fs(두 개의 광학 주기)로 압축되었으며, 이는 5.7배의 압축 비율에 해당한다.
• 총 후속 압축 효율은 67%에 도달하였으며, 다중통과 셀 통과 시의 투과율은 79%였다.
• 빔의 FWHM 영역에서 스펙트럼 균일성은 99% 이상을 초과하였고, 양측 방향의 1/e² 강도 영역에서는 95% 이상을 기록하여 뛰어난 빔 품질을 나타냈다.
• 최적의 구성 조건은 아르곤 기체 압력 450 mbar와 16회 통과였으며, 이는 스펙트럼 확장과 펄스 압축 가능성 사이의 균형을 이루었다.
• 첫 번째 통과에서 B-적분 값이 0.02 이상이 되면 강한 자가 기울임이 유도되어 광학적 색션과 펄스 왜곡을 유발하며, 이는 추가적인 압축을 제한하였다.
• 150 mbar 이상의 기체 압력에서는 각 통과당 효과적인 B-적분 값이 감소하고 펄스 압축 가능성이 악화되어, 압력과 통과 수에 실질적인 상한선을 설정하였다.