[論文レビュー] Single-stage few-cycle nonlinear compression of milliJoule energy Ti:Sa femtosecond pulses in a multipass cell

Louis Daniault, Zhao Cheng+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2021

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 12被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、アルゴンガスで満たされたマルチパスセルを用いて、1.2 mJ、30 fsのTi:Saパルスを1段階の非線形圧縮により5.3 fs（2周期）に圧縮することに成功した。ガス圧（450 mbar）と16パスの最適化により、近似的にガウスビーム品質を維持し、99%を超えるスペクトル均一性を達成する67%の総合効率を実現した。自己歪みおよび分散によるパルス拡散の制限要因を克服した。

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.

研究の動機と目的

• マルチパスセルを用いて、高エネルギーTi:Saフェムト秒パルスを強固で1段階の少数周期圧縮を実現すること。
• マルチパス構成におけるパルス圧縮性を制限する主な要因である自己歪みとガス分散を特定し、それらを克服すること。
• スペクトル拡張を最大化するとともに、パルス圧縮性とビーム品質を保持するため、ガス圧およびパス数を最適化すること。
• スケーラブルな超高速科学への応用に適した高効率・高品質な少数周期パルス生成を実証すること。

提案手法

• 1 kHz繰り返しレートで30 fs、1.2 mJのパルスを出力するTi:Saチープドパルス増幅システムを用いた。
• 21 cmのホロウコアファイバ（250 µm径）を用いた空間フィルタリングにより、1 mJのエネルギーを有するクリアで回折限界に近いビームを得た。
• 2つの曲率半径1.5 mのミラーを備えたマルチパスセル（MPC）を採用し、ビーム径を約250 µmに保つことで、最大18パスまで可能にした。これによりミラー損傷を回避した。
• ガス圧を変化させることで自己位相変調（SPM）と分散効果を制御する目的で、MPCをアルゴンガスで満たした（0–700 mbar）。
• グループ遅延分散を事前補償するため、Dazzlerを用い、MPCへの入射パルスがフーリエ変換限界に近い状態となるようにした。
• 圧縮後はチルドルミラと融珪酸ガラスのウェッジを用いて再圧縮し、パルス完全な特徴付けには1ショットSHG-FROGおよびイメージングスペクトロメトリを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mJクラス、30 fsのTi:Saパルスをマルチパスセル内で少数周期領域に圧縮する最適なガス圧およびパス数は何か？
• RQ2 自己歪みおよびガス分散は、マルチパス非線形圧縮におけるスペクトル拡張およびパルス圧縮性にどのように制限を及えるか？
• RQ3 1段階のマルチパス圧縮により、10 fs未満のパルスを高効率かつ優れたビーム品質で達成できるか？
• RQ4 マルチパスセルにおけるTi:Saパルス圧縮の固有の制限要因は何か。また、それらを単一周期パルス生成に向け克服するにはどうすればよいか？

主な発見

• 30 fs、1.2 mJのTi:Saパルスが5.3 fs（FWHM）に圧縮され、2周期に相当した。圧縮比は5.7であった。
• 総合効率は67%に達し、マルチパスセルを通過する際の透過率は79%であった。
• ビームFWHMではスペクトル均一性が99%を超えた。また、両方向の1/e²強度領域でも95%以上を示し、優れたビーム品質を裏付けた。
• 最適な構成はアルゴンガス圧450 mbar、16パスであり、スペクトル拡張とパルス圧縮性の両立を実現した。
• 最初のパスでのBインテグラルが0.02以上に達すると、強い自己歪みが発生し、光的ショックとパルス歪みを引き起こし、さらなる圧縮が制限された。
• 150 mbarを超える圧力ではガス分散が増加し、1パスあたりの有効Bインテグラルが低下し、パルス圧縮性が劣化した。これにより、圧力およびパス数に実用的な上限が生じた。