SUB–ps HOLLOW FIBER PULSE COMPRESSION Martina Beer, Universität Hamburg Diplomanden~ und Doktorandenseminar / 8. Oktober 2010 Diplomarbeit angefertigt unter der Leitung von Prof. Dr. Jörg Rossbach, Betreuung durch Dr. Franz Tavella

INHALT 1. Einleitung 2. Aufbau und Funktionsweise des Experimentes 3. Messergebnisse, Vergleich mit Simulationsergebnissen 4. Fazit und Ausblick Bemerkungen: Dies ist nicht die Originalversion des Vortrages – zum besseren Verständnis sind nachträglich einige Informationen auf den Folien notiert worden, die im Seminar mündlich vorgetragen worden sind. Auf physikalische Hintergründe und die MATLAB-Simulation zur Pulspropagation (‚split-step-Fourier-method‘) wird in diesem Vortrag wenig bis gar nicht eingegangen, da dies Inhalt eines früheren Vortrages war.

EINLEITUNG FREIE ELEKTRONEN LASER: Für Anwendungen wie pump-probe-Experimente oder seeding besteht Interesse an Lasersystemen mit hohen Repetitionsraten (100kHz bis 1MHz bei FLASH), hohen Pulsenergien ( > 0.1 mJ für pump-probe-Experimente, für seeding höhere Energien erforderlich) und kurzen Pulsdauern ( < 100fs) LASERSYSTEM: „Ytterbium-doped fiber chirped pulse amplification (CPA) system“, installiert Juni 2010 am DESY, liefert Pulse mit ~ 300 μJ / 20kHz – 100kHz / ~ 800 fs

Verkürzung um Faktor < 7 EINLEITUNG DISPER-SIVE STRECKE 210 μJ 710 fs 126 μJ 95 μJ <100 fs Transmission: 60% durch den Kapillarenaufbau, fast 50% nach der Kompression Verkürzung um Faktor < 7

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE L3 Fokussierlinse; L1,L2 Teleskop; L4 Linse zur Rekollimation; PC Prismenkompressor; AC Autokorrelator

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE DRUCKKAMMER: gefüllt mit 1.78bar Xenon, Brewsterfenster, auf zwei x-z-Lineartischen positioniert HOLLOW FIBER: Quarzglas, Länge 70.5cm, Innenradius 75μm, Auflage in V-groove

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE Kerreffekt: intensitätsabhängiger Brechungsindex Selbstphasenmodulation (SPM):

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE Fokussierung in die Kapillare Der Strahlradius im Fokus ist entscheidend für die Modeneinkopplung. Er hängt sowohl von der Linsenbrennweite, als auch von der Eingangsstrahlgröße ab. Im Experiment wurde die Eingangsstrahlgröße mittels eines Teleskops an die Erfordernisse angepasst.

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE BESSELMODEN: Entstehen durch Totalreflexion in der Kapillare. Die Grundmode hat die geringsten Verluste. Bei geeignetem beam waist können 98% des Strahles in die Grundmode eingekoppelt werden. Intensitätsverteilung von Besselmoden

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE Teleskop ohne Zwischenfokus um Kerreffekt in Luft zu vermeiden, Vergrößerung des Eingangsstrahles um Faktor 2.5

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE Prismenkompressor Die rotverschobene Vorderseite des Pulses wird mehr, die blauverschobene Rückseite weniger als die Zentralfrequenz verzögert.

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE Autokorrelator Legende: PH 1, PH 2 pinholes; BS beam splitter; PM Piezo motor; o ordinary beam; e extraordinary beam

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE Überlapp im BBO-Kristall: Autokorrelationssignal ist das Faltungsintegral des zeitlichen Intensitätsverlaufes I(t) des Pulses t

ERGEBNISSE 1. TRANSMISSION Eingangsleistung 4.8W: Transmission fällt mit zunehmendem Edelgasdruck stark ab; Eingangsleistung 4.2W: Transmission bleibt mit zunehmendem Edelgasdruck konstant bei ~60%.

ERGEBNISSE 1. TRANSMISSION Vermutete Ursache: bei hoher Leistung kommt es zu Selbstfokussierung in der Umgebung des Fokus am Kapillareneingang.  verkleinerter beam waist und mehr Divergenz  verschlechterte Modeneinkopplung SELBSTFOKUSSIERUNG: Fokussierung durch eine Sammellinse (a) und durch ein Kerrmedium (b). In beiden Fällen ist die Phasenverschiebung in der Strahlmitte am stärksten. Fazit: sehr gute Transmission * Untergrenze Intensität: genug SPM erreichen Obergrenze Intensität: Selbstfokussierung vermeiden * Veröffentlichungen zu vergleichbaren Experimenten geben Transmissionen von ~20% und <30% an

2. SPEKTRALE VERBREITERUNG ERGEBNISSE 2. SPEKTRALE VERBREITERUNG Simulationsergebnisse In der Kapillare erreichte spektrale Verbreiterung in Abhängigkeit vom Edelgasdruck P. Oszillatorische Strukturen aufgrund von Interferenz, da jede Frequenz an zwei Stellen des Pulses generiert wird:

2. SPEKTRALE VERBREITERUNG ERGEBNISSE 2. SPEKTRALE VERBREITERUNG Messergebnisse: spektrale Verbreiterung in Abhängigkeit vom Edelgasdruck Simulationsergebnis: 1.5 bar Breite der gemessenen Spektren:

2. SPEKTRALE VERBREITERUNG ERGEBNISSE 2. SPEKTRALE VERBREITERUNG Simulation (beruhend auf der 1-dimensionalen nichtlinearen Schrödingergleichung) berücksichtigt nicht das transversale Strahlprofil Fazit: stärkere spektrale Verbreiterung im Kapillarenzentrum schwächere spektrale Verbreiterung im Randbereich der Kapillare

2. SPEKTRALE VERBREITERUNG ERGEBNISSE 2. SPEKTRALE VERBREITERUNG Messergebnisse: spektrale Verbreiterung in Abhängigkeit von der Eingangsleistung Breite der Spektren:

2. SPEKTRALE VERBREITERUNG ERGEBNISSE 2. SPEKTRALE VERBREITERUNG Die für hohe Eingangsleistung vermutete Selbstfokussierung führt eventuell auch zu einer teilweisen Einkopplung in die HE_10-Mode. Dadurch wären die nichtverbreiterten wandnahen Strahlanteile größer. Fazit: Ab einer gewissen Spitzenintensität stagniert die spektrale Verbreiterung und die wenig verbreiterten Anteile im Spektrum (Zentralpeak) nehmen zu.

ERGEBNISSE 3. PULSVERKÜRZUNG Autokorrelation manuell: (Pulsdauer ist um Faktor kürzer als das Autokorrelationssignal) Autokorrelation scanning modus:

ERGEBNISSE 3. PULSVERKÜRZUNG Eingangspuls: SIMULATION MESSUNG

Puls am Kapillarenausgang: ERGEBNISSE 3. PULSVERKÜRZUNG Puls am Kapillarenausgang: SIMULATION MESSUNG

ERGEBNISSE 3. PULSVERKÜRZUNG Simulation berücksichtigt Dispersion aufgrund von neutralem Gas, Plasma und Modendispersion in der Kapillare, geht dabei von einem fourierlimitierten ungechirpten Puls aus. Der tatsächliche Eingangspuls besitzt hingegen vermutlich einen dispersionsinduzierten chirp. Dieser kann in der Simulation nicht berücksichtigt werden, da die Phase des Eingangspulses nicht gemessen worden ist. vorne hinten rot blau Kompressor (negative Dispersion): blauverschobene Wellenlängen propagieren schneller  chirp Kapillare (positive Dispersion): rotverschobene Wellenlängen propagieren schneller  Kompression

ERGEBNISSE 3. PULSVERKÜRZUNG SIMULATIONSERGEBNISSE: Kompression auf < 40fs möglich Spitzenintensität steigt um Faktor ~8 Überkompression für l > 1.5m prism

150cm Prismenkompressor: ERGEBNISSE 3. PULSVERKÜRZUNG 150cm Prismenkompressor: SIMULATION MESSUNG Das Autokorrelationssignal mit drei Peaks wird von einem Puls mit zwei Peaks erzeugt. Als Ursache für die Abweichung vom Simulationsergebnis wird die unbekannte Phase des Eingangspulses vermutet.

FAZIT UND AUSBLICK Experiment Transmittierte Pulsenergien von ~100μJ und Pulsdauern von <100fs für pump-probe-Experimente geeignet; Kontrast verbessern Auf höhere Energien (wie z.B. für seeding benötigt) erweiterbar, sofern Selbstfokussierung am Kapillareneingang verhindert wird: Möglichkeit 1: Verwendung von Kapillaren mit größerem Durchmesser verhindert zu hohe Intensitäten, da schwächer fokussiert wird. Möglichkeit 2: Aufbau mit Gasdichtegradient, wobei am Kapillareneingang der Druck annähernd gleich Null ist. Gute Transmission insbesondere für hohe Energien (wenig Verluste bei weiten Kapillaren) und kurze Wellenlängen erwartet. Simulation Räumliche Effekte einbauen Phase des Eingangspulses messen und mitberücksichtigen