Pikosekundenpumplaser mit hoher Wiederholrate basierend auf einem Yb:YAG Scheibenverstärker für optische parametrische Verstärker

Intensive ultrakurze Lichtpulse, vorzugsweise mit Pulswiederholraten im Kilohertzbereich, mit wenigen optischen Zyklen und vollständig kontrolliertem elektromagnetischen Feld, sind notwendig, um mittels Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung einzelne Attosekundenpulse zu produzieren, die auf atomarer Ebene Echtzeitbeobachtung, Manipulation und Aufzeichnung von Elektronenbewegungen ermöglichen. Seit einigen Jahren werden Pulse mit wenigen optischen Zyklen routinemäßig in Titan:Saphir-Lasern erzeugt. Ultrakurze Pulse im Bereich weniger Femtosekunden mit Kilohertzwiederholraten wurden unter Verwendung eines komplexen Aufbaus bestehend aus einem fs-Oszillator, einem Multipassverstärker für gechirpte Pulse und einer zusätzlichen, nichtlinearen Pulskompressionsstufe, demonstriert. Allerdings hat es sich als sehr schwierig erwiesen, diese Systeme in den Bereich mehrerer Millijoule Pulsenergie zu erweitern. Optische, parametrische Verstärker für gechirpte Pulse haben sich als leistungsstarke Alternative erwiesen, um breitbandige Pulse mit wenigen optischen Zyklen zu generieren. Sie sind zurzeit die einzige Methode, mit der hochenergetische, kohärente Lichtpulse weniger optischer Zyklen im vielfachen Milli-Joulebereich hergestellt werden können. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung eines Verstärkersystems, das speziell für das Pumpen eines effizienten, hochverstärkenden, optischen parametrischen Verstärkers mit vereinfachtem Pulsstrecker-Kompressor-Aufbau und hohem Pulskontrast konzipiert wurde. Nachfolgend ist die Entwicklung eines regenerativen Verstärkers auf Basis von dünnen Yb:YAG-Scheiben als Verstärkungsmedium beschrieben, die in verschiedenen Schritten vom einfachen Verstärker bis hin zu einem kompletten gechirpten Pulsverstärker mit Pulsspitzenleistungen von über 15 GW durchgeführt wurde. Die unten zusammengefasste Arbeit enthält einen einleitenden Teil, der kurz die Prinzipien der optischen parametrischen Verstärker und der Erzeugung Harmonischer höherer Ordnung beschreibt, gefolgt von Vorüberlegungen zur Seedgenerierung und nichtlinearen Effekten in Pumplasern für parametrische Verstärker. Anschließend sind die verschiedenen Schritte und Ergebnisse der einzelnen Entwicklungsstufen des regenerativen Verstärkers aufgeführt. Kapitel 1.1 stellt das regenerative Verstärkungsprinzip dar, zusammen mit einigen wichtigen Aspekten, die bei einer regenerativen Pulsverstärkung beachtet werden müssen. Eine Einführung in die optische parametrische Verstärkung und die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung wird in Kapitel 1.2 gegeben. Das ausgewählte laseraktive Medium Yb:YAG und seine Verwendung in einer Dünnschichtkonfiguration werden in Kapitel 2 behandelt, gefolgt von der Beschreibung der Seederzeugung in Kapitel 3, die sich mit der vollständigen optischen Synchronisation zwischen der Seedquelle, dem parametrischen Verstärker und dem Pumplaser beschäftigt. Ebenfalls an dieser Stelle werden die verwendeten Yb:KGW- und Titan:Saphir-Oszillatoren charakterisiert und deren Verwendung als Seedlaser für Verstärker mit injiziertem optischen Feld dargestellt. Prinzipielle Überlegungen betreffend der nichtlinearen Effekte, wie Selbstfokussierung, Selbstphasenmodulation und B-Integral in einem regenerativen Verstärkersystem, sind in Kapitel 4 aufgeführt. Im Anschluss wird der speziell für das regenerative Verstärkersystem entwickelte elektro-optische Schalter zur Verringerung des kummulativen B-Integrals in Kapitel 4.3 erläutert. In den anschließenden Kapiteln 5 bis 7 sind die entwickelten regenerativen Verstärkersysteme mit den unterschiedlichen Laserköpfen vom Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart und der Trumpf Laser GmbH & Co. KG aus Schramberg beschrieben und charakterisiert. Zuerst wird der Ansatz der ungechirpten Verstärkung in Kapitel 5 präsentiert, gefolgt von den Verstärkersystemen in Kapitel 6 und 7, die in zwei unterschiedlichen dispersiven Verzögerungsstufen jeweils unterschiedliche Laufzeiten für verschiedene Frequenzen einführen, so zu längeren Pulsdauern während dem Verstärkungsprozess führen und dadurch die auftretenden Pulsspitzenintensitäten deutlich reduzieren. Ein weiterer Ansatz zur zusätzlichen Verkürzung der Pulsdauer des fertig gestellten Pikosekunden-Systems aus Kapitel 7.2 mit Hilfe einer zusätzlichen nichtlinearen Kompressorstufe ist in Kapitel 8 erläutert und durch erste Messungen charakterisiert. Ein Vorschlag zur weiteren Verstärkung der Pulse in den Bereich einiger Joule Energien bei Kilohertzwiederholraten ist in Kapitel 9 ergänzend angefügt. Diese Dissertation wird durch die Zusammenfassung und den Ausblick in den Kapiteln 10 beziehungsweise 11 beendet. Die im Rahmen dieser Dissertation entstandenen Veröffentlichungen sind im Anhang aufgeführt.Intense ultrashort light pulses with full control of the subcycle field evolution preferably with kilohertz repetition rates are required to produce via high-order harmonic generation controlled single attosecond pulses allowing realtime observation, manipulation and tracking of atomic-scale electron dynamics. By the turn of the millennium few-cycle light pulses are routinely generated in Ti:sapphire based lasers. Ultrashort pulses in the range of a few femtoseconds at kilohertz repetition rate have been demonstrated using a complex design consisting of an oscillator, a multipass chirped pulse amplifier and an additional nonlinear compression stage. However, it has been difficult to extend these systems to the multi-mJ level. Optical parametric chirped pulse amplifiers have emerged as a powerful alternative for creating broadband few-cycle pulses, and are the only method by which high energy multi-mJ few-cycle coherent light pulses have been generated. This thesis focuses on the development of an amplifier laser system especially designed for use in pumping an efficient, high gain, high contrast, optical parametric chirped pulse amplifier with a simplified stretcher-compressor system. Consecutively described is the development of a regenerative amplifier based on an Yb:YAG thin disk as gain medium carried out in several evolutionary steps from a master oscillator power amplifier setup to a complete chirped pulse amplifier system with peak powers above 15 GW marking the birth of a new generation of pump lasers for optical chirped pulse amplifiers. This work summarized below is composed of an incipient part mentioning briefly the principle of optical parametric amplifiers and the generation of high-order harmonic generation followed by preliminary considerations such as seed generation and nonlinear effects for building a parametric amplifier pump source and finally the performed steps and results of the regenerative amplifier laser development. Chapter 1.1 introduces the regenerative amplifier, its principle and aspects to be considered regarding regenerative amplification. An introduction into optical parametric amplification and high-order harmonic generation is given in chapter 1.2. The chosen laser active medium Yb:YAG and its use in a thin disk laser configuration are mentioned in chapter 2 followed by the seed generation section in chapter 3 describing the all-optical synchronization between the seed laser, the parametric and regenerative amplifier and the characterization of the used Yb:KGW and Ti:sapphire seed oscillators and their use as a seed source for amplifier with injected optical fields. Presented in chapter 4 are the preliminary considerations about the regenerative amplifier regarding the nonlinear effects such as self focusing, self phase modulation and B-integral in the amplifier system and the especially designed electro-optical switch meeting the requirement of a low cumulative B-integral for a high peak power laser. In the following three chapters 5 to 7 the developed regenerative amplifier systems using amplifier heads from the Institut für Strahlwerkzeuge at the University Stuttgart and Trumpf Laser GmbH & Co. KG from Schramberg are pronounced and characterized. First mentioned is the non chirped pulse amplification approach in chapter 5 pursued by the amplifier systems seeded with temporally stretched seed pulses using two different dispersive delay lines introducing different velocities or path lengths to different frequency components of the pulses leading to much longer pulse durations with reduced peak intensities in chapter 6 and 7 respectively. A further approach to shorten the pulse duration of the completed laser system characterized in chapter 7.2 is demonstrated in chapter 8 using a nonlinear compression scheme. To further boost the pulse energy into the multi-joule and multi-kilohertz regime a proposal is given in chapter 9. This work is finalized by the conclusion in chapter 10 and the outlook in chapter 11. The publications emerged in the framework of this thesis are listed in the addendum