Design of a high pulse energy coherent ultraviolet source - simulations and experimental design

Rapporten tar for seg design av to ulike systemarkitekturer som kan benyttes til generering av ultrafiolette laserpulser med flere titalls millijoule energi i bølgelengdeområdet 290-300 nm. Systemarkitekturene baserer seg på ikke-lineær optisk konvertering av en pulset 1 µm laser og ble pekt ut som de mest lovende for dette formålet i en tidligere FFI-Rapport [1]. Arbeidet inkluderer omfattende numeriske simuleringer som har brukt FFIs avanserte egenutviklede simuleringsverktøy, SISYFOS. Dette simuleringverktøyet inkluderer alle relevante fysiske effekter i konverteringsprosessene.

Arkitektur 1 bruker sumfrekvenskonvertering (SFG) av 355 nm og 1650 nm, mens arkitektur 2 bruker SFG av 532 nm og 650 nm. Strålene med 650 nm og 1650 nm lys er generert ved frekvensnedkonvertering av hhv. 532 nm og 1064 nm i en optisk parametrisk oscillator (OPO). Begge systemarkitekturer og de viktigste ikke-lineære konverteringstrinnene er studert i detalj.

Som dimensjonerende faktor for simuleringene er det brukt energien fra en kommersielt tilgjengelig pumpelaser. Denne kan gi 600 mJ ved 1064 nm, eller 200 mJ ved 532 nm eller 170 mJ ved 355 nm hvis laserens utstyr for harmonisk generering benyttes. Det ble funnet for begge arkitekturer at 120 mJ av det tilgjengelige pumpelyset skulle brukes til å pumpe OPO-trinnet og at resten av pumpeenergien skulle brukes i SFG-trinnet. Design av en effektiv OPO med god strålekvalitet som er pumpet med mer enn 100 mJ er utfordrende. En nyutviklet og enkel metode som benytter de fjernfeltbegrensende egenskapene til to ulike ikke-lineære krystaller i samme OPO er beskrevet. OPOer basert på denne arkitekturen er i stand til å gi tilstrekkelig høy strålekvalitet for 650 nm og 1650 nm strålene i dette arbeidet. For sammenligning er også masteroscillator – power amplifier (MOPA) arkitekturer for dette konverteringstrinnet studert. Disse er betydelig mer kompliserte å realisere eksperimentelt. Simuleringene viste at en MOPA ga en noe bedre ytelse enn en OPO, men OPOen ble fortsatt anbefalt for videre studier pga. den betydelig enklere eksperimentelle utformingen.

Simuleringen viste at begge arkitekturer har potensial for generering av ca 80 mJ ved 290- 300 nm hvis man starter med 600 mJ fra en singel-frekvens laser. Forventet strålekvalitet er i området M² ~2-4, hvor strålekvaliteten fra arkitektur 1 er best. Det er videre vist at effektiviteten til det ikke-lineære SFG-trinnet er følsomt for båndbredden til pumpelaseren og at forventet utenergi vil synke til 40-50 mJ ved 20 GHz pumpebåndbredde.