Methods of ultra-fast laser contrast diagnostics and optimization

Abstract

The temporal contrast of optical pulses produced by high-peak power laser systems is important for laser-matter applications, such as table-top particle accelerators and sources of attosecond pulses in the extreme ultraviolet and X-ray ranges. Currently available laser technologies cannot provide a temporal shape of an ultra-short pulse at high energy which is absolutely pre-pulse free. This work is dedicated to issues of the temporal shape of light pulses generated by Chirped Pulse Amplifcation (CPA) lasers based on the widely-used Ti:Sapphire technology. This analysis is performed at the low picoseconds time scale around the main pulse and in a dynamic range of intensity > 10¹⁰. An overview of the current state of the problem is presented as well as a detailed discussion of the many related aspects including the characterization of laser pulses over a high dynamic range and the technologies for nonlinear temporal fltering that are required for the suppression of pre-pulses and improvement of the leading front of the laser pulse.

The most commonly used diagnostics for characterization of laser pulses over a high dynamic range, including third-order cross-correlators, have been considered in detail. It has been shown that this method can introduce artefacts into the measured traces. An improvement to the optical scheme of the commercial Sequoia cross-correlator has been suggested. A method to indicate coherent parts of laser pulses has also been proposed.

Commonly used schemes for optical stretchers and compressors with di erent dispersive optics have been compared and investigated. It was shown and proved, for the first time that the nonlinear processes occurring during propagation of a stretched pulse result in the generation of a ragged pre-pedestal from the post-pedestal which is coherent to the main pulse. The key role of the ragged post-pedestal as well as its coherence have also been highlighted for the first time in this work. An explanation for the observed phenomena is given. It has also been shown that the post-pedestal is the key limiting factor of the picosecond temporal contrast in CPA Ti:Sapphire-based laser technology.

Highly effcient nonlinear fltering technology based on rotation of the polarization ellipse in gases and a post-compression technique have been combined to to improve the temporal shape of laser pulses on the femtosecond and picosecond time scales.

Der zeitliche Kontrast von Laserpulsen ist für viele Anwendungen mit Verwendung von intensiven Laser Pulsen bedeutsam. Mit gegenwärtig verfügbaren Technologien können keine Ultrakurzzeitpulse mit hoher Energie erzeugt werden, deren zeitliche Form frei von Vorpulsen ist. In dieser Arbeit wird die Problematik des zeitlichen Kontrastes von Lichtpulsen untersucht, welche von Lasern basierend auf der weit verbreiteten Ti:Saphir Technologie mit Chirped Pulse Amplification (CPA) erzeugt werden. Diese Untersuchung wird innerhalb des Picosekundenbereiches um den Hauptpuls und mit einem Dynamikbereich von > 10¹⁰ durchgeführt. Es wird ein Überblick über den gegenwärtigen Stand der Problematik gegeben, sowie eine detaillierte Diskussion von vielen verwandten Aspekten, einschließlich von Methoden zur Charakterisierung mit hohem Dynamikbereich und zeitlich nicht-linearen Filtern, welche zur Unterdrückung von Vorpulsen und der Verbesserung der führenden Flanke des Laserpulses notwendig sind.

Die am häufigsten verwendete Charakterisierungsmethode mit hohem Dynamikbereich durch Kreuzkorrelation in dritter Ordnung wurde im Detail betrachtet. Es wurde gezeigt, dass Charakterisierung mit hohem Dynamikbereich zu "Artefakten" in den Messkurven führen kann. Eine Verbesserung des optischen Aufbaus von "Sequoia" Kreuzkorrelatoren wurde vorgeschlagen. Ebenso wurde eine Technik zur Identifizierung kohärenter Anteile in Laserpulsen vorgestellt.

Schemata von Aufweitern und Kompressoren mit unterschiedlichen dispersiven Optiken wurden verglichen und untersucht. Erstmalig wurde gezeigt, dass die nichtlinearen Prozesse, welche während der Propagierung eines gestreckten Impulses entstehen, einen struckturierten Vorsockel aus dem Nachsockel generieren, der kohärent zum Hauptimpuls ist. Die Schlüsselrolle des strukturierten Nachsockels sowie seiner Kohärenz wurden in dieser Arbeit zum ersten Mal aufgezeigt. Eine Erkl arung der beobachteten Erscheinungen wird pr asentiert. Es wurde ebenfalls gezeigt, dass der Nachsockel ein Schlüsselfaktor in der Begrenzung des zeitlichen Kontrastes im Pikosekundenbereich von CPA Ti:Saphir basierter Lasertechnologie ist.

Hocheffziente nicht-lineare Filtertechnologie basierend auf einer Drehung der Polarisation in Gasen und eine Nachkompressionstechnik wurden kombiniert um die Pulsdauer auf wenige optische Zyklen zu verringern und den zeitlichen Verlauf der Laserpulse zu verbessern.