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

Abstract

The report discusses design considerations and numerical simulations of different system architectures for generation of several tens of mJ pulse energy in the ultraviolet range around 290- 300 nm. The architectures considered are based on a pulsed 1 μm pump laser and nonlinear optical conversion to reach the ultraviolet. The simulations have been done using FFI’s sophisticated simulation tool, SISYFOS, taking into account all relevant physical effects in the conversion processes. Two different pathways, which were identified as the most promising in a previous FFI-report [1], have been studied. Pathway 1 includes sum frequency generation (SFG) of 355 nm and 1650 nm, while pathway 2 utilizes SFG of 532 nm and 650 nm. The 1650 nm and 650 nm beams are generated through frequency down conversion of 1064 nm and 532 nm beams, respectively, in an optical parametric oscillator (OPO). Both pathways and the main nonlinear conversion stages of each of them have been studied in detail. The dimensioning factor in the simulations has been the output from an available commercial pump laser. This is capable of delivering 600 mJ at 1064 nm or, with harmonic generation stages, 200 mJ at 532 nm or 170 mJ at 355 nm. It was found for both pathways that 120 mJ should be used to pump the OPO and the rest of the available energy to be used in the sum frequency stage. The design of an OPO with high conversion efficiency and high beam quality that is pumped with more than 100 mJ is challenging. A novel architecture that uses the far-field limiting properties of two different nonlinear crystals in the same OPO is described. OPOs based on this architecture are capable of giving sufficiently high beam quality for the high energy beams. For comparison, a considerably more complicated master-oscillator power-amplifier (MOPA) is also studied. Simulations show that this architecture can perform slightly better, but the far simpler experimental layout of the OPO makes this still the recommended choice for the downconversion stage. Simulations show that both pathways are capable of generating ~80 mJ at 290-300 nm starting from a single-frequency 600 mJ 1 μm pump source. The beam quality at the ultraviolet wavelength is expected to be M2~2-4, where the beam quality from pathway 1 is slightly better than from pathway 2. It is further shown that the SFG-process is sensitive to the bandwidth of the pump laser, and that the expected output energy would decrease to 40-50 mJ when using a pump laser with 20 GHz bandwidth.

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 ikkelineær 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 ikkelineære 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 OPOtrinnet 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 ikkelineære 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. Simuleringnen 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 ikkelineære SFG-trinnet er følsomt for båndbredden til pumpelaseren og at forventet utenergi vil synke til 40-50 mJ ved 20 GHz pumpebåndbredde.