Towards a compact thin-disk-based femtosecond XUV source

Abstract

The goal of this thesis is to develop a compact high-power solid-state oscillator capable of superseding existing ultrafast technology based on low-power Ti:sapphire oscillators. Different applications such as extra- or intra-cavity XUV generation, seeding of high-energy low-repetition-rate amplifier systems and femtosecond enhancement cavities can be dramatically influenced by the availability of such a reliable, compact femtosecond source. We applied, for the first time, Kerr-lens mode-locking to a thin-disk Yb:YAG oscillator, resulting in an unprecedented combination of an average power 45 W and pulse duration of 250 fs directly available from the oscillator with repetition rate of 40 MHz and a footprint of only 1*0.4 m^2. Even shorter emission-bandwidth-limited 200-fs pulses have been generated with the reduced output coupler transmission of 5.5% at an average power of 17 W. Moreover, the oscillator was operating not only in the negative dispersion regime common to solid-state oscillators but also in the positive dispersion regime, resulting in a spectrum spanning a range of 20 nm, which is the broadest hitherto reported for Yb:YAG material in high-power operation. First attempts towards CE phase-stabilized high-power pulses from such an oscillator are also described. State-of-the-art XUV generation driven by high-power NIR femtosecond systems requires methods of separating generated XUV from NIR radiation. Such a method has been proposed and realized. It constitutes a glass substrate having a low-loss anti-reflection coating for NIR wavelengths at grazing incidence of >70° and serving simultaneously as a high reflector for radiation in the range of 1-100 nm with reflectivity >60%. The device can be used for both extra- and intra-cavity XUV generation.Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines kompakten Hochleistungs-Laseroszillators auf Festkörperbasis. Dieser soll in der Lage sein, die schon existierende ultraschnelle Technologie der Oszillatoren mit niedriger Leistung, basierend auf Ti:Saphir, zu ersetzen. Verschiedene Anwendungen, wie resonatorinterne und -externe Erzeugung von XUV-Strahlung, das Seeden von Hochenergie-Verstärkersystemen mit niedrigen Repetitionsraten und Femtosekunden-Überhöhungsresonatoren, können durch eine solche zuverlässige und kompakte Quelle von Femtosekundenpulsen wesentlich effektiver werden. Wir haben Kerrlinsen-Modenkopplung erstmalig auf einen Yb:YAG-Dünnscheibenoszillator angewandt und eine bisher unerreichte Kombination von 45 W mittlerer Leistung und 250 fs Pulsdauer bei 40 MHz Repetitionsrate direkt vom Oszillator erreicht. Die Grundfläche des Lasers war nur 1*0.4 m^2. Noch kürzere, durch die Emissionsbandbreite begrenzte Pulse mit 200 fs konnten mit reduzierter Auskopplertransmission von 5,5% bei 17 W mittlerer Leistung erzeugt werden. Darüber hinaus lief der Oszillator nicht nur im für Festkörperoszillatoren üblichen Regime negativer Dispersion, sondern auch im Regime positiver Dispersion mit einem 20 nm breiten Spektrum - dem bisher breitesten für Yb:YAG im Hochleistungsbetrieb. Erste Anläufe zu CE-phasenstabilisierten Pulsen hoher Leistung aus einem derartigen Oszillator werden ebenfalls beschrieben. Moderne Ansätze zur XUV-Erzeugung mit NIR-Femtosekundensystemen als Treiber erfordern Methoden zur Trennung der XUV- von der NIR-Strahlung. Eine solche Methode wurde vorgestellt und umgesetzt. Sie verwendet ein Glassubstrat mit Antireflektionsbeschichtung für NIR-Wellenlängen unter einem Grazing-Einfallswinkel von >70°, das gleichzeitig als hoch-reflektierender Spiegel für Strahlung im Bereich 1-100 nm mit einer Reflektivität >60% dient. Diese optische Komponente kann sowohl für resonatorexterne, wie auch -interne XUV-Erzeugung genutzt werden