Cora Braun, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2025 :
"Strecker- und Verstärkerdesign für die LPA-Antriebslaser ANGUS und KALDERA"
"Stretcher and Amplifier Design for the LPA Drive Lasers ANGUS and KALDERA"
Summary
Laser-Plasma Beschleunigung (LPA) ist eine vielversprechende Technologie, um zukünftig kompaktere und kosteneffizientere Beschleuniger für eine Vielzahl an Anwendungen zu bauen. Um diese Vision umzusetzen, ist eine Verbesserung der Langzeitstabilität der beschleunigten Elektronen notwendig. Ein großes Verbesserungspotenzial liegt in der Optimierung der Treiberlaserstabilität. Zusätzlich zur Verbesserung der passiven Stabilität bietet eine eine Erhöhung der Repetitionsrate die Möglichkeit aktive Stabilisierungen zu nutzen, um niederfrequente Störungen aus z.B. Luftfluktuationen und mechanischen Vibrationen zu stabilisieren. Das übergreifende Ziel dieser Arbeit war Lasersetups für die Terawatt (TW), Chirped-Pulse-Amplification (CPA), Ti:Sa Lasersysteme ANGUS und KALDERA zu entwickeln, die die Beschleunigung von hochqualitativen Elektronen ermöglichen.
Zur Verbesserung der Langzeitstabilität des ANGUS Lasers wurde ein neues, zuverlässigeres Front-End, basierend auf Optical-Parametric Chirped-Pulse Amplification (OPCPA), gebaut. Diese Arbeit beschreibt das Design, die Justage und die Charakterisierung eines Pulsstreckers, der zur Integration des Front-ends in den Gesamtlaser benötigt wurde. Das Ziel war der Bau eines stabilen und gut einstellbaren Streckers und die Minimierung der Winkeldispersion des Ausgangsstrahls mithilfe eines Drei-Farben-Lasers. Die Charakterisierung des Streckers und seine Implementierung in das Gesamtlasersystem, welche die Kompression von 31 fs Laserpulsen ermöglichte, wird beschrieben.
Der KALDERA Laser, ein Laser-plasma Beschleuniger (LPA) Treiberlaser mit >100 Hz Pulsrepetitionsrate, wird zur Zeit auf dem DESY Campus entwickelt. Um den >100 W Durchschnittsleistung im finalen Pulskompressor standzuhalten, werden Vielschichtdielektrische (MLD) Gitter für den Pulskompressor benötigt. In dieser Arbeit wird die Entwicklung, der Aufbau und die Charakterisierung eines Zwei-Transmissionsgitter Öfner Streckers beschrieben, dessen Dispersion zu der des Kompressors passt. Der Strecker ermöglichte die erste Demonstration von Kompression von <30 fs Pulsen bei Ti:Sa Wellenlängen in einem Kompressor mit MLD Gittern. Die Charakterisierung der komprimierten Pulse zeigte, dass sich die verwendeten Konzepte für den KALDERA Laser und weitere zukünftige TW fs Lasersysteme mit hohen Durschnittsleitungen verwenden lassen.
Um die finalen Laserverstärker in KALDERA effizient zu betreiben, wird ein Boosterverstärker benötigt. Der designte Ti:Sa Verstärker erreicht in drei Durchgängen Energien von 0.5-1 mJ mit <1 % Energiiestabilität. Der entwickelte Strecker und Verstärker werden erfolgreich zum Betreiben des KALDERA Lasersystems eingesetzt und ermöglichen <0.5 % Energiestabilität im finalen Laserverstärker.
Titel
Kurzfassung
Laser-plasma accelerators (LPAs) are a promising technology to build compact and cost-efficient accelerators for a variety of applications. To realize this promise, the reliability and long-term stability of the accelerated electrons have to be improved.
Much of this improvement relates to the stability of the drive laser. Apart from improving passive stability, increasing the repetition rate of the laser from a few Hz to >100 Hz, enables the use of active stabilizations, that can account for many lower frequency contributions from e.g. mechanical vibrations and air-fluctuations. The overarching goal of the thesis is to develop steups for the Ti:Sa CPA TW-class laser systems ANGUS and KALDERA, that allow for a stable laser performance and acceleration of high-equality electrons.
To improve the long-term stability of the ANGUS laser, a new, more stable front-end, based on optical-parametric chriped-pulse amplification (OPCPA) was built. This thesis reports on the design, alignment and characterization of the stretcher, that was required to integrate the OPCPA front-end into the laser system. The design goal was to achieve a stable and tunable stretcher and to minimize the angular chirp of the output beam by alignment with a three-color-laser. The characterization of the stretcher and its implementation into the laser system, which led to the compression of pulses to 31 fs with sub-percent pulse duration stability will be presented.
With KALDERA a >100Hz repetition rate LPA drive laser is currently being developed on DESY campus. To withstand the >100 W average power in the final pulse compressor, multi-layer dielectric (MLD) gratings need to be used. This thesis reports on the development, setup and characterization of a two-transmission grating, two-pass Oeffner stretcher, that matches such a MLD compressor. Using this stretcher, compression to sub-30 fs pulse lengths at Ti:Sa wavelength in an out-of-plane compressor with MLD gratings could be demonstrated for the first time. The characterization of the output pulses showed the viability of the stretcher and compressor concept for the KALDERA laser and other future high-average power, TW, fs laser systems.
To efficiently seed the final amplifiers, a Booster amplifier is requierd for the KALDERA laser. The designed three-pass Ti:Sa amplifier provides 0.5-1 mJ output energy and sub-percent energy stability. The stretcher and the Booster amplifier successfully seed the KALDERA multi-pass amplifiers to saturation, enabling sub-0.5 % energy stability in the final amplifier stage.