Design and Implementation of a High-Contrast, Millijoule-Level Ultrafast Optical Parametric Amplifier for High-Intensity Lasers

The objective of this work was the development of a laser module to improve the temporal contrast of high-intensity laser systems and its implementation at the high-power laser PHELIX at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. By improving the temporal contrast, experiments with laser-plasma interaction under extreme peak intensities should be made possible without disturbing or destroying the target before the arrival of the main pulse. In the frame of this work, I have therefore developed an ultrafast optical parametric amplifier (uOPA), which enables high-temporal-contrast amplification of short laser pulses up to the millijoule range and can thus replace subsequent contrast-degrading amplifier systems. In addition to reducing amplified spontaneous emission, the occurrence of pre-pulses can also be prevented. I have additionally developed a dedicated pump module for this amplifier, which can be used in a wide spectral range around the central wavelength of 1 μm and thereby can be implemented on various laser systems as a pump laser for uOPA systems. Thus, in addition to the high-contrast amplifier for the Nd:glass laser system PHELIX, I have built a second uOPA module for use in the diode-pumped Yb:CaF2 laser system PENELOPE. I implemented the module on the high-power PHELIX laser as part of this work, which successfully replaced an amplifier, which generated intense pre-pulses, in the amplification chain. This allowed me to lower the pre-pulse contrast at PHELIX by nearly three orders of magnitude to a contrast level of 6.2·10⁻¹¹, keeping the pre-pulse intensity, even for the highest possible intensity at PHELIX, below 100 GW/cm².

Das Ziel der hier vorliegenden wissenschaftlichen Ausarbeitung war die Entwicklung eines Lasermoduls zur Verbesserung des zeitlichen Kontrastes an Hochintensitätslasersystemen und dessen Implementierung am Hochleistungslaser PHELIX an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt. Durch die Verbesserung des zeitlichen Kontrastes sollen Experimente mit Laser-Plasma-Wechselwirkung unter extremen Spitzenintensitäten ermöglicht werden, ohne das Target bereits vor dem Eintreffen des Hauptpulses zu modulieren oder zu zerstören. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich deshalb einen ultraschnellen optisch-parametrischen Verstärker (engl. ultrafast optical parametric amplifier, uOPA) entwickelt, welcher eine Verstärkung mit hohem zeitlichen Kontrast von kurzen Laserpulsen bis in den Millijoulebereich ermöglicht und somit nachfolgende, kontrastverschlechternde Verstärkersysteme ersetzen kann. Dadurch kann neben der Reduktion der verstärkten Spontanemission auch das Auftreten von Vorpulsen verhindert werden. Dafür habe ich zusätzlich ein Pumpmodul für diesen Verstärker entwickelt, welches sich in einem breiten Bereich um die zentrale Wellenlänge von 1 μm einsetzen lässt und somit an verschiedenen Lasersystemen als Pumplaser für uOPA Systeme eingesetzt werden kann. So habe ich neben dem Hochkontrastverstärker für das Nd:Glas Lasersystem PHELIX ein zweites uOPA Modul für den Einsatz am diodengepumpten Yb:CaF2 Lasersystem PENELOPE aufgebaut. Die Implementierung des Moduls am Hochleistungslaser PHELIX habe ich im Rahmen dieser Arbeit umgesetzt, wodurch ein Verstärker, welcher intensive Vorpulse erzeugte, erfolgreich aus der Verstärkungskette entfernt werden konnte. Damit habe ich den Vorpulskontrast am PHELIX um nahezu drei Größenordnungen auf ein Kontrastlevel von 6,2·10⁻¹¹ abgesenkt, wodurch die Vorpulsintensität, selbst für die höchstmögliche Intensität am PHELIX, unter 100 GW/cm² gehalten werden kann.