Abstract

Carrier-envelope phase (CEP) stabilization of a femtosecond chirped-pulse amplification system featuring a compact transmission grating compressor is demonstrated. The system includes two amplification stages and routinely generates phase-stable (250  mrad rms) 2 mJ, 25 fs pulses at 1 kHz. Minimizing the optical pathway in the compressor enables phase stabilization without feedback control of the grating separation or beam pointing. We also demonstrate for the first time to the best of our knowledge, out-of-loop control of the CEP using an acousto-optic programmable dispersive filter inside the laser chain.

© 2009 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. G. Sansone, E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, New J. Phys. 10, 025006 (2008).
    [CrossRef]
  3. M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
    [CrossRef]
  4. C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
    [CrossRef]
  5. A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
    [CrossRef]
  6. A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
    [CrossRef]
  7. M. Kakehata, H. Takada, Y. Kobayashi, K. Torizuka, H. Takamiya, K. Nishijima, T. Homma, H. Takahashi, K. Okubo, S. Nakamura, and Y. Koyamada, Opt. Express 12, 2070 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. E. Gagnon, I. Thomann, A. Paul, A. L. Lytle, S. Backus, M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, and A. S. Sandhu, Opt. Lett. 31, 1866 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. Z. Chang, Appl. Opt. 45, 8350 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. C. Li, E. Moon, and Z. Chang, Opt. Lett. 31, 3113 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. C. Li, H. Mashiko, H. Wang, E. Moon, S. Gilbertson, and Z. Chang, Appl. Phys. Lett. 92, 191114 (2008).
    [CrossRef]
  12. F. Verluise, V. Laude, Z. Cheng, C. Spielmann, and P. Tournois, Opt. Lett. 25, 575 (2000).
    [CrossRef]
  13. M. Kakehata, H. Takada, Y. Kobayashi, K. Torizuka, Y. Fujihira, T. Homma, and H. Takahashi, Opt. Lett. 26, 1436 (2001).
    [CrossRef]
  14. C. Li, E. Moon, H. Wang, H. Mashiko, C. M. Nakamura, J. Tackett, and Z. Chang, Opt. Lett. 32, 796 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]

2008

G. Sansone, E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, New J. Phys. 10, 025006 (2008).
[CrossRef]

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

C. Li, H. Mashiko, H. Wang, E. Moon, S. Gilbertson, and Z. Chang, Appl. Phys. Lett. 92, 191114 (2008).
[CrossRef]

2007

C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
[CrossRef]

C. Li, E. Moon, H. Wang, H. Mashiko, C. M. Nakamura, J. Tackett, and Z. Chang, Opt. Lett. 32, 796 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

2006

2004

2003

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

2001

2000

Abel, M. J.

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

Backus, S.

Baltuska, A.

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Bell, M. J.

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

Benedetti, E.

G. Sansone, E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, New J. Phys. 10, 025006 (2008).
[CrossRef]

Chang, Z.

Cheng, Z.

Chipperfield, L. E.

C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
[CrossRef]

Fujihira, Y.

Gagnon, E.

Gilbertson, S.

C. Li, H. Mashiko, H. Wang, E. Moon, S. Gilbertson, and Z. Chang, Appl. Phys. Lett. 92, 191114 (2008).
[CrossRef]

Gohle, C.

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Goulielmakis, E.

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

Hansch, T. W.

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Hasovic, E.

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Haworth, C. A.

C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
[CrossRef]

Hentschel, M.

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Holwarth, R.

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Homma, T.

Jullien, A.

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

Kakehata, M.

Kapteyn, H. C.

Kienberger, R.

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

Kling, M. F.

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Knight, P. L.

C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
[CrossRef]

Kobayashi, Y.

Koyamada, Y.

Krausz, F.

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Laude, V.

Leone, S. R.

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

Li, C.

Lytle, A. L.

Marangos, J. P.

C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
[CrossRef]

Mashiko, H.

C. Li, H. Mashiko, H. Wang, E. Moon, S. Gilbertson, and Z. Chang, Appl. Phys. Lett. 92, 191114 (2008).
[CrossRef]

C. Li, E. Moon, H. Wang, H. Mashiko, C. M. Nakamura, J. Tackett, and Z. Chang, Opt. Lett. 32, 796 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Milosevic, D. B.

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Moon, E.

Muller, H. G.

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Murnane, M. M.

Nagel, P. M.

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

Nakamura, C. M.

Nakamura, S.

Neumark, D. M.

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

Nishijima, K.

Nisoli, M.

G. Sansone, E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, New J. Phys. 10, 025006 (2008).
[CrossRef]

Okubo, K.

Paul, A.

Pfeifer, T.

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

Rauschenberger, J.

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Robinson, J. S.

C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
[CrossRef]

Sandhu, A. S.

Sansone, G.

G. Sansone, E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, New J. Phys. 10, 025006 (2008).
[CrossRef]

Scrinzi, A.

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Spielmann, C.

Stagira, S.

G. Sansone, E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, New J. Phys. 10, 025006 (2008).
[CrossRef]

Tackett, J.

Takada, H.

Takahashi, H.

Takamiya, H.

Thomann, I.

Tisch, J. W. G.

C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
[CrossRef]

Torizuka, K.

Tournois, P.

Udem, T.

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

Uiberacker, M.

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Uphues, T.

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Verhoef, A. J.

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Verluise, F.

Vozzi, C.

G. Sansone, E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, New J. Phys. 10, 025006 (2008).
[CrossRef]

Vrakking, M. J. J.

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Wang, H.

C. Li, H. Mashiko, H. Wang, E. Moon, S. Gilbertson, and Z. Chang, Appl. Phys. Lett. 92, 191114 (2008).
[CrossRef]

C. Li, E. Moon, H. Wang, H. Mashiko, C. M. Nakamura, J. Tackett, and Z. Chang, Opt. Lett. 32, 796 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Yakovlev, V. S.

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

Appl. Opt.

Appl. Phys. B

A. Jullien, T. Pfeifer, M. J. Abel, P. M. Nagel, M. J. Bell, D. M. Neumark, and S. R. Leone, Appl. Phys. B 93, 433 (2008).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

C. Li, H. Mashiko, H. Wang, E. Moon, S. Gilbertson, and Z. Chang, Appl. Phys. Lett. 92, 191114 (2008).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron.

A. Baltuska, M. Uiberacker, E. Goulielmakis, R. Kienberger, V. S. Yakovlev, T. Udem, T. W. Hansch, and F. Krausz, IEEE J. Quantum Electron. 9, 972 (2003).
[CrossRef]

Nat. Phys.

C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, and J. W. G. Tisch, Nat. Phys. 3, 52 (2007).
[CrossRef]

Nature

A. Baltuska, T. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, C. Gohle, R. Holwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

New J. Phys.

G. Sansone, E. Benedetti, C. Vozzi, S. Stagira, and M. Nisoli, New J. Phys. 10, 025006 (2008).
[CrossRef]

M. F. Kling, J. Rauschenberger, A. J. Verhoef, E. Hasovic, T. Uphues, D. B. Milosevic, H. G. Muller, and M. J. J. Vrakking, New J. Phys. 10, 025024 (2008).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Experimental scheme of 2 mJ, 25 fs, 1 kHz CEP-stable CPA system with transmission gratings (TGC) and chirped mirrors (CM) compressor. (BSA, beam splitter and attenuator; FI, Faraday isolator).

Fig. 2
Fig. 2

Temporal and spatial characterization of the compressed 2.1 mJ pulses. (a) Spectral intensity (solid curve) and phase (dashed curve) obtained from SPIDER measurement. (b) Temporal intensity profile (SPIDER). (c) Spatial intensity distribution in the far field (the 7 mm diameter output beam is focused by a 1 m lens). Vertical and horizontal profiles are fitted by a Gaussian distribution (white curves). The measured value for the M 2 factor is 1.2 .

Fig. 3
Fig. 3

CEP stability measurements (spectrometer integration time: 1 ms). (a) Single-shot fringe pattern from the collinear f-to- 2 f interferometer for 2000 consecutive shots. One typical spectrum is shown in the inset for illustration. (b) Measured relative CEP drift of amplified pulses without a feedback loop. (c) Measured stabilized CEP drift of amplified pulses with feedback control over 15 min (250 mrad rms). The stabilization of the CEP over 1 h has been measured with an rms error of 290 mrad.

Fig. 4
Fig. 4

Measured CEP (gray curve) of amplified pulses and successive phase steps applied by the AOPDF (black curve).

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

φ opt , in ( ω opt ) + φ acc , in ( ω acc ) φ opt , diff ( ω opt ) = π / 2 ,

Metrics