Abstract

We demonstrate a four-stage optical parametric chirped-pulse amplification system that delivers carrier-envelope phase-stable 1.5μm pulses with energies up to 12.5mJ before recompression. The system is based on a fusion of femtosecond diode-pumped solid-state Yb technology and a picosecond 100mJ Nd:YAG pump laser. Pulses with 62nm bandwidth are recompressed to a 74.4fs duration close to the transform limit. To show the way toward a terawatt-peak-power single-cycle IR source, we demonstrate self-compression of 2.2mJ pulses down to 19.8fs duration in a single filament in argon with a 1.5mJ output energy and 66% energy throughput.

© 2009 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. F. Krausz and M. Ivanov, Rev. Mod. Phys. 81, 163 (2009).
    [CrossRef]
  2. X. Gu, G. Marcus, Y. Deng, T. Metzger, C. Teisset, N. Ishii, T. Fuji, A. Baltuska, R. Butkus, V. Pervak, H. Ishizuki, T. Taira, T. Kobayashi, R. Kienberger, and F. Krausz, Opt. Express 17, 62 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. C. Vozzi, F. Calegari, E. Benedetti, S. Gasilov, G. Sansone, G. Cerullo, M. Nisoli, S. De Silvestri, and S. Stagira, Opt. Lett. 32, 2957 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. E. J. Takahashi, T. Kanai, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 93, 041111 (2008).
    [CrossRef]
  5. B. Shan and Z. Chang, Phys. Rev. A 65, 011804(R) (2001).
    [CrossRef]
  6. J. Tate, T. Auguste, H. G. Muller, P. Salières, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Phys. Rev. Lett. 98, 013901 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
    [CrossRef]
  8. V. S. Yakovlev, M. Ivanov, and F. Krausz, Opt. Express 15, 15351 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. E. J. Takahashi, T. Kanai, K. L. Ishikawa, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Phys. Rev. Lett. 101, 253901 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. L. Bergé, Opt. Express 16, 21529 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. O. D. Mücke, D. Sidorov, P. Dombi, A. Pugžlys, A. Baltuška, S. Ališauskas, V. Smilgevičius, J. Pocius, L. Giniūnas, R. Danielius, and N. Forget, Opt. Lett. 34, 118 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. D. Kraemer, M. L. Cowan, R. Hua, K. Franjic, and R. J. D. Miller, J. Opt. Soc. Am. B 24, 813 (2007).
    [CrossRef]
  15. A. Suda, M. Hatayama, K. Nagasaka, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 86, 111116 (2005).
    [CrossRef]
  16. G. Stibenz, N. Zhavoronkov, and G. Steinmeyer, Opt. Lett. 31, 274 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]

2009 (4)

2008 (4)

L. Bergé, Opt. Express 16, 21529 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

E. J. Takahashi, T. Kanai, K. L. Ishikawa, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Phys. Rev. Lett. 101, 253901 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

E. J. Takahashi, T. Kanai, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 93, 041111 (2008).
[CrossRef]

2007 (5)

2006 (1)

2005 (1)

A. Suda, M. Hatayama, K. Nagasaka, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 86, 111116 (2005).
[CrossRef]

2001 (1)

B. Shan and Z. Chang, Phys. Rev. A 65, 011804(R) (2001).
[CrossRef]

Agostini, P.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

J. Tate, T. Auguste, H. G. Muller, P. Salières, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Phys. Rev. Lett. 98, 013901 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Ališauskas, S.

Auguste, T.

J. Tate, T. Auguste, H. G. Muller, P. Salières, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Phys. Rev. Lett. 98, 013901 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Bahabad, A.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Baltuska, A.

Baltuška, A.

Benedetti, E.

Bergé, L.

Blaga, C. I.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Butkus, R.

Calegari, F.

Catoire, F.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

Cerullo, G.

Chang, Z.

B. Shan and Z. Chang, Phys. Rev. A 65, 011804(R) (2001).
[CrossRef]

Chen, M.-C.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Chirla, R.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Christov, I. P.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Cohen, O.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Colosimo, P.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Cowan, M. L.

Cryan, J.

Danielius, R.

De Silvestri, S.

Deng, Y.

DiMauro, L. F.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

J. Tate, T. Auguste, H. G. Muller, P. Salières, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Phys. Rev. Lett. 98, 013901 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Dombi, P.

Doumy, G.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Forget, N.

Franjic, K.

Fuji, T.

Gasilov, S.

Gerrity, M.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Giniunas, L.

Gu, X.

Hatayama, M.

A. Suda, M. Hatayama, K. Nagasaka, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 86, 111116 (2005).
[CrossRef]

Hauri, C.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

Hauri, C. P.

Hua, R.

Ishii, N.

Ishikawa, K. L.

E. J. Takahashi, T. Kanai, K. L. Ishikawa, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Phys. Rev. Lett. 101, 253901 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Ishizuki, H.

Ivanov, M.

Kanai, T.

E. J. Takahashi, T. Kanai, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 93, 041111 (2008).
[CrossRef]

E. J. Takahashi, T. Kanai, K. L. Ishikawa, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Phys. Rev. Lett. 101, 253901 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kapteyn, H. C.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Kienberger, R.

Kobayashi, T.

Kraemer, D.

Krausz, F.

Lopez-Martens, R. B.

March, A. M.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Marcus, G.

Metzger, T.

Midorikawa, K.

E. J. Takahashi, T. Kanai, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 93, 041111 (2008).
[CrossRef]

E. J. Takahashi, T. Kanai, K. L. Ishikawa, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Phys. Rev. Lett. 101, 253901 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

A. Suda, M. Hatayama, K. Nagasaka, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 86, 111116 (2005).
[CrossRef]

Miller, R. J. D.

Mücke, O. D.

Muller, H. G.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

J. Tate, T. Auguste, H. G. Muller, P. Salières, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Phys. Rev. Lett. 98, 013901 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Murnane, M. M.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Nabekawa, Y.

E. J. Takahashi, T. Kanai, K. L. Ishikawa, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Phys. Rev. Lett. 101, 253901 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

E. J. Takahashi, T. Kanai, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 93, 041111 (2008).
[CrossRef]

Nagasaka, K.

A. Suda, M. Hatayama, K. Nagasaka, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 86, 111116 (2005).
[CrossRef]

Nisoli, M.

Paulus, G. G.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

Pervak, V.

Pocius, J.

Popmintchev, T.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Power, E. P.

Pugžlys, A.

Roedig, C.

Salières, P.

J. Tate, T. Auguste, H. G. Muller, P. Salières, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Phys. Rev. Lett. 98, 013901 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Sansone, G.

Schultz, K. D.

Shan, B.

B. Shan and Z. Chang, Phys. Rev. A 65, 011804(R) (2001).
[CrossRef]

Sidorenko, P.

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Sidorov, D.

Sistrunk, E.

Smilgevicius, V.

Stagira, S.

Steinmeyer, G.

Stibenz, G.

Suda, A.

A. Suda, M. Hatayama, K. Nagasaka, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 86, 111116 (2005).
[CrossRef]

Taira, T.

Takahashi, E. J.

E. J. Takahashi, T. Kanai, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 93, 041111 (2008).
[CrossRef]

E. J. Takahashi, T. Kanai, K. L. Ishikawa, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Phys. Rev. Lett. 101, 253901 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Tate, J.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

J. Tate, T. Auguste, H. G. Muller, P. Salières, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Phys. Rev. Lett. 98, 013901 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Teisset, C.

Vozzi, C.

Wheeler, J.

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

C. P. Hauri, R. B. Lopez-Martens, C. I. Blaga, K. D. Schultz, J. Cryan, R. Chirla, P. Colosimo, G. Doumy, A. M. March, C. Roedig, E. Sistrunk, J. Tate, J. Wheeler, L. F. DiMauro, and E. P. Power, Opt. Lett. 32, 868 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Yakovlev, V. S.

Zhavoronkov, N.

Appl. Phys. Lett. (2)

E. J. Takahashi, T. Kanai, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 93, 041111 (2008).
[CrossRef]

A. Suda, M. Hatayama, K. Nagasaka, and K. Midorikawa, Appl. Phys. Lett. 86, 111116 (2005).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. B (1)

Nat. Phys. (1)

P. Colosimo, G. Doumy, C. I. Blaga, J. Wheeler, C. Hauri, F. Catoire, J. Tate, R. Chirla, A. M. March, G. G. Paulus, H. G. Muller, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Nat. Phys. 4, 386 (2008).
[CrossRef]

Opt. Express (3)

Opt. Lett. (4)

Phys. Rev. A (1)

B. Shan and Z. Chang, Phys. Rev. A 65, 011804(R) (2001).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (2)

J. Tate, T. Auguste, H. G. Muller, P. Salières, P. Agostini, and L. F. DiMauro, Phys. Rev. Lett. 98, 013901 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

E. J. Takahashi, T. Kanai, K. L. Ishikawa, Y. Nabekawa, and K. Midorikawa, Phys. Rev. Lett. 101, 253901 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1)

T. Popmintchev, M.-C. Chen, A. Bahabad, M. Gerrity, P. Sidorenko, O. Cohen, I. P. Christov, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 10516 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Rev. Mod. Phys. (1)

F. Krausz and M. Ivanov, Rev. Mod. Phys. 81, 163 (2009).
[CrossRef]

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

Scheme of the OPCPA power-amplification stages three and four: G, reflection grating; CM, curved mirror; PM, plane mirror; TM/BM, top/bottom mirror; AOPDF, acousto-optic programmable dispersive filter; RA, regenerative amplifier; PA, double-pass postamplifier; f, f3, f4, f5, lens focal lengths; T1, T2, telescopes; A, aperture; W1/W2, input/output windows; BP, beam profiler.

Fig. 2
Fig. 2

Spectral properties of the power-amplification OPCPA stages: spectrum of the third-stage seed, amplified signal spectra after stages three and four. The amount of ASE is immeasurable in the absence of the WL seed in OPA stage 1. The dashed curve indicates the idler transmission through 10 mm of KTP.

Fig. 3
Fig. 3

SHG–FROG characterization of the 20 Hz output from the four-stage IR OPCPA. (a) Measured and (b) retrieved FROG traces. (c) Measured spectrum, retrieved spectral intensity and phase. (d) Retrieved temporal intensity and phase profiles exhibiting a 74.4 fs FWHM pulse duration. The TL intensity profile (dashed curve) corresponds to a 72.6 fs duration.

Fig. 4
Fig. 4

Self-compression of 1.5 mJ pulses in argon at 5 bars: (a)–(d) as in Fig. 3; retrieved pulse duration 19.8 fs, TL 15.9 fs. (e)–(g) Far-field spatial beam profiles measured with the pyroelectric 2D array: (e) after OPCPA grating compressor, (f) apertured filamentation input measured behind iris aperture A, (g) total beam profile behind the filamentation cell. Image size is 12.4 mm × 12.4 mm .

Metrics