Development of Carrier-Envelope-Phase-Stabilized, mJ-Class Laser Sources Generating Intense, Few-Cycle Laser Pulses
| dc.date.accessioned | 2020-05-25T09:02:53Z | |
| dc.date.available | 2020-05-25T09:02:53Z | |
| dc.date.issued | 2020-05-19 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202005121247 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/11569 | |
| dc.description.sponsorship | H2020-MSCA-ITN-2014-641789-MEDEA | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Namensnennung 4.0 International | * |
| dc.rights | Namensnennung 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | * |
| dc.subject.ddc | 530 | |
| dc.title | Development of Carrier-Envelope-Phase-Stabilized, mJ-Class Laser Sources Generating Intense, Few-Cycle Laser Pulses | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | Over a decade ago the frontiers of ultrashort physics and nonlinear optics have reached the attosecond timescale ($1 as = 10 ^ {-18} s$) . Currently, in order to generate isolated attosecond pulses, an intense femtosecond pulse is focused in a jet of a noble gas. Given the sufficient intensity, this leads to high harmonic generation (HHG), which can be filtered (gated) to create a single isolated attosecond pulse. The laser source for the driver pulses has to fulfill two requirements: the pulses need to be limited to the duration of only few optical cycles (<6 fs in case of the central wavelength of 800 nm) and the electric waveform needs to be stable. The latter in practice translates to the stability of the phase between the carrier wave and the pulse envelope. This quantity is known as the carrier-envelope phase (CEP). As the field of attosecond physics expands, more accent is put on the reliability and robustness of the few-cycle, CEP-stable laser sources. This work addresses two distinct challenges in this area. Currently, in order to generate mJ-level, few-cycle pulses the following approach is usually undertaken. First, nJ-level femtosecond pulses are generated in a laser oscillator. The generated oscillator pulses are stretched to tens or hundreds of picoseconds and injected into a laser amplifier. The pulses are then amplified to the mJ-level. This amplification method is known under the name of chirped pulse amplification. When the gain medium in the amplifier is titaniumsapphire (Ti:Sa) crystal, the pulse duration after the re-compression is on the order of 30 fs. As of this moment, it is not possible to achieve direct few-cycle output due to the effect known as the gain narrowing. This phenomenon stems from the Gaussian/Lorentzian profile of the gain curve, leading to stronger amplification of the spectral components near the gain maximum. Therefore, during the amplification process the spectrum of the pulses becomes narrower and the duration of the compressed output pulses increases. The gain narrowing presents the reason why the amplifier output duration is limited to the 30-fs range. Hence, for achieving mJ-level, few-cycle pulses, these 30-fs amplifier pulses must be spectrally broadened using a nonlinear scheme and re-compressed afterwards, achieving the few-cycle regime. This leads to more complicated, less stable setups and ultimately sets a limit on the achievable energy of the few-cycle pulses. There is also a trend in attosecond physics to perform experiments with more energetic XUV photons. This can be done by utilizing driver sources in the longer wavelength region. The reason for this is the scaling of the high harmonic cut-off frequency (which gives the most energetic photons) with l2 of the driver laser wavelength. However, the reverse scaling of $λ ^{-5.5}$ of the HHG efficiency makes the wavelengths in the far-infrared region less useful. In practice, this trade-off leads to the necessity of driver sources in the mid-infrared region (3-5 μm). Since there is currently no laser medium with a sufficiently broadband (for supporting few-cycle duration) emission curve in this wavelength region, the efforts have been concentrated on the development of parametric sources. When it comes to parametric sources in the mid-infrared, multitude of pump/seed sources and nonlinear crystals present viable options. As it stands, there is no universally accepted or “standard” scheme for generating few-cycle pulses in this wavelength region - various setups have their own up- and downsides. In the scope of this work, two unique laser systems with a stable CEP are developed to tackle the described challenges. The first laser system is an ultrabroadband, CEP-stable Ti:Sa amplifier. The compensation of the gain narrowing using custom spectral filters leads to a compact and robust amplification stage with a combination of output pulse parameters that has never before been demonstrated in the scientific literature. The direct output is CEP-stable with pulse duration of sub-13 fs and energy of 3:2 mJ. This system presents a major step forward towards direct generation of few-cycle, mJ-level pulses. The second laser system is a CEP-stable, potentially few-cycle mid-infrared parametric amplifier. It is pumped/seeded by a 30-fs Ti:Sa amplifier. The presented source explores the viability of using ultrashort laser pulses as pump/seed source for the system. The undertaken approach results in compressed, CEP-stable output with 300 μJ energy per pulse at the 3:4 μm central wavelength. The spectrum of the generated pulses supports few-cycle duration. Such a result has not been demonstrated before for Ti:Sa-pumped parametric amplifiers. This presents an important step towards simpler and more robust parametric sources in this wavelength region. In this work, the connection between these two systems is also outlined. Namely, the use of the presented ultrabroadband Ti:Sa amplifier as a prospective pump/seed source for the developed mid-infrared parametric amplifier. At the end of the thesis, results of two-color HHG experiments with the mid-infrared parametric amplifier are presented. | eng |
| dcterms.abstract | Vor über einem Jahrzehnt konnte mit Ultrakurzzeitpulslaser in Verbindung mit nichtlinearen Prozessen Attosekunden ($1 as = 10 ^ {-18} s$) Lichtpulszüge generiert werden. Um isolierte Attosekunden- Pulse zu erzeugen, wird derzeit ein intensiver Femtosekunden Laserpuls in einem Edelgasstrahl fokussiert: Bei ausreichender Intensität führt dies zu einer Hohen Harmonischen Erzeugung (HHG), die gefiltert werden kann, um einen einzelnen isolierten Attosekundenpuls zu erzeugen. Die Laserquelle für die Treiberpulse muss zwei Anforderungen erfüllen: Die Pulse müssen auf die Dauer von nur wenigen optischen Zyklen (<6 fs bei 800-nm Zentralwellenlänge) begrenzt sein und das elektrische Feld muss stabil sein. Letzteres übersetzt sich in der Praxis in die Stabilität der Phase zwischen der Trägerwelle und der Einhüllenden des Laserpulses. Diese Größe wird als Carrier-Envelope Phase (CEP) bezeichnet. Mit zunehmender Verbreitung der Attosekundenphysik wird die Zuverlässigkeit und Robustheit der CEP-stabilen Laserquellen mit wenigen Zyklen immer wichtiger. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei unterschiedlichen Herausforderungen in diesem Bereich. Gegenwärtig wird zur Erzeugung von Laserpulsen in mJ-Bereich und wenigen Zyklen üblicherweise der folgende Ansatz gewählt. Zunächst werden in einem Laseroszillator Femtosekundenpulse auf nJ-Niveau erzeugt. Die erzeugten Oszillatorpulse werden dann auf einige zehn oder hundert Pikosekunden gedehnt und in einen Laserverstärker eingekoppelt und in den mJ-Bereich verstärkt. Diese Verstärkungsmethode ist unter der Bezeichnung Chirped Pulse Amplification bekannt. Wenn das Verstärkungsmedium ein Titan-Saphir-Kristall (Ti:Sa) ist, liegt die typische Pulsdauer der Laserpulsen in der Größenordnung von 30 fs. Die Limitierung in der Pulsdauer hin zu kürzeren Pulsdauern ergibt sich aufgrund des Gain Narrowing Prozesses im Verstärker. Gain Narrowing bedeutet, dass es beim Verstärkungsprozess zu einer starken Einschnürung der spektralen Breite der verstärkten Laserpulse kommt, was letztendlich die Pulsdauer vergrößert. Dieses Phänomen beruht auf dem Gaußschen / Lorentzschen Profil der Verstärkungskurve, die bewirkt, dass die spektralen Komponenten in der Nähe des Verstärkungsmaximums eine viel höhere Verstärkung erfahren. Zur Erzielung von Laserpulsen im mJ-Bereich und wenigen Zyklen muss daher, unter Verwendung eines nichtlinearen Schemas eine zusätzliche spektrale Verbreiterung der Pulse erfolgen. Dies führt zu komplizierteren, weniger stabilen Aufbauten und begrenzt letztendlich die erreichbare Energie der Laserpulse mit wenigen Zyklen. Eine weitere Anforderung an die Laserquellen, die sich aus der Attosekunden Spektroskopie ableitet ist, dass Attosekunden Lichtpulse im XUV Bereich f¨ur die Experimente benötigt werden. Dies kann durch Verwendung von Treiberquellen im infraroten Wellenlängenbereich erfolgen. Der Grund dafür ist, dass die höchst erzielbare Photonenenergie der Hohen Harmonischen mit dem Quadrat der Treiberlaserwellenlänge $ \lambda^2$ skaliert. Allerdings skaliert die HHG Effizienz umgekehrte mit $\lambda^{-5.5}$, was bedeutet, dass die Laserquelle im fernen Infrarotbereich sehr intensive Laserpulse erzeugen muss. In der Praxis hat sich gezeigt, dass Laserquellen im Infrarotbereich von 3-5 μm geeignet sind, um eine hohe Photonenenergie der Hohen Harmonischen bei gleichzeitig ausreichender Effizienz zu erreichen. Da es in diesem Wellenlängenbereich derzeit kein Lasermedium mit ausreichend breitbandiger Emissionskurve (zur Unterstützung der Dauer von wenigen Zyklen) gibt, wurden die Anstrengungen auf die Entwicklung parametrischer Quellen konzentriert. Wenn es um parametrische Quellen im mittleren Infrarot geht, bieten sich eine Vielzahl von Pump-/Seed-Laserquellen und nichtlinearen Kristallen an. Derzeit gibt es in diesem Wellenlängenbereich kein allgemein akzeptiertes “Standard”-Schema. Verschiedene Aufbauten haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung von zwei einzigartigen Lasersystemen, die in der Lage sind CEP stabile Laserpulse zu generieren dargelegt. Das erste Lasersystem ist ein ultrabreitband CEP-stabiler Ti:Sa-Verstärker. Die Kompensation des Gain Narrowing unter Verwendung von speziell designten Spektralfiltern führt zu einer kompakten und robusten Verstärkungsstufe. Es konnten Laserparameter erzielt werden, die in der wissenschaftlichen Literatur noch nie gezeigt wurden. Das Lasersystem erzeugt CEP-stabile Laserpulse mit einer Pulsdauer von unter 13 fs und einer Energie von 3:2 mJ. Dieses System ist ein großer Fortschritt auf dem Weg zur direkten Erzeugung von Laserpulsen in mJ-Bereich mit wenigen optischen Zyklen. Das zweite Lasersystem ist ein CEP-stabiler parametrischer Mittelinfrarot-Verstärker. Der parametrische Verstärker wird mit einem 30-fs-Ti:Sa-Verstärker optisch gepumpt und geseedet. Mit diesem Ansatz ist es möglich CEP stabile Laserpulse im Infrarotbereich von 3:4 μm bei einer Pulsenergie von 300 μJ zu erzeugen. Erste Messungen zeigen, dass mit diesen System Laser Pulse mit wenigen optischen Zyklen generiert werden können. Dieses Ergebnis wurden bisher mit Ti:Sa-gepumpte parametrische Verstärker nicht erreicht. Beide Systeme sind ein wichtiger Schritt in Richtung einfacherer und robusterer parametrische Laserquellen für die Attosekunden Physik. In dieser Arbeit wird auch der Zusammenhang zwischen den beiden Lasersystemen skizziert. Insbesondere die große spektrale Breite, die mit dem Ti:Sa-Verstärker erzielt wird, eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von parametrischen Verstärkern im mittleren Infrarotbereich. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Musheghyan, Mikayel | |
| dcterms.dateAccepted | 2020-03-02 | |
| dcterms.extent | xiv, 126 S. | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Physik | |
| dc.contributor.referee | Baumert, Thomas (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Assion, Andreas (PD Dr.) | |
| dc.relation.projectid | H2020-MSCA-ITN-2014-641789-MEDEA | |
| dc.subject.swd | Physik | ger |
| dc.subject.swd | Laserimpuls | ger |
| dc.subject.swd | Ultrakurzzeitlaser | ger |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| kup.iskup | false |
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