Nonlinear spectral broadening and pulse compression in multipass cells

Victor Hariton

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Authors:

Supervisors:

Gonçalo Nuno Marmelo Foito Figueira (Gonçalo Nuno Marmelo Foito Figueira); Celso Manuel de Figueiredo Paiva João (Celso Manuel de Figueiredo Paiva João)

Published in

04/27/2023

Abstract

Os lasers pulsados de alta potência revolucionaram muitas áreas de pesquisa e são a ferramenta de escolha para várias aplicações industriais. Alguns exemplos de áreas científicas que beneficiaram dessa tecnologia incluem aceleração de partículas de plasma, fusão inercial, espectroscopia, geração coerente de raios X e muitas outras. Seu forte impacto na indústria viu o uso do laser crescer em áreas como medicina, telecomunicações, processamento de materiais e defesa militar. Os desenvolvimentos atuais estão focados na geração de sistemas laser ultracurtos e de alta potência capazes de desvendar novos regimes de interação luz-matéria. Os sistemas Petawatt, embora atualmente ao nosso alcance, exigem processos complexos e muitos estágios de amplificação, tornando-os difíceis de alcançar. Atualmente, tanto a comunidade de investigação como os utilizadores exigem fontes de laser capazes de fornecer impulsos de poucos ciclos com altas taxas de repetição, gerados de forma eficiente, utilizando tecnologia compacta, robusta e confiável. As fontes de laser baseadas em Ytterbium (Yb) são capazes de responder a quase todos os aspectos desses requisitos, sendo mesmo capazes de superar a antiga fonte de lasers mais usada no ramo, ou seja, os lasers baseados em Ti:safira. No entanto, a estreita largura de banda de emissão do Yb limita sua utilização direta para aplicações ultracurtas. O uso de técnicas de pós-compressão, em particular alargamento e compressão espectral, abriu as portas para a geração de impulsos de poucos ciclos de forma eficiente e simples. Essa tecnologia é a base de uma nova geração de fontes de laser que são capazes de combinar tanto altas potências médias e instantâneas, ao mesmo tempo e que melhoram as características do impulso, como contraste temporal, qualidade do feixe e limpeza de polarização, sendo elas críticas para amplificação adicional além do nível de petawatt. Nesta dissertação, investigamos a técnica de alargamento espectral multipass como um método de pós-compressão, mostrando que ela pode ser eficientemente usada em diversos arranjos com energias que variam entre alguns nanojoule até ao Joule. Em particular, um novo esquema óptico é demonstrado, baseado numa geometria côncava-convexa, capaz de contornar algumas das limitações dos esquemas anteriores e empurrar os limites para impulsos de energia mais altas. Também relatamos a primeira demonstração na faixa de energia sub-µJ como uma alternativa aos sistemas de compressão baseados em fibra de núcleo oco, fornecendo uma fonte robusta e confiável que pode potencialmente ser aumentada para kW de potência média. Além disso, a técnica multipass é demonstrada com sucesso na faixa de comprimento de onda visível (515 nm), fornecendo impulsos de femtossegundos eficientes a partir de uma fonte infravermelha. Esta nova abordagem tem o potencial de permitir a geração de fontes de laser ultravioleta profundo de potência média muito alta. Por fim, é desenvolvido um protótipo de sistema de alargamento espectral multipass e é demonstrada sua aplicação para uma fonte comercial com uma energia na feixa do milijoule. O seu desempenho e as suas características são estudadas e analisadas em termos de estabilidade e qualidade do feixe. Um fator de compressão do impulso de 10 é obtido transformando uma fonte de picosegundos diretamente numa fonte de femtosegundos com mais de 90% de eficiência, capaz de ser usada diretamente para uma variedade de aplicações. High-power pulsed lasers have revolutionized many areas of research and are the tool of choice for a number of industrial applications. A few examples of scientific areas that benefited from this technology include plasma particle acceleration, inertial fusion, spectroscopy, coherent X-ray generation, and many others. Their strong impact on the industry has seen laser use grow in areas such as medicine, telecommunication, material processing, and military defense. Current developments are focused on the generation of ultrafast, high-power laser systems able to unravel new regimes of light-matter interaction. Petawatt systems, although currently within our reach, require complex processes and many stages of amplification making them not easily achievable. Nowadays, both the research and user communities require laser sources able to deliver few-cycle pulses at high repetition rates, generated in an efficient way, using compact, robust and reliable technology. Ytterbium (Yb)-based laser sources are capable of fulfilling nearly every aspect of these requirements, even being able to outperform the previous workhorse of the laser field, namely, the Ti:sapphire based lasers. However, the narrowband emission cross-section of Yb limits their direct applicability for ultrafast applications. The application of post-compression techniques, in particular spectral broadening and compression, has opened the door towards the generation of few-cycle pulses in an efficient and simple fashion. This technology underlies a new generation of laser sources that are able to combine high average with high peak powers, while also improving pulse characteristics such as temporal contrast, beam quality, and polarization cleaning, all critical for further amplification beyond the petawatt level. In this thesis, we investigate the multipass spectral broadening technique as a post-compression method, showing that it can be efficiently employed in several setups with energies ranging from the nanojoule scale to the Joule-level. In particular, a new optical scheme is demonstrated, based on a concave-convex geometry, able to circumvent some of the limitations of the previous schemes and pushing the boundaries towards higher pulse energies. We also report the first demonstration in the sub-µJ energy range as an alternative to hollow core fiber-based compression systems, providing a robust and reliable source that can potentially be upscaled to kW of average power. Additionally, the multipass technique is successfully employed in the visible (515 nm) wavelength range, providing efficient femtosecond pulses from an infrared source. This novel approach has the potential to allow the generation of very high average-power deep ultraviolet laser sources. Finally, a prototype broadening multipass system is developed and its application to a mJ-level commercial source is demonstrated. Its performance and characteristics are studied and analyzed in terms of stability and beam quality. A pulse compression factor of 10 is achieved by transforming a ps-source directly in an fs-laser with over 90% efficiency, able to be directly used for a variety of applications.