Pulsed Laser Beam Quality Assessment via Phase Retrieval

Abstract

In the search for a better understanding of the fundamental nature of the atom, the development of femtosecond pulsed laser sources has opened up for many applications, in particular in time-resolved physics. For many of those, like the generation of attosecond pulses through high-order harmonic generation, high intensity is needed and the quality of the beam is a critical factor.

Most commonly, beam quality is quantified by the M^2-values, which relates the actual beam size to an ideal Gaussian beam. This procedure however is often very time consuming, the quality of the beam is only defined by one parameter and no information of the spatial phase or the focused intensity is obtained. This is what has prompted the development of a novel beam diagnostic tool, inspired by diffractive imaging. The diagnostic tool relies on the Fourier transform relation between the beam in two different planes. Through an iterative algorithm the spatial phase of the beam can be retrieved. With both the intensity profile and phase of the beam known, the beam profile through the focus as well as in the far-field, can be reconstructed. From which parameters like the M^2-value and the Strehl ratio, which relates the intensity to the theoretical best, can be derived.

As the need for experimental set-ups with better resolution and with higher fidelity is evergrowing, we apply the developed tool to characterize and assess the attosecond pump-probe interferometric set-up that is being upgraded at the Atomic Physics Division at Lund University. The general set-up, together with improvements to its stability and flexibility are presented. Where the upgraded set-up shows promise for producing better resolved attosecond pump-probe experiments with a high fidelity. The beam diagnostic tool is very well-suited to evaluate the beam quality in different places in the set-up. Future prospects of improvements to the diagnostic tool, involves a full decomposition of the spatial phase into e.g. Zernike polynomials, allowing for a characterization of the aberrations present in the beam.

Popular Abstract (Swedish)

Vad är det minsta ni någonsin har mätt? Vad är den snabbaste händelsen ni någonsin observerat? Kanske har ni haft turen att studera naturen omkring er med hjälp av ett mikroskop, kanske har ni sett en "slow motion" film av explosioner som sker på endast en bråkdel av en sekund. Finns det någon begränsning på hur små objekt vi kan mäta, på hur snabba händelseförlopp vi kan observera?

På samma sätt som man använder en linjal som en referens för att mäta hur långt någonting är, behövs en längd- och/eller en tidsskala som är kort nog för att fungera som en referens för det vi vill undersöka. Det har länge varit känt att man med hjälp av ljus kan studera naturen runt omkring sig på väldigt många olika sätt. Detta är möjligt eftersom våglängden på ljuset kan fungera som en längdreferens. För att undersöka fenomen på den atomära skalan, behöver man därför ljus som har våglängder i det extremultravioletta spektrat eller kortare. Samtidigt är problemet med att generera en tidsreferens som är kort nog, kvarstående. Det är nu fördelen med att studera naturen med hjälp av ljus blir uppenbar. Detta tack vare att ljus också kan genereras i form av korta pulser, som då även kan användas som en tidsreferens samtidigt. Med pulser som är på storleksordningen av några attosekunder (1 attosekund = 10^{-18} sekunder) kan man även studera de händelseförlopp som sker inuti en atom. Med väldigt välutvecklade tekniker, har forskare över hela världen skapat metoder för att framställa väldigt korta ljuspulser genom generering av harmoniska övertoner. Genom att fokusera ner den genererande ljuspulsen i gaser, resulterar detta i attosekundljuspulser med våglängder i det extremultravioletta spektrat som kan användas för att studera atomära fenomen i realtid.

Attosekundsfysik kan, som beskrivet ovan, i sin absolut mest simpla form beskrivas som studerandet av molekylära och atomära fenomen, med hjälp av ultrakorta ljuspulser. Det kan vara svårt att få en känsla för hur kortvariga dessa pulserna är, men en vanligt förekommande liknelse är att storleksskillnaden mellan universums ålder och en sekund, är ungefär lika stor som storleksskillnaden mellan en sekund och en attosekund. Det sker alltså ungefär lika många attosekunder varje sekund, som det har skett sekunder sedan universums "födelse".

Syftet med projektet har berört arbetet om hur man mäter och definierar kvaliteten av korta ljuspulser. Framförallt har kvaliteten på den genererande infraröda femtosekunds- (1 femtosekund = 10^{-15} sekunder) ljuspulsen undersökts, eftersom den är direkt korrelerad med kvaliteten på den genererade extremultravioletta attosekundspulsen. Med andra ord, är kvaliteten på den genererande ljuspulsen en kritisk faktor för god tillförlitlighet av referenserna som används i experimenten. Men eftersom processen att karakterisera lasern och mäta dess kvalitet är en väldigt långsam process, har utvecklingen av en snabbare och djupare metod för att karakterisera ljuspulser även undersökts och utvecklats under detta projekt. Utöver detta, har jag parallellt med byggandet av den nya forskningsstationen, interaktivt dokumenterat och förbättrat stabiliteten och flexibiliteten för att möjligöra flera olika typer av experiment, utan att starkt påverka kvaliteten av experimenten. Sammanfattningsvis kan detta arbete förkortas som utvecklandet av en ny metod för karakterisering och kvalitetsestimering av ljuspulser, samt uppgraderingen och dokumentationen av en ny attosekunds-forskningstation.

Så för att besvara frågan jag öppnade med: Det minsta jag någonsin mätt är på storleksskalan av atomer och den kortaste händelsen jag någonsin "observerat" är på storleksordningen av hundratals attosekunder.

• author: Ammitzböll, Mattias
• supervisor: Cord Arnold; Robin Weissenbilder
• organization: Atomic Physics
• alternative title: Pulsed Laser Beam Quality Assessment via Phase Retrieval - with applications to attosecond pump-probe interferometry
• alternative title: Kvalitetsestimering av laserpulser genom fashämtning
• course: PHYM01 20202
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: GSA, phase retrieval, Gerchberg-Saxton, femtosecond, pulsed, laser, beam quality, attosecond, interferometry
• language: English
• id: 9065001
• date added to LUP: 2021-09-14 15:57:12
• date last changed: 2021-09-14 15:57:12