Manipulation and application of laser light using spatial light modulation

Abstract

Attosecond pulses obtained via high harmonic generation often suffer from chromatic aberration. This is inherent from the generation process as a consequence of the spatial profile of the driving laser pulses. Consequently, the focus positions and divergences of consecutive harmonics vary, leading to chromatic aberration which prevents high-quality refocusing as is critically required for applications.

The aim of this project is to develop a way of diminishing this chromatic aberration through spatial phase manipulation of the driving laser pulses. This is done through use of a spatial light modulator in conjunction with a phase-retrieval and beam-shaping program which was developed during the project. Harmonic spectra and driving beam foci are recorded with an extreme ultraviolet spectrometer and an infrared-sensitive camera, respectively.

It is shown that the spatial light modulator in conjunction with the written program can successfully correct aberrated beams, leading to an increase in peak intensity and a decrease in beam width near the focus. However, reducing the divergence of generated harmonics through beam shaping turned out to be complicated.

It was concluded that the ability to measure the average harmonic intensities and peak intensities of the driving field over several iterations during the experiment is a necessary step. Additionally, different types of focus-improving techniques, such as other phase-retrieval algorithms and Zernike optimization could be used in future iterations to potentially improve focus correction, which would assist beam shaping.

Popular Abstract (Swedish)

Färgblödning, eller mer formellt kromatisk aberration, uppstår när ljus som består av mer än en våglängd, till exempel vitt ljus, inte kan fokuseras till samma punkt av en lins. I detta fall orsakas det av att ljus av olika våglängder bryts olika beroende på materialet det passerar igenom. Ett väldigt välkänt exempel av detta är avbildat på albumomslaget till Pink Floyds "The Dark Side of the Moon", som visar en stråle av vitt ljus som skickas genom ett glasprisma vilket får dess färgkomponenter att spridas ut. Detta åtgärdas oftast med användningen av en akromatisk lins, det vill säga en kompositlins som består av två eller flera linser av olika material och kurvatur som är konstruerad för att fokusera ljus i samma punkt oberoende av dess våglängd. Den kromatiska aberration som kommer att diskuteras här är däremot inte densamma som färgblödning under vanliga omständigheter, utan kommer att vara den som påträffas inom attofysik.

Så vad är attofysik? Attofysik är ett forskningsområde där reaktioner och processer på attosekundsskalor undersöks med hjälp av ultrakorta laserpulser. Dessa tidsskalor är för korta för att en tillräckligt kort laserpuls ska kunna genereras av en vanlig laser, därför måste de istället genereras i en gas genom svängningarna av en stark, fokuserad, laserpuls. Då skapas skarpt ultravioletta pulser som har en pulslängd på hundratals attosekunder, så kallade attosekundpulser. Dessa pulser lider dock av en väldigt stark kromatisk aberration när de fokuseras trots att akromatiska instrument används för detta.

Detta sker på grund av att de olika våglängderna som genereras påverkas olika mycket av drivlaserns intensitet och har olika spridningsvinklar, så kallad divergens, som en konsekvens av detta. Det är alltså på grund av att olika våglängdskomponenter har annorlunda divergens som kromatisk aberration sker när attosekundpulser fokuseras. För att åtgärda detta så krävs det då att den drivande laserns intensitet jämnas ut över hela generationsområdet, så att intensiteten är likadan överallt. Detta hade inneburit att skillnaden i divergens hade minskats skarpt mellan de olika attosekundpulskomponenterna. Detta hade i sin tur möjliggjort högkvalitativa fokus.

Syftet med detta projekt är alltså att försöka utveckla en metod som möjliggör bra fokusering av attosekundpulser. Detta görs här genom manipulering av drivlaserns vågfront med hjälp av optiska instrument. Målet är alltså att kunna korrigera optiska aberrationer i drivlasern och manipulera den på ett sådant sätt att en jämn intensitet uppnås för att den kromatiska aberration som förhindrar fokusering av attopulser ska kunna elimineras.

• author: Hedse, Albin
• supervisor: Cord Arnold
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: FYSM60 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: spatial light modulation, wavefront correction, high harmonic generation, harmonic divergence
• language: English
• id: 9017203
• date added to LUP: 2020-06-18 08:43:15
• date last changed: 2020-06-18 08:43:15