Spectral broadening of 4 mJ femtosecond pulses using a bulk multi-pass cell

Abstract

Nonlinear optical effects can be used for spectral broadening, which the basis of
the field of post-compression of laser pulses. When the intensity of light becomes
high enough the refractive index becomes intensity dependent, and as the intensity
often varies both with position and time so does the refractive index. The consequence of the position dependence is self focusing, an often unfavorable nonlinear
effect, while the time dependence is what enables spectral broadening via self phase
modulation (SPM). In this work a novel approach building on nonlinear Multi-Pass
Cells (MPC),with the aim of broadening the spectrum of high energy pulses (4mJ)
with a short pulse duration (25fs), is designed, implemented and characterized, both
spatially and temporally. The obtained spectral broadening is from 50nm to 80nm,
and the output beam is astigmatic. In parallel a numerical tool is implemented
to study how self focusing affects the spatial beam profile in an MPC. The tool is
based on the split step Fourier method for solving the time independent nonlinear
Schr¨odinger equation. To further be able to study realistic beams a tool to apply
aberrations via Zerenike polynomials is adapted. Results of the simulations show
the importance of nonlinear mode matching for high power beams.

Popular Abstract (Swedish)

Ultrakorta laserpulser är bara några femtosekunder(10−15s) långa. De är alltså över på några miljondels miljardels sekunder. Många avändningsområden kräver ännu kortare pulser. Det kan röra sig om materialmodifiering på nanoskalan, ögonoperationer, datalagring, eller mätning av händelseförlopp som är över på bara några femtosekunder - eller mindre!

Det finns olika tekniker för att ta en laserpuls och förkorta den i tiden. Teknikerna begränsas av pulsernas intensiteten, vilken måste vara tillräckligt hög för att ljuset ska bete sig olinjärt. Samtidigt måste den vara tillräckligt låg för att inte förstöra materialet som används. I många applikationer behövs dock en så hög intensitet som möjligt så ju mer intensiva pulser som kan komprimeras, desto bättre.
En vanlig enkel laserpekare lyser hela tiden. Den består av en enda våglängd och har ganska låg intensitet. För att kunna skapa pulser behövs fler våglängder som samverkar - de släcker då ut varandra ibland och förstärker varandra ibland. När de förstärker varandra skapas en puls och när de släcker ut varandra skapas ett uppehåll. Ju fler våglängder som finns, desto kortare blir pulsen. Om du då har en puls med 3 våglängder så kommer den att ha en viss pulslängd. Det enda sättet att göra den kortare är genom att lägga till kortare och längre våglängder. Men, hur ska det gå till?
I alla material finns det negativt laddade partiklar - elektroner. När ljus träffar en elektron så kommer den att uppleva det elektriska fältet hos ljuset. En laddad partikel i ett elektriskt fält får en skjuts av det elektriska fältet - ungefär som om du håller i en gunga och drar den fram och tillbaka. Om du gungar gungan försiktigt kommer den bara följa med din rörelse, men om du börjar gunga mer våldsamt så kommer gungan att gunga mer våldsamt den också. Samma sak händer med elektronen, och när gungningen blir våldsam så gör det att nya våglängder sänds ut av elektronen. De nya våglängderna tillsammans med den första kan sedan tryckas ihop i tiden och ge en kortare puls! Hur många nya våglängder vi får ut beror också på hur långt vi går igenom materialet, och då kan också andra oönskade effekter uppstå.

För att göra detta i praktiken kan två likadana speglar och en tunn glasskiva användas. En puls får studsa mellan speglarna, och igenom glasskivan. Speglarna fungerar som linser, och fokuserar ljuset in i glasskivan så att intensiteten blir tillräckligt hög. Men från inledningen så vet du att intensiteten kan bli för hög också! Då förstörs materialet och därmed även pulsen. Andå går det att göra för ¨ en högintensiv laser. Istället för att sätta glaset i fokus kan glasskivan placeras en bit framför fokus - där intensiteten är tillräcklig, men ändå inte för hög.

I mitt projekt har jag använt en laser med så hög intensitet att om den fokuseras joniseras luften - vilket förstör pulsen. Därför har jag istället för två likadana speglar använt en negativt fokuserande spegel - som placerades framför fokus. Med en sådan uppställning möjliggörs ultrakorta pulser med ännu högre intensitet!

• author: Westerberg, Saga
• supervisor: Cord Arnold; Anne-Lise Viotti
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Lasers, Ultrashort, Nonlinear Optics, femtosecond, Multi-Pass Cell, Spectral broadening, pulse post-compression, Self phase modulation
• publication/series: Lund reports on atomic physics (LRAP)
• report number: LRAP589
• language: English
• id: 9125399
• date added to LUP: 2023-06-16 08:58:56
• date last changed: 2023-06-16 08:58:56