Astigmatism Reduction in a High-Intensity Bulk Multi-Pass Cell
(2024) In Lund Reports on Atomic Physics (LRAP) PHYM01 20241Atomic Physics
Department of Physics
- Abstract
- In recent years, the Multi-Pass Cell (MPC) has been increasingly employed and researched upon, after emerging as a promising post-compression technique for making ultrafast laser pulses shorter. Like most post-compression techniques, MPCs utilize a nonlinear effect, Self-Phase Modulation (SPM), which stems from the intensity-dependence of the refractive index of certain nonlinear materials, to overcome the limited spectral width of lasers used today. However, there are other adverse effects, such as self-focusing, that come into play when the intensity becomes high enough. In this work, we aim to build a modified MPC to broaden the spectrum of a Ti:Sa source producing 4-mJ laser pulses with a 22-femtosecond pulse duration. This represents... (More)
- In recent years, the Multi-Pass Cell (MPC) has been increasingly employed and researched upon, after emerging as a promising post-compression technique for making ultrafast laser pulses shorter. Like most post-compression techniques, MPCs utilize a nonlinear effect, Self-Phase Modulation (SPM), which stems from the intensity-dependence of the refractive index of certain nonlinear materials, to overcome the limited spectral width of lasers used today. However, there are other adverse effects, such as self-focusing, that come into play when the intensity becomes high enough. In this work, we aim to build a modified MPC to broaden the spectrum of a Ti:Sa source producing 4-mJ laser pulses with a 22-femtosecond pulse duration. This represents a parameter regime where the use of MPCs is yet to be successful in a compact manner, due to the physical constraints placed upon the setup. A first setup has been previously built but suffered from significant astigmatism, limiting its use for further ultrafast experiments. In this thesis, a modified MPC design is explored through extensive simulations and experimental realization. Ray tracing calculations allow us to validate the geometry and feasibility of the new concept. Simulations of the propagation of the beam spatial profile enable the study of astigmatism in the MPC. Finally, the MPC setup is experimentally implemented and the beam quality is characterized. The results of both simulations and experiments tend to demonstrate a certain astigmatism reduction, while other higher order aberrations may arise. The advanced ray tracing and numerical tools developed in this work pave the way to further conceptual designs to realize a more efficient post-compression approach for this specific high energy short pulse laser system. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Att framställa färger via olinjär optik
Genom att studera ljus, i synnerhet dess interaktioner med materia, har mängder av framsteg gjorts inom teknik och vår förståelse för universums lagar. Lasern var en revolutionerande teknik när den kom 1960, och den möjliggör idag forskning inom extremt korta tidsskalor med hög intensitet. Ultrakorta laserpulser, som endast är några femtosekunder (10^−15 s) långa, kan produceras med fenomenalt hög intensitet trots en relativt låg energiförbrukning.
Till skillnad från vanliga laserpekare behöver ljuset från pulsade lasrar bestå av flera olika färger, eller våglängder, som periodiskt adderas eller subtraheras från varandra för att framställa pulser. För att producera kortare pulser, behöver fler... (More) - Att framställa färger via olinjär optik
Genom att studera ljus, i synnerhet dess interaktioner med materia, har mängder av framsteg gjorts inom teknik och vår förståelse för universums lagar. Lasern var en revolutionerande teknik när den kom 1960, och den möjliggör idag forskning inom extremt korta tidsskalor med hög intensitet. Ultrakorta laserpulser, som endast är några femtosekunder (10^−15 s) långa, kan produceras med fenomenalt hög intensitet trots en relativt låg energiförbrukning.
Till skillnad från vanliga laserpekare behöver ljuset från pulsade lasrar bestå av flera olika färger, eller våglängder, som periodiskt adderas eller subtraheras från varandra för att framställa pulser. För att producera kortare pulser, behöver fler våglängder tillföras. Med en tillräckligt hög intensitet, kan våglängder tillföras med hjälp av olinjära processer, i vissa material. Samtidigt måste intensiteten begränsas för att inte skada någon optisk utrustning, vilket kan medföra stora utmaningar.
I denna uppsats undersöks en teknik för att komprimera ljuspulser till så kort varaktighet som möjligt, vilket exempelvis är viktigt för att studera snabba elektronrörelser i atomer. Tekniken som används är en så kallad multi-pass-cell (MPC), där pulsen passerar genom ett olinjärt material flera gånger, som placeras mellan två speglar. I vårt fall kan lasern börja jonisera luft om den fokuseras, vilket gör den obrukbar för vidare experiment. Fokus ligger därför på att utveckla en ny typ av MPC-design som möjliggör effektiv kompression av ljuspulser utan att strålen försämras. För att åstadkomma detta låter vi bli att fullständigt fokusera strålen, vilket tillåter oss att arbeta med högre energier och kortare pulser!
Genom att kombinera simuleringar och experiment diskuteras hur en sådan anordning kan implementeras och optimeras, varefter dess egenskaper karaktäriseras. Detta är viktigt för att driva framsteg inom optik, kvantfysik och nya mätmetoder som KRAKEN-protokollet, som möjliggör extremt precisa studier av fotoelektroner. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9176094
- author
- Söderberg, Hugo LU
- supervisor
- organization
- course
- PHYM01 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Laser, Nonlinear optics, Ultrashort, Multi-Pass Cell, Spectral broadening, Astigmatism, Femtosecond, Self-phase modulation
- publication/series
- Lund Reports on Atomic Physics (LRAP)
- report number
- LRAP 603
- language
- English
- id
- 9176094
- date added to LUP
- 2024-10-07 07:54:44
- date last changed
- 2024-10-07 07:54:44
@misc{9176094,
abstract = {{In recent years, the Multi-Pass Cell (MPC) has been increasingly employed and researched upon, after emerging as a promising post-compression technique for making ultrafast laser pulses shorter. Like most post-compression techniques, MPCs utilize a nonlinear effect, Self-Phase Modulation (SPM), which stems from the intensity-dependence of the refractive index of certain nonlinear materials, to overcome the limited spectral width of lasers used today. However, there are other adverse effects, such as self-focusing, that come into play when the intensity becomes high enough. In this work, we aim to build a modified MPC to broaden the spectrum of a Ti:Sa source producing 4-mJ laser pulses with a 22-femtosecond pulse duration. This represents a parameter regime where the use of MPCs is yet to be successful in a compact manner, due to the physical constraints placed upon the setup. A first setup has been previously built but suffered from significant astigmatism, limiting its use for further ultrafast experiments. In this thesis, a modified MPC design is explored through extensive simulations and experimental realization. Ray tracing calculations allow us to validate the geometry and feasibility of the new concept. Simulations of the propagation of the beam spatial profile enable the study of astigmatism in the MPC. Finally, the MPC setup is experimentally implemented and the beam quality is characterized. The results of both simulations and experiments tend to demonstrate a certain astigmatism reduction, while other higher order aberrations may arise. The advanced ray tracing and numerical tools developed in this work pave the way to further conceptual designs to realize a more efficient post-compression approach for this specific high energy short pulse laser system.}},
author = {{Söderberg, Hugo}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
series = {{Lund Reports on Atomic Physics (LRAP)}},
title = {{Astigmatism Reduction in a High-Intensity Bulk Multi-Pass Cell}},
year = {{2024}},
}