The generation of few-cycle laser pulses and their application in strong field physics

Abstract

In the last decade, the sources of carrier envelope phase-stable few-cycle, high energy laser pulses have become the backbone of attosecond science. To date, energetic, few-cycle pulses are mostly generated via either nonlinear pulse compression of Ti:Sa amplifiers or noncollinear optical parametric chirped-pulse amplifiers (OPCPAs). Both approaches demand high energy, ultrafast laser amplifiers. In contrast to the nonlinear compression of Ti:Sa amplifiers that are limited in average power and pulse repetition rates (< 10 kHz), OPCPAs offer high repetition rate that is only limited by pump lasers. Few-cycle pulses at high repetition rates (> 100 kHz) are desirable for electron-ion coincidence detector to increase data acquisition speed and signal-to-noise ratio. In this respect, this thesis focuses on generation of energetic, few-cycle pulses at high repetition rates based on noncollinear OPCPAs, emphasizing on high energy and high peak power ultrafast pump laser, and on spatiotemporal quality of the amplified pulses. The first part of the thesis presents a mJ-level, sub-ps laser based on thin-disk technology. The chirped pulse amplification technique is utilized to amplify ultrashort pulses from a fiber oscillator using an Yb:YAG thin-disk regenerative amplifier, along with a chirped-fiber Bragg grating stretcher and a grating compressor. After compression, ~1 ps pulses with an average power of 35 W at 100 kHz, and pulse energy of 1.6 mJ at 10 kHz or 1.1 mJ at 25 kHz are achieved. The long term power stability, pulse-to-pulse stability and close to diffraction- limited beam quality, in combination with the highly efficient second and third harmonic generation have been demonstrated, showing the suitability of the laser system for pumping optical parametric amplifiers. In addition, the pulses are compressed down to 130 fs using an air-filled hollow core Kagome fiber. In the second part, spatiotemporal distortions in noncollinear OPCPAs are numerically studied. A modeling of BBO-based amplifiers reveal that high pump-to-signal energy conversion efficiency comes at a cost of degraded spatiotemporal quality of few-cycle pulses, which reduces the peak power when the pulses are focused. The numerical results suggest to limit the conversion efficiency below 20% if the degradation of peak power due to spatiotemporal distortions is to be avoided. The last part concentrates on application of few-cycle pulses in strong field atomic physics. A proof-of-principle IR pump- IR probe electron interferometry experiment is presented, where Argon is used as a target and a velocity map imaging spectrometer is used to detect electrons after photoionization. The aim is to characterize the bound states of strong-field excited Argon. The complete characterization of the excited states is hindered by low signal-to-noise ratio of the experimentally measured photoelectron spectra, which is discussed with the help of numerical results that are obtained by solving time-dependent Schrödinger equation in the single active electron approximation.

Während der letzten zehn Jahre haben sich Lasersysteme, die phasenstabile Pulse mit einer Dauer von wenigen optischen Zyklen und hoher Pulsenergie erzeugen, als Grundlage der Attosekundenforschung etabliert. Diese intensiven, ultrakurzen Pulse werden vorwiegend durch nichtlineare Pulskompression nach einem Ti:Sa-Verstärker oder mit Hilfe nichtkollinearer optisch-parametrischer Verstärkung gechirpter Pulse (OPCPAs) erzeugt. Für beide Ansätze werden ultraschnelle Pumplaser mit hoher Energie benötigt. Im Gegensatz zur nichtlinearen Kompression von Ti:Sa-Verstärkern, die nur eine begrenzte Durchschnittsleistung und Repetitionsrate erlaubt (< 10 kHz), ermöglichen OPCPAs hohe Repetitionsraten, die nur durch die Pump-Laser beschränkt sind. Wenig-Zyklen-Pulse bei hohen Repetitionsraten (> 100 kHz) sind für Elektron- Ion-Koinzidenzmessungen wünschenswert, um die Datenaufnahmegeschwindigkeit und somit das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Daher liegt der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit auf der Erzeugung von intensiven Wenig-Zyklen-Pulsen bei hohen Repetitionsraten mit Hilfe von OPCPAs. Insbesondere werden die Bedeutung von ultraschnellen Pumplasern mit hoher Pulsenergie und hoher Durchschnittsleistung sowie die räumlich-zeitlichen Eigenschaften der verstärkten Pulse hervorgehoben. Im ersten Teil der Arbeit wird ein auf der Scheiben-Technologie basierender Laser vorgestellt, der Pulse mit mJ-Energien und sub-ps-Dauer liefert. Die Technik der Verstärkung gechirpter Pulse wird dazu verwendet, die Pulse von einem Faser-Oszillator mit Hilfe eines regenerativen Yb:YAG-Scheiben-Verstärkers sowie eines Bragg-Gitter-Stretchers mit gechirpter Faser und eines Gitterkompressors zu verstärken. Nach der Kompression konnten so Pulse mit einer Dauer von 1 ps bei einer Durchschnittsleistung von 35 W bei 100 kHz sowie Pulsenergien von 1.6 mJ bei 10 kHz oder 1.1 mJ bei 25 kHz erzeugt werden. Außerdem wurden die Langzeitstabilität der Leistung, die Puls-zu-Puls-Stabilität und ein nahezu beugungsbegrenztes Strahlprofil demonstriert, was zusammen mit der sehr effizienten zweiten und dritten Harmonischen-Erzeugung die Eignung des Lasersystems für das Pumpen von optisch-parametrischen Verstärkern zeigt. Schließlich wurden die Pulse mit einer luftgefüllten Kagome-Hohlfaser auf 130 fs komprimiert. Im zweiten Teil wurde die räumlich-zeitliche Verzerrung von Laserpulsen in nichtkollinearen OPCPAs numerisch untersucht. Die Modellierung von Verstärkern auf BBO-Basis zeigt, dass hohe Konversionseffizienzen schlechte räumlich-zeitliche Eigenschaften des Pulses nach sich ziehen, welche bei der Fokussierung der Pulse die Spitzenleistung verringern. Demnach sollte die Konversionseffizienz auf unter \SI{20}{\percent} begrenzt werden, um eine Verringerung der Spitzenleistung infolge räumlich-zeitlicher Verzerrungen zu vermeiden. Der letzte Teil konzentriert sich auf die Anwendung von Wenig- Zyklen-Pulsen in Starkfeld-Atomphysik-Experimenten. Ein grundlegendes IR-Pump- IR-Probe-Elektroneninterferometrie-Experiment mit Argon-Atomen wurde durchgeführt. Ziel war die Charakterisierung von gebundenen Zuständen in den durch das starke Feld angeregten Argon-Atomen. Allerdings gelingt die vollständige Charakterisierung der experimentell gemessenen Photoelektronenspektren wegen des geringen Signal-Rausch-Verhältnisses nicht vollständig. Dies wird mit Hilfe numerischer Ergebnisse aus der Lösung der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung erörtert.