Fundamental Carrier-Envelope Phase Noise Limitations during Pulse Formation and Detection

Abstract

The difference between the positions of the maximum peak of the carrier wave of a laser pulse and the maximum of its intensity envelope is termed carrier-envelope phase (CEP). In the last decades, the control and stabilization of this parameter has greatly improved, which enables many applications in research fields that rely on CEP-stable pulses such as attosecond science and optical frequency metrology. Further progress in these fields depends strongly on minimizing the CEP noise that restricts stabilization performance. While the CEP of most high repetition-rate low-energy laser oscillators has been stabilized to a remarkable precision, some types of oscillators show extensive noise that inhibits precise stabilization. The CEP stabilization performance of low repetition-rate high peak-power amplified laser systems also remains limited by noise, which is believed to stem mainly from the CEP detection process. In this thesis, the origins of the CEP noise within four oscillators as well as the noise induced by the measurement of the CEP of amplified pulses are investigated. In the first part, the properties of the CEP noise of one Ti:sapphire oscillator and three different fiber oscillators are extracted by analyzing the unstabilized CEP traces by means of time-resolved correlation analysis of carrier-envelope amplitude and phase noise as well as by methods that reveal the underlying statistical noise properties. In the second part, investigations into the origin of CEP noise induced by the measurement of the CEP of amplified pulses are conducted by comparing several different CEP detection designs that are based on f -2 f interferometry. These detection setups differ in the employed sources of spectral broadening as well as frequency doubling media, both necessary steps to measure the CEP. The results in both parts of this thesis show that white quantum noise dominates most CEP measurements. In one particular fiber oscillator, the strong white noise is found to be a result of a correlating mechanism within the employed SESAM. During amplifier CEP detection, the CEP noise is found to be originating only to a marginal degree from the number of photons that are detected during the measurement, which excludes shot noise as a limiting source. Instead, the analysis reveals that the origin of the observed strong white noise can be interpreted as a loss of coherence during detection. This type of coherence is termed here intra-pulse coherence and describes the phase transfer within f -2 f interferometry. Its degradation is a result of amplitude-to-phase coupling during the spectral broadening process that leads to pulse-to-pulse fluctuations of the phases at the edges of the extended spectrum. Numerical simulations support the concept of intra-pulse coherence degradation and show that the degradation is substantially stronger during plasma-driven spectral broadening as compared to self-phase modulation-dominated spectral broadening. This difference in degradation also explains the much stronger CEP noise typically observed in amplified systems as compared to oscillators, as the former typically rely on filamentation-based and hence plasma-dominated spectral broadening for CEP detection. The concept of intra-pulse coherence constitutes a novel measure to assess the suitability of a spectral broadening mechanism for application in active as well as in passive CEP stabilization schemes and provides new strategies to reduce the impact of the CEP detection on the overall stabilization performance of most lasers.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung und Minimierung fundamentaler Rauschquellen, die zu einer Limitierung des erreichbaren Carrier-Envelope Phasen (CEP) Jitters führen. Die Carrier-Envelope Phase beschreibt die Differenz zwischen dem Maximum der Trägerwelle und dem Scheitelpunkt der Intensitätseinhüllenden. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Kontrolle und Stabilisierung der CEP deutlich verbessert, was zu einem schnellen Fortschritt in Forschungsfeldern geführt hat, bei denen CEP-stabile Pulse notwendig sind. Diese Forschungsfelder umfassen die Attosekundenforschung und optische Frequenzmetrologie. Weitere Entwicklungen in diesen Feldern hängt stark von der Minimierung von CEP Rauschen ab, welches die CEP Stabilisierung stark beeinträchtigt. Obwohl die CEP der Pulse der meisten Laseroszillatoren mit hohen Repetitionsraten äußerst genau stabilisiert werden kann, existieren einige Laseroszillatoren bei denen starke Rauschquellen eine Stabilisierung verhindern oder stark einschränken. Des Weiteren zeigen vor Allem verstärkte System mit niedrigen Repetitionsraten und hohen Spitzenleistungen eine Beschränkung der CEP Stabilisierung aufgrund von Rauschen, dass vermutlich zum großen Teil durch den Detektionsprozess entsteht. In dieser Arbeit ist der Ursprung von CEP Rauschen in vier unterschiedlichen Laseroszillatoren sowie während der Detektion der CEP von verstärkten Systemen untersucht worden. Im ersten Teil wurden die Eigenschaften des CEP Rauschens eines Ti:Saphir-basierten Oszillators und drei verschiedener Faserlaser analysiert. Hierzu wurde das Rauschen unter anderem mittels zeitaufgelöster Korrelationsanalyse von Carrier-Envelope Amplituden- und Phasenrauschen sowie mittels Methoden, die die statistischen Eigenschaften des Rauschens offenlegen, analysiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Rauschen untersucht, welches durch den Messprozess der CEP von verstärkten Pulsen mittels f -2 f Interferometrie entsteht. Experimentell wurden hierzu vier unterschiedliche Detektionsanordnungen verwendet, die sich durch die Nutzung unterschiedlicher nichtlinearer Prozesse zum Erzeugen der spektralen Verbreiterung sowie zur Erzeugung der zweiten Harmonischen unterscheiden. Die Ergebnisse in beiden Teilen der Arbeit zeigen dominierendes weißes Quantenrauschen in den meisten CEP Messungen. In einem bestimmten Faserlaser, in dem besonders starkes weißes Rauschen vorlag, konnte der Ursprung einerWechselwirkung innerhalb des verwendeten halbleiterbasierten sättigbaren Absorbers zugeordnet werden. Bei der Detektion der CEP bei verstärkten Systemen wurde hingegen gezeigt, dass niedrige Photonenzahlen und damit Schrotrauschen nur zum kleinen Teil für die starken weißen Rauschanteile verantwortlich gemacht werden kann. Stattdessen kann die Ursache des starken Rauschens einem Verlust von Kohärenz zugeordnet werden. Diese Art von Kohärenz ist hier mit intra-Puls Kohärenz bezeichnet und beschreibt den Phasentransfer innerhalb der Detektion mittels f -2 f Interferometrie. Der Verlust von intra-Puls Kohärenz ist eine Folge von Amplituden-zu-Phasen Koppelung während der spektralen Verbreiterung. Von Puls zu Puls führt dies zu Fluktuationen der Phase an beiden Rändern der erzeugten spektralen Verbreiterung. Numerische Simulationen unterstützen das Konzept der intra-Puls Kohärenz und zeigen auf, dass die Degradation bedeutend stärker bei plasmadominierten Prozessen ausfällt als im Vergleich zu spektraler Verbreiterung mittels Selbstphasenmodulation. Dieser unterschiedlich starke Verlust der intra-Puls Kohärenz erklärt das deutlich höhere Rauschniveau in verstärkten Systemen im Vergleich zu Oszillatoren, da verstärkte Systeme plasmadominierte Prozesse zur spektralen Verbreiterung nutzen. Das Konzept der intra-Puls Kohärenz stellt ein neues Maß zur Einschätzung einer Methode zur spektralen Verbreiterung für eine bestimmte Anwendung dar, die sowohl in aktiven sowie passiven CEP Stabilisierungen von Lasern eine Rolle spielt. Es ermöglicht somit neue Strategien, um den Einfluss der Detektion auf die CEP Stabilisierung der meisten Laser zu senken.