Kurzfassung
Die kohärente Synthese von Laserpulsen aus Optisch Parametrischen Verstärkern (OPAs) bietet die Möglichkeit, feldgesteuerte elektromagnetischeWellenformen mit Subzyklenlängen zu realisieren, die in Energie und spektraler Bandbreite weit skalierbar sind.
In dieser Arbeit präsentieren wir einen voll funktionsfähigen Prototyp eines zweikanaligen parametrischenWellenformsynthesizers mit Energie im mJ-Bereich, und weiterhin auf drei Kanäle aufgerüstet werden kann. Das synthetisierte Feld, welches eine spektrale Bandbreite mehr als 2 Oktaven (~500 nm bis ~2200 nm) umfasst, kann zu einem nicht-sinusförmigen Subzyklenpuls nahe des Fourier-Transformationslimit komprimiert werden. Der langzeitstabile Betrieb einer solch komplexen Laserquelle wird erstmals durch ein ausgeklügeltes optisches und mechanisches Design des gesamten OPA-Systems, sowie gezielte Verbesserungen am kommerziellen Pumplaser erreicht.
Ein neues Quellpulsschema (Seed-Pulse), das auf mehreren Superkontinua basiert und bis in den mid-IR Bereich skalierbar ist, erreicht eine ausgezeichneten Phasenstabilität zwischen den verschiedenen OPA-Kanälen und vereinfacht gleichzeitig das Dispersionsmanagement.
Detaillierte theoretische und experimentelle Studien über die Kopplungen zwischen verschiedenen Impulsparametern während der parametrischen Verstärkung enthüllte neue Details über die Träger-Einhüllenden-Phase (CEP) im OPA und leitete das Design des CEP-gesteuerten Quellpulsfrontend.
Ein vereinfachtes Setup zur zweidimensionalen spektralen Schereninterferometrie (2DSI) wunde entwickelt um ultrabreitbandige Pulse zu charakterisieren um die Einschränkungen der Pulscharakterisierung mittels der zweiten Harmonischen zu überwinden. Die Erzeugung der notwendigen Hilfspulse konnte direkt aus den Pumplaserpulsen durch spektrale Filterung erfolgen.
Darüber hinaus wurden ad-hoc nichtlineare optische Techniken eingesetzt, um die wichtigsten Syntheseparameter wie die CEP der Quellpulse und die relative Phase zwischen den verschiedenen Kanalausgängen zu beobachten. Zusätzlich ermöglichte ein neu entwickeltes Steuerungssystem die orthogonale Stabilisierung und Kontrolle der gemessenen Syntheseparameter.
Die präzise Steuerung des synthetisierten elektrischen Feldes wird durch die Erzeugung von hohen Harmonischen in Gasen nachgewiesen, wobei ein Kontinuum von über 50 eV Bandbreite für geeignete Werte der CEP und der relativen Phase zwischen den beiden Kanälen beobachtet werden kann. Die sich in der Entwicklung befindende Attosekunden-Ablenkung wird es ermöglichen die synthetisiertenWellenformen und die erzeugten Attosekundenlichtblitze vollständig zu charakterisieren.
Der in dieser Arbeit vorgestellte parametrische Wellenformsynthesizer demonstriert die Machbarkeit einer skalierbaren, hochenergetischen Wellenformerzeugung welche mehrere Oktaven überspannt. Die Erzeugten Subzyklenpulse werden die Wellenformkontrolle von Starkfeldinteraktionen mit Materie ermöglichen.
The coherent synthesis of pulses from Optical Parametric Amplifiers (OPAs) offers the possibility to realize field-controlled electromagnetic waveforms with sub-cycle durations, widely scalable in energy and spectral bandwidth. Here we demonstrate a fully functional prototype of a mJ-level two channel parametric waveform synthesizer, which is ready to be upgraded to three channels. The synthesized field, whose bandwidth covers more than 2 octaves, from ~500 nm to ~2200 nm, can be compressed to a non-sinusoidal sub-cycle waveform close to the transform-limit. The long term stable operation of such a complex laser source is achieved, for the first time, by means of a sophisticated optical and mechanical design of the whole OPA system, along with targeted improvements made to the commercial pump laser. A new seeding scheme based on multiple supercontinua, further scalable to the mid-IR, leads to excellent phase stability among the different OPA channels and to a simplified dispersion management scheme. A detailed study, both theoretical and experimental, of the couplings among different pulse parameters during the parametric amplification, unveiled novel details of the Carrier-Envelope-Phase (CEP) stabilization process via OPA, and guided the design of the CEP-controlled seeding front-end. A simplified two-dimensional spectral shearing interferometry setup, where the ancillary pulses are obtained by spectral filtering the pump pulses, has been developed to easily characterize the spectral phase of the ultrabroadband pulses from each channel, overcoming the limitation of second-harmonic-based methods. Furthermore, ad-hoc nonlinear optical techniques have been deployed to observe the most relevant synthesis parameters such as the CEP of the seeding pulses and the relative phase among the different channels outputs. Jointly with a newly developed control system, this allows to stabilize and to control the observed synthesis parameters in an orthogonal fashion. The precise control on the synthesized electric field is finally proven by the generation of high-harmonics in gases, where a continuum spanning over 50 eV of bandwidth can be obtained for suitable values of the carrier-envelope phase and relative phase among the two channels. The on-going attosecond streaking experiments will allow to fully characterize the synthesized waveforms and the attosecond pulses that can be generated. The parametric waveform synthesizer presented in this thesis demonstrates the feasibility to realize scalable high-energy multi-octave spanning sources with sub-cycle duration, that will allow to gain waveform control in strong-field light-matter interactions.