Kurzfassung
Im vergangenen Jahrzehnt hat die Entwicklung ultrakurzer Laserpulse im
mittelinfraroten (MIR) Spektralbereich zu wichtigen Durchbrüchen in der
Attosekunden-Wissenschaft und Starkfeldphysik in Atomen, Molekülen und
Festkörpern geführt. Die kohärente Synthese von hochenergetischen Pulsen
mit Dauern von nur wenigen optischen Zyklen ist eine vielversprechende Technik
zur Erzeugung isolierter Attosekunden-Pulse mittels hohe Harmonische Erzeugung
(HHG). Eine wirksame Methode, die HHG Cutoff-Energie zu erhöhen, ist die Verwendung
von Treiberwellenlängen im MIR, da die ponderomotorische Energie quadratisch
mit der Wellenlänge skaliert. Wenn MIR Pulse in den multi-mJ Bereich mit Dauern
von wenigen Zyklen skaliert werden, eröffnen sie einen direkten Zugang zu faszinierenden
Experimenten an Gasen und Festkörpern. Zudem ermöglichen solche Pulse die
Realisierung von hellen HHG-Quellen, die auf einen Labortisch passen. Mit solch
einem kompakten Aufbau lassen sich Photonenenergien im Wasserfenster und bis
in den keV-Bereich generieren. Die Erzeugung von langwelligen MIR Pulsen mit
hoher Intensität blieb jedoch bislang stets eine große Herausforderung, insbesondere
ausgehend von hochenergetischen Pikosekunden-Treiberlasern mit 2 μm Wellenlänge,
die für die weitere Energieskalierung von MIR-Pulsen in den multi-mJ Bereich mittels
optisch parametrischer Verstärkung (OPA) geeignet sind.
In dieser Arbeit wird einen Frontend für derartige MIR OPAs präsentiert. Insbesondere
präsentieren wir ein neuartiges und robustes wenige-Zyklen Treiberlasersystem
bei 2 μm für Starkfeldexperimente, das direkt auf einem Pikosekunden-Ho:YLFLaser
basiert und eine Pulskompression in Kagome-Glasfasern verwendet. Es wurde
eine 70-fache Kompression von 140 μJ, 3.3 ps Pulsen aus einem Ho:YLF Verstärker
zu 11 μJ, 48 fs Ausgangspulsen erzielt. Die in dieser Dissertation präsentierte Arbeit
demonstriert einen direkten Weg zur Erzeugung von wenige-Zyklen MIR Pulsen
und wir sind überzeugt, dass die Ultrakurzzeit-Community in Zukunft von dieser
Schüsseltechnologie profitieren wird.
Die Resultate werden im wesentlichen in vier Teilen zusammengefasst: Im ersten
Teil konzentrieren wir uns auf die Entwicklung einer hochenergetischen 2 μm
Laserquelle als Frontend. Wir vergleichen die zur Verfügung stehenden Technologien
im Allgemeinen, sowie die vielversprechendsten Verstärkermedien bei dieser
Wellenlänge. Insbesondere, ausgehend von der anspruchsvollen Entwicklung eines Ho:YLF-Oszillators, wird die Verstärkung und das damit einhergehende Problem
der Verschmälerung der spektralen Bandbreite diskutiert. Im zweiten Teil werden
zunächst verschiedene nichtlineare Kompressionsverfahren im Allgemeinen, und
speziell die Kompression basierend auf verhinderte-Kopplung Kagome Glasfasern
diskutiert. Danach werden unsere experimentellen Ergebnisse zur Erzeugung von
wenige-Zyklen, μJ-Level, 2-μm Laserpulsen in einem zweistufigen Kompressionsschema
präsentiert. Im dritten Teil, ausgehend von den Grundlagen der optisch
parametrischen Verstärkung (OPA), werden die Designkriterien besprochen. Die
Anforderungen an die Pump- und Seed-Quellen und adequate Phasenanpassbedingungen
zur effizienten Verstärkung werden diskutiert. Des Weiteren haben wir die
entwickelte Pumpverstärkerkette zur Weißlicht-Erzeugung verwendet, welche zum
späteren Seeden des MIR OPAs verwendet werden soll. Der theoretische Hintergrund
der Superkontinuumerzeugung und die Randbedingungen an die Pulsdauer
werden diskutiert. Im letzten Teil fassen wir schließlich die Ergebnisse zusammen
und präsentieren einen Ausblick.
Als Ausblick kann der hier entwickelte Frontend zur Erzeugung von wenige-Zyklen
MIR Pulsen benutzt werden, unter Verwendung von nichtlinearen Kristallen, die
auf nicht-Oxiden basieren. Darüber hinaus, da sowohl Pump- als auch Seed-Pulse
von derselben Laserquelle stammen, bietet das Schema die Möglichkeit zur passiven
Selbststabilisierung der Träger-Einhüllenden-Phase (CEP) der erzeugten Idler-Pulse.
Over the past decade, development of high-energy ultrafast laser sources has led to important breakthroughs in attoscience and strong-field physics study of atoms and molecules. Coherent pulse synthesis of a few-cycle high-energy laser pulse is a promising tool to generate isolated attosecond pulses via high harmonics generation (HHG). An effective way to extend the HHG cut-off energy to the higher values is by making use of long mid-infrared (MIR) driver wavelength, as the ponderomotive potential scales quadratically with the driving wavelength. If the energies of these driving pulses are properly scaled to multi-mJ level and few-cycle duration, such pulses can provide a direct path to intriguing attoscience experiments in gases and solids. They can even permit the realization of a bright coherent table-top HHG sources in the water-window and keV X-ray region. However, the generation of a high-intensity long-wavelength MIR pulse has always been challenging, in particular starting from a high-energy picosecond 2-μm laser driver that is suitable for further energy scaling of the MIR pulses to multi-mJ energies by utilizing optical parametric amplifiers (OPAs). In this thesis, a front-end source for such MIR OPA is presented. In particular, a novel and robust strong-field few-cycle 2-μm laser driver directly from picosecond Ho:YLF laser and utilizing Kagome fiber based compression is presented. We achieved: a 70-fold compression of 140-μJ, 3.3-ps pulses from a Ho:YLF amplifier to 48 fs with 11 μJ energy. The work presented in this thesis demonstrates a straightforward path towards the generation of few-cycle MIR pulses, and we believe that in the future, the ultrafast community will benefit from this enabling technology. The results are summarized in mainly four parts: The first part is focused on the development of a 2-μm, high-energy laser source as the front-end. Comparison of available technology in general and promising gain media at the MIR wavelength are discussed. Starting from the basics of an OPA, the design criteria, constraints on the pump & seed source and a proper phase-matching requirement for efficient amplification are discussed. In particular, starting from the challenge of developing a Ho:YLF oscillator, pulse amplification and the problem of gain narrowing are addressed. In the second part, various nonlinear compression schemes are discussed in general, and specifically, inhibited-coupling Kagome fiber based compression is discussed and implemented. The experimental results for the generation of a few-cycle, μJ-level 2-μm laser pulses in a two-stage compression scheme are then presented. In the third part, the seed pulse generation for the MIR OPA by utilizing supercontinuum (SC) is presented. The theoretical background of SC generation and the constraints on the pulse duration are discussed. Finally, in the last part, the results obtained are summarized in conclusion and the outlook in presented. The front-end source developed here can be used to generate few-cycle MIR pulses by employing non-oxide based nonlinear crystals. Moreover, as both the pump and seed pulses are derived from the same laser source, it offers the possibility of generating a passively carrier-envelope phase (CEP) stable idler.