Kurzfassung
Die Erzeugung von hochenergetischen Laserpulsen mit Pulslängen unter einer optischen Periode ist einer der gegenwärtigen Forschungsschwerpunkte in der Nichtlinearen Optik und der Ultrakurzzeit-Spektroskopie. Die Entwicklung derartiger Laserquellen stößt auf großes Interesse, da sie neue Wege zur Untersuchung extremer Licht-Materie-Wechselwirkungen bieten und zur Erzeugung von Attosekunden-Lichtblitze genutzt werden können, welche durch hohe Harmonische generiert werden (HHG).
In dieser Arbeit wird der Aufbau eines parallel parametrischen Wellenformensynthesizers präsentiert, welcher in der Lage ist Pulse mit Subzyklen-Pulslängen zu generieren, die mehr als zwei Oktaven spektraler Bandbreite überspannen (500 nm bis 2.2 µm). Diese Bandbreite wird durch die kohärente Kombination von separaten ultrabreitbandigen optisch parametrischen Verstärkern (OPA) im sichtbaren, nahinfraroten und infraroten Spektralbereich erreicht. Eine Implementierung mittels paralleler Synthese bietet die einzigartige Perspektive derartige Quellen sowohl hinsichtlich ihrer Pulsenergie als auch ihrer spektralen Bandbreite weiter zu skalieren. Darüber hinaus bieten sich vielfältige Einstellmöglichkeiten um die synthetisierte Wellenform nach Bedarf zu formen.
Mit dem parallelen Ansatz gehen allerdings auch Herausforderungen einher, wie z.B. die Notwendigkeit ein Zeitsynchronisierungs- und Stabilisierungssystem zu implementieren. Dieses System ist erforderlich um den komplexen interferometrischen Aufbau mit meterlangen Lichtwegen so zu synchronisieren, dass die Lichtwege zueinander auf einem Bruchteil einer optischen Wellenlänge stabilisiert sind. Es wird weiterhin benötigt um den Lichtpuls gezielt formen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Techniken implementiert um den komplexen optischen Aufbau mit ausreichender mechanischer Stabilität zu versehen. Weiterhin führt diese Arbeit neue Techniken ein um erstmals eine volle Kontrolle über die synthetisierten Wellenformen zu gewinnen. Diese innovativen Techniken beinhalten ebenfalls neuartige optische Methoden zur Zeitmessung, welche die Synchronisierung zwischen den verschiedenen Laserblitzen mit Attosekundenauflösung ermöglichen. Weiterhin wurden einzigartige Synchronisationsdetektoren auf Basis von FPGAs entwickelt, welche u.a. einen tieferen Einblick in die Zeit- und Phasendynamik in einem parallelen Synthesizer erlauben. Auch eine neue Anordnung zur Erzeugung oktavenspannender Quellpulse (Seeds) mit stabiler Träger-Einhüllenden-Phase (CEP) wurde nicht nur vorgeschlagen, sondern auch experimentell untersucht. Die zuvor genannten Maßnahmen ermöglichten erstmals die Erzeugung hoher Harmonischer getrieben durch Subzyklen-Laserblitze, welche von einem parallelen parametrischen Wellenformsynthesizer generiert wurden.
An einer vollständigen Charakterisierung dieser neuartigen Lichtblitze mittels Attosekunden-Ablenkung wird gegenwärtig gearbeitet. Diese Technik erlaubt es den zeitlichen Verlauf des optischen Lichtfeldes direkt und eindeutig zu bestimmen. Die synthetisierten Pulse haben eine Mittenwellenlänge von 1,8 µm und zielen damit auf die Erzeugung von isolierten Attosekunden-Lichtblitzen ab, dessen Photonenenergien das gesamte Wasserfenster abdecken (284 eV - 543 eV). Der Synthesizer bietet das Potential zur Skalierung jenseits von Pulsenergien im mJ-Breich mittels Verwendung neuartiger Pumplasertechnologien. Damit bietet diese Quelle neue experimentelle Zugänge zur Attosekundenphysik.
The generation of energetic laser pulses with durations below one optical cycle is one of the current frontiers of ultrafast optics. Such sources attract enormous attention due to the implications they hold for studying extreme light-matter interactions and to harness attosecond pulse production via high harmonic generation (HHG). This thesis presents the implementation of a parallel parametric waveform synthesizer which generates sub-cycle pulses of light spanning more than two octaves of spectral bandwidth (500 nm to 2.2 µm) by coherent combination of individual ultra-broadband OPA sources covering different spectral ranges in the visible, near-infrared and infrared. The parallel approach to parametric waveform synthesis offers unique scaling potential with respect to bandwidth and pulse energy and it provides several control knobs to custom-sculpture the synthesized light-field transient. Challenges of the parallel scheme are the required active timing stabilization and control system to stabilize such a complex multi-path interferometer to sub-cycle precision and to custom-sculpture the synthesized waveform. In the frame work of this thesis, several techniques to implement such a complex experiment with enhanced mechanical stability were demonstrated and furthermore this thesis introduces and demonstrates the first full timing control system for such a synthesizer. This includes newly developed optical timing tools, for which an active timing synchronization down to few tens of attoseconds is demonstrated. Furthermore, unique FPGA-based timing sensors were developed and allow to gain a deeper understanding of the timing and phase dynamics in such parametric sources. A novel scheme for carrier-envelope phase stable multi-octave-wide seed generation is also proposed and experimentally investigated. These efforts allowed for the very first controlled HHG driven with sub-cycle pulses from such a parallel parametric waveform synthesizer. A full characterization of these novel pulses via attosecond streaking to fully recover the electric field transient of the synthesized waveform is ongoing. The synthesized pulse has a center wavelength of 1.8 µm and aims for efficient isolated attosecond pulse (IAP) production up to the water-window (284 eV - 543 eV). This source can be scaled potentially beyond the mJ-level of pulse energy by using novel pump laser technologies, which holds great potential for attosecond science.