Abstract
Molecular and atomic structures and dynamics have been unraveled with the development of ultrafast, high-energy optical lasers, delivering pulses from the infra-red to the X-rays. Soft X-Rays attosecond pulses can be generated via high-harmonic generation from an optical high-energy, single-cycle laser. Coherent pulse synthesis of few-cycle, high-energy pulses is a promising technique to generate isolated attosecond pulses for its scalability in spectral bandwidth and energy. Here we consider pulse synthesizer based on OPCPAs. Four major parts compose a waveform synthesizer: first a pump line scalable to high energies, second a broadband carrier-envelope phase (CEP) stable front-end, third a sequence of parametric amplification stages to amplify the front-end pulses to high energies, and fourth synchronization and stabilization of the pulses. The state of the art waveform synthesizers rely on Ti:sapphire pump lasers, which are advantageous for the mature technology and the ultrashort pulses, but are intrinsically limited in achievable average power. This limitation in the waveform synthesizer pump line can be overcome by using alternative laser materials, like ytterbium doped hosts. In this thesis, the developments toward an ytterbium based waveform synthesizer are presented. The pump line of the synthesizer realized in this work consists of a seed oscillator with chirped fiber Bragg grating pulse stretcher and two main amplifiers. The pulse energy of the regenerative amplifier reaches 6.5 mJ at 1 kHz repetition rate. Its output is split in two: one part is compressed to 615 fs transform-limited pulses to drive the front-end. The second part seeds a multi-pass amplifier based on composite thin-disk technology, which boosts the energy up to 72 mJ. With the compressed pulses of the regenerative amplifier, the front-end based on white-light generation is demonstrated with a passive CEP stability of 90 mrad over 11 h. The best adapted parameters for white-light supercontinuum generation with sub-picosecond long pulses were found after an experimental study. A narrow-band fraction of the super-continuum is parametrically amplified. The complete electric field of the amplified signal was retrieved from a FROG measurement. The smooth and well-behaved phase is a proof that the broadband pulse generated by white-light continuum remains a single, compressible pulse. The corresponding CEP stable idler generates a CEP stable supercontinuum, which is split in the channels of the waveform synthesizer. These broadband pulses are then amplified to the µJ level with parametric amplifiers. The pulse synthesis and the dispersion management is discussed.
Die Struktur der Materie auf der molekularen und atomaren Skala und ihre Dynamik wurde durch die Entwicklung von ultrakurzen, hoch-energetischen Lasern, die vom infrarotem bis im EUV-Bereich Spektren aufweisen, aufgelöst. Die Erzeugung von weichen Röntgen, attosekunden-Pulsen werden durch die Konversion von hoch-energetischen, Einzel-Zyklus optischen Impulsen durch die Erzeugung von hohen Harmonischen ermöglicht. Die kohärente Pulssynthese von hochenergetischen Pulsen mit wenigen Zyklen ist aufgrund der Skalierbarkeit der spektralen Bandbreite und der Energie eine vielversprechende Technologie, um isolierte attosekunden-Pulse zu erzeugen. Ein Frequenzsynthesizer besteht aus vier Hauptbestandteilen: erstens aus zu hohen Energien skalierbaren Pumplasern, zweitens einem breitbandigen Front-end mit stabiler Träger-Einhüllenden Phase, drittens einer Folge von hochenergetischen Verstärkungsstufen, und viertens einem Pulssynchronisations- und Stabilisierungssystem. Die Ti:Sapphir Laser, worauf die gegenwärtigen Frequenzsynthesizer typischerweise basieren, sind in der erreichbaren Durchschnittsleistung begrenzt. Diese Begrenzung kann mit alternativen Lasermaterialien, wie Ytterbium dotierten Grundmaterialien, überwunden werden. Diese Dissertation stellt die Architektur sowie die Implementierung eines skalierbaren Ytterbium-basierten Frequenzsynthesizers und den ''Synthesizer Front-ends'' dar. Der in dieser Arbeit vorgestellte Pumplaser des Synthesizers besteht aus einem Seedoszillator mit frequenzverschobenen Faser Bragg Gitter Strecker und zwei Hauptverstärkern, einen regenerativen Verstärker sowie einen mutipass Verstärker. Die aus dem regenerativen Verstärker extrahierte Pulsenergie erreicht 6.5 mJ bei 1 kHz Pulswiederholungsrate. Der Ausgang ist in zwei Pfade aufgeteilt: ein Teil wurde auf 615 fs transformationslimitierte Pulslänge komprimiert, um das 'Front-End' anzutreiben. Der zweite Teil wird in einem Multi-pass-Verbundscheiben/-verstärker auf 72 mJ erhöht. Das auf Weißlichtsuperkontinuum basierende und mit dem Ausgang des regenerativen Verstärkers angetriebene Front-end demonstriert eine passive CEP Stabilität von 90 mrad über 11 Stunden Dauer. Eine experimentelle Studie hat die für die Weißlichterzeugung mit sub-pikosekunden langen Pulsen am besten angepassten Laser-Parameter bestimmt. Ein schmallbandiger spektraler Anteil des Superkontinuums wird parametrisch verstärkt. Das komplette elektrische Feld des verstärkten Signals wird aus einer FROG-Messung erfasst. Die gleichmäßige Phase beweist, dass sich der breitbandige, durch Weißlichtkontinuum erzeugte Puls wie ein einzelner und komprimierbarer Puls verhält. Der entsprechende CEP stabile Idler erzeugte ein weiteres CEP stabiles Superkontinuum, das zwischen den Armen des Synthesizers aufgeteilt wird. Diese breitbandigen Pulse werden anschließend durch parametrische Verstärkung auf das µJ Niveau gebracht. Die Pulssynthese und das Dispersionsmanagement wird diskutiert.
Le développement de lasers ultra-rapides à haute énergie, livrant des impulsions dont le spectre s'étend de l'infra-rouge aux rayons X, a permis l'exploration de la matière et de sa dynamique à l'échelle moléculaire et atomique. Les impulsions attosecondes avec un spectre dans le domaine des rayons X sont produites par multiplication de fréquence d'un laser optique produisant des impulsions ayant une durée de quelques cycles optiques à haute énergie. La synthèse cohérente d'impulsions à haute énergie et longues de quelques cycles optiques est une technique prometteuse pour produire des impulsions attosecondes, car elle est extensible en largeur de bande spectrale et vers les hautes énergies. Un synthétiseur de fréquences est composé de quatre parties principales: en premier lieu, une ligne de pompe extensible à de hautes énergies, en second lieu une partie frontale à basse énergie avec une large bande spectrale stable en phase, en troisième lieu une succession d'amplificateurs amenant la partie frontale à de hautes énergies, et enfin une synchronisation et une stabilisation des impulsions. Les synthétiseurs de fréequence à la pointe de la technologies reposent sur des lasers Ti:saphir qui sont intrinsèquement limités en
puissance moyenne. Cette limitation peut être surmontée en utilisant d'autres matériaux lasers dopés par exemple à l'Ytterbium. Cette thèse présente les développements vers un générateur de fonctions optiques, aussi nommé synthésiseur de fréquences, reposant sur un laser de pompe dopé à l'Ytterbium.
La ligne de pompe du synthétiseur de fréquences réalisé dans ce travail consiste en un oscillateur suivi d'un étireur à réseau de Bragg fibré avec dérive de fréquence et de deux amplificateurs principaux. L'énergie des impulsions en sortie de l'amplificateur régénératif atteint 6.5 mJ à 1 kHz de fréquence de répétition. De cette sortie divisée en deux parts, l'une est amplifiée à 72 mJ par un amplificateur multi-passes dont le module de gain est un disque composite. La seconde partie est comprimée pour donner des impulsions longues de 615 fs proche de la limite de Fourier et qui fournit les impulsions d'entrée de la partie frontale à basse énergie. Cet avant est composé d'un étage de génération de lumière blanche et fournit des impulsions avec une relation de phase fixe entre la porteuse et l'enveloppe; la stabilité de la phase est de 90 mrad sur 11 h. Les paramètres les plus adaptés à la génération de lumière blanche avec des impulsions proche de la picoseconde sont déterminés à partir d'une étude expérimentale. Une partie limitée en spectre du super-continuum est amplifée paramétriquement. Le champ électrique complet de ce signal amplifiée est recouvré à partir d'une mesure de FROG. La monotonie de la phase spectrale du super-continuum prouve que des impulsions individuelles et compressibles sont générées à cet étage. L'idler correspondant est stable en phase et génère un supercontinuum avec une relation de phase fixe entre la porteuse et l'enveloppe, qui est divisé entre les branches du synthétiseur. Les impulsions à large spectre sont ensuite amplifiées jusqu'au μJ avec des amplificateurs paramétriques et la gestion de la dispersion est discutée.
