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Lücking, Fabian (2014): Carrier-envelope phase control for the advancement of attosecond pulse generation. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

When the optical pulses emitted by a laser become so short in time that they encompass only a few cycles of the carrier wave, the phase between carrier and envelope becomes a crucial parameter. The ability to control this carrier-envelope phase (CEP) is elemental to experiments probing the fastest processes in the microcosm, occurring on the time-scale of attoseconds. More than a decade into the attosecond era, the limitations of the established CEP stabilisation technique have begun to curtail experimental progress. First, increasingly complex experiments require many hours of uninterrupted operation at the same waveform. Second, the pulses used in experiments are approaching the single-cycle boundary, calling for ever-decreasing CEP noise. With the conventional stabilisation technique, already these two requirements cannot be fulfilled simultaneously. Ultimately, the low efficiency of the underlying nonlinear processes can only be compensated by driver lasers at a higher repetition rate than available at present. In order to advance attosecond pulse generation, novel approaches to CEP control thus face a threefold challenge that outlines this thesis: To simultaneously provide low CEP noise and long-term operation to present-day few-cycle lasers and amplifiers, and to investigate CEP control capability in high average power sources that are currently under development. This thesis describes the adaptation of cavity-external CEP stabilisation for use with few-cycle pulses. The intrinsic limitations of the conventional feed-back technique are lifted. A laser oscillator is demonstrated to maintain record-low CEP noise for tens of hours of operation free from phase discontinuities. In addition, a modification of the technique is presented that further enhances the applicability to amplified systems. Two routes are investigated to achieve CEP control in system architectures that represent potential megahertz repetition rate driver sources. In combination with temporal pulse compression, a thin-disk laser is shown to yield few-cycle pulses. Experiments are presented that provide the groundwork towards the first CEP-stabilised thin-disk oscillator. The second approach targets the seed oscillator of a fibre chirped-pulse amplifier. The CEP noise properties of different amplification regimes are examined. Intensity enhancement of the output pulses in a passive resonator is shown to benefit greatly even from a coarse lock of the CEP slip rate. For few-cycle pulse energy to reach the millijoule level and above, amplification and temporal compression will remain indispensable in the foreseeable future. Maintaining CEP stability across such stages is crucial, irrespective of the technology employed. Cavity-external CEP control is demonstrated to enable more than 24 hours of constant-CEP operation in chirped-pulse amplifiers. Furthermore, a novel actuator is introduced that, in conjunction with a fast means of measuring the CEP, is able to provide phase correction of the amplified waveform up to several kilohertz bandwidth. The result is a train of millijoule-level pulses with residual CEP noise comparable to that of state-of-the-art nanojoule oscillators. Eventually, an experiment is presented to examine the influence of different types of hollow-core fibre-based temporal compression on the CEP. The findings shed new light on the origin of adverse effects introduced by this technique, and point out ways towards effective compensation.

Abstract

Wenn die von einem Laser emittierten Lichtpulse so kurz werden, dass ihre Dauer nur noch wenige Schwingungszyklen des elektrischen Feldes umfasst, kommt der Phase zwischen Trägerwelle und Einhüllender (CEP) eine entscheidende Rolle zu. Ihre Regelung ist essentiell für jene Experimente, die die schnellsten Prozesse in der Natur auf der Zeitskala von Attosekunden ausloten. Mehr als zehn Jahre nach Beginn der Attosekunden-Ära ist die etablierte Methode der CEP-Regelung zum Hindernis für experimentelle Fortschritte geworden. Einerseits erfordern immer komplexere Experimente, dass das elektrische Feld der Pulse über viele Stunden konstant bleibt. Andererseits zeichnet sich eine Entwicklung der Pulsdauer zu immer kürzerer Dauer in Richtung eines einzigen Zyklus ab, was eine steigende Präzision der Regelung erfordert. Die gleichzeitige Erfüllung schon dieser beiden Anforderungen ist mit der konventionellen Methode nicht zu erreichen. Schlussendlich kann die niedrige Effizienz der zugrunde liegenden nichtlinearen Prozesse nur die Verwendung von Lasersystemen mit deutlich erhöhter Wiederholrate ausgeglichen werden. Um die Erzeugung von Attosekunden-Pulsen voranzutreiben, müssen neue Ansätze zur CEP-Regelung einer dreifachen Herausforderung gerecht werden, die dieser Dissertation ihren Rahmen gibt: Einerseits hohe Präzision und andererseits hohe Langzeittauglichkeit zur Verfügung zu stellen, und überdies neue Wege zur CEP-Regelung von derzeit in Entwicklung befindlichen Laserquellen mit hoher Durchschnittsleistung aufzuzeigen. Diese Dissertation beschreibt die Anpassung einer alternativen Methode der CEP-Regelung auf Pulse mit einer Dauer von wenigen Zyklen. Die intrinsischen Beschränkungen der konventionellen Technik werden damit behoben. Der solchermaßen stabilisierte Oszillator bietet geringstes CEP-Rauschen über mehrere zehn Stunden Laufzeit ohne Phasensprünge. Zusätzlich wird eine Abwandlung der Methode beschreiben, die deren Anwendbarkeit für Verstärkersysteme erweitert. Die CEP-Regelung in Systemarchitekturen für hohe Durchschnittsleistungen wird an zwei Lasersystemen untersucht, die exemplarisch für potentielle Attosekunden-Quellen mit Megahertz-Wiederholrate stehen. Es wird gezeigt, dass ein Scheibenlaser in Kombination mit zeitlicher Pulskompression genutzt werden kann, um Pulse in der Größenordnung von 10 fs zu erzeugen. Erste Experimente zu deren CEP-Stabilisierung ebnen den Weg für den ersten CEP-stabilen Scheibenlaser. Der zweite Ansatz betrifft die CEP-Regelung eines Oszillator-Verstärker-Systems. Das CEP-Rauschverhalten verschiedener Faserverstärker wird untersucht. Es wird gezeigt, dass die Überhöhung des Pulszugs in einem passiven Resonator auch von einer groben Stabilisierung der CEP-Änderungsrate deutlich profitiert. Um Pulse von wenigen Zyklen Dauer auf eine Energie von Millijoule und darüber hinaus zu bringen, wird Verstärkung und zeitliche Kompression auf absehbare Zeit unverzichtbar bleiben. Unabhängig von der hierzu gewählten Technologie ist es von entscheidender Bedeutung, den Einfluss dieser Prozesse auf die CEP gering zu halten. Die Verwendung eines mit der alternativen CEP-Regelung ausgestatteten Oszillators zur zeitlich gestreckten Verstärkung wird beschrieben, was in hochenergetischen Pulsen mit über 24 Stunden konstanter Wellenform resultiert. Alsdann wird ein neuartiger CEP-Aktuator beschrieben, der in Kombination mit einer schnellen Messmethode die CEP-Korrektur eines jeden Pulses bei einer Bandbreite von mehreren Kilohertz leistet. Das Resultat ist ein Pulszug auf Millijoule-Niveau, dessen CEP-Rauschen mit dem eines Nanojoule-Oszillators vergleichbar ist. Abschließend wird ein Experiment vorgestellt, mit dem der Einfluss von Hohlfaser-Kompression auf die CEP untersucht wird. Die Ergebnisse werfen neues Licht auf den Ursprung zusätzlichen Rauschens in solchen Aufbauten, und zeigen Wege zu dessen Vermeidung auf.