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Infrared waveform synthesis for applications in attosecond science
Infrared waveform synthesis for applications in attosecond science
Die optische Schaltungstechnik ist der lang erwartete Nachfolger unserer heutigen siliziumbasierten Elektronik. Das Forschungsinteresse hieran wurde durch das Aufkommen von ultrakurzen, kohärenten Lichquellen, welche Lichtpulse aus lediglich einer einzigen Oszillation des elektrischen Feldes erzeugen können, enorm belebt. Ihre Nutzung zur Signalverarbeitung verspricht eine tausendefache Erhöhung der bisher möglichen Schaltfrequenzen. Hauptvoraussetzung für ihre Verwirklichung ist jedoch die Verfügbarkeit eines optisch aktiven Schalters oder Transistors. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass intensive, ultrakurze Lichtfelder im Nahinfraroten die Polarisation eines Dielektrikums mit großer Bandlücke auf Zeitskalen unter einer Femtosekunde verändern können. Die zugrunde liegende optische Kopplung könnte als ultraschneller, optischer Schalter verwendet werden. Änliche Dynamiken in konventionellen, technologisch verwendeten Halbleitern wie InGaAs oder Silizium haben Potential die Entwicklung der optischen Schaltungstechnik maßgebend zu gestalten. Da technisch relevante Halbleiter kleine Bandlücken (uf. 1eV) aufweisen, werden für ihre Untersuchung geringere Photonenergien, also Lichtquellen im infraroten Spektralbereich, benötigt. Um eine definierte Anregung zu erzeugen und eindeutig verfolgen zu können, werden desweiteren Lichtimpulse mit kontrollierbarer elektrischer Feldentwicklung sowie eine präzise, zur umfassenden Charakterisierung geeignete, Messtechnik benötigt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine intensive, kohärente Infrarot-Lichtquelle entwickelt, welche die benötigten kontrollierbaren Wellenformen mit konstanter Träger-Einhüllenden-Phase, sowie Pulsdauern von bis zu einer einzelnen Feldoszillation, erzeugen kann. Desweitern wurde eine Messtechnik basierend auf elektrooptischer Abtastung, mit dessen Hilfe nunmehr die komplette Amplituden und Phaseninformation der erzeugten optischen Feldtransienten festgestellt werden kann, etabliert. Zur Verwirklichung einer derartigen Lichtquelle wurde die Impulsenergie eines existierenden optisch-parametrischen Nahinfrarotverstärkers, welcher Impulse mit weniger als zwei optischen Oszillationen bereitstellte, mittels einer neuartigen entarteten/nicht-entarteten Verstärkungsstufe bestehend aus zwei Bariumboratkristallen, von 200 mkJ auf über 1 mJ erhöht. Dieser Ansatz erlaubt eine signifikante Erhöhung der finalen Impulseenergie, ohne dabei die Verstärkungsbandbreite oder die Impulsdauer negative zu beeinflussen. Das Spektrum der Lichtpulse wird anschließend in einer luftgefüllten Hohlkernfaser nichtlinear verbreitert um ein Superkontinuum mit kontrollierter Träger-Einhüllenden-Phase zu erzeugen. Dieses umfasst mehr als drei Oktaven, beginnend mit 300 nm und endend bei uber 2.5 mkm, und ermöglicht so die Generation von Feldtransienten mit Dauern unter einer optischen Oszillation. Zur vollständigen Kontrolle wird das erzeugte Spektrumin drei spektrale Kanäle aufgeteilt, welche individuell phasenkorrigiert, verzögert und kohärent rekombiniert werden. Hochentwickelte Vielschicht-Dünnfilm-Optiken mit maßgefertigten spektralen Eigenschaften optimieren die Dispersion der Synthesizer-Kanäle. Neuartige Ansätze zum Aufbau der Dünnfilm-Optiken im ultravioletten Kanal ermöglichen die zeitliche Kompression der Impulse, welche maßgebend für die Realisation der elektrooptischen Abtastung ist. Für die elektrooptische Abtastung wird eine optimierbare, aber unbekannte Testwellenform erzeugt, welche durch die kohärente Addition des sichtbaren und des kurzwelligen Infrarot-Kanals, mit dem zuvor charakterisierten ultravioletten Hoch-frequenz-Messkanal in einem elektrooptisch aktiven Kristall überlagert. Die nicht lineare Wechselwirkung rotiert die Polarisation des Messpulses proportional zur instantanen Feldstärke der Test-Wellenform. Durch relative Verzögerung der beiden Lichtpulse lässt sich so die gesamte Entwicklung der Test-Wellenform aufzeichenen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Grenzfrequenz dieser Technik auf bis zu 430 THz erhöht, das entspricht einer sichtabren Wellenlänge von 700 nm. Außerdem wurde der Weg für eine weitere Erhöhung auf 500 THz (500 nm) geebnet. Bei dieser Grenzfrequenz gilt die elektrooptische Abtastung als eine praktische Alternative zur Attosekunden-Streak-Kamera, da sie die direkte Beobachtung von nahinfrarotenWellenformen mithilfe eines kompakten Aufbaus unter Raumbedinungen ermöglicht. Abschließend betrachtet stellt die hier vorgestellte Lichtquelle im Zusammenspiel mit der elektooptischen Abtastung ein einzigartiges Werkzeug zur Untersuchung einer grßen Zahl von potentiell relevanten Halbleitermaterialen für die zukünftige optische Schaltungstechnik dar., Lightwave electronics has long been a highly anticipated rival to the conventional siliconbased electronics of our days. The interest was intensified by the advent of ultrafastcoherent light sources with pulse duration lasting merely a cycle of oscillating electric field at optical frequencies. Their usage for signal processing promises a factor of 1000 increase of the processing clock rates. However, the major prerequisite for the viability of the novel concept is an existence of a light-governed switch or transistor. A recent study showed, that an intense transient near-infrared light fields are capable of governing the polarization response of a wide band gap dielectric on a sub-femtosecond time scale, enabling optical-to-optical coupling that can be used as a switch. Observation of a similar dynamics in conventional and technologically well-developed silicon and InGaAs could be determining for the future of the light wave electronics. However, as both Si and InGaAs as well as a number of other technologically relevant semiconductors have rather modest electronic band gaps (around 1eV), sources with substantially lower photon energies - in the short-wavelength-infrared - are required for their investigations. Further more, in order to excite and study the electronic system in a well controlled manner, we need sources with well-controlled temporal evolution of the electric field, henceforth called waveform, and measurement techniques that are able resolve the waveforms. This dissertation aims at the development of the intense short-wavelength-infrared (central wavelength of approx. 1.8mkm) coherent light source delivering waveform-controlled carrier-phase stable nearly single cycle pulses and at the establishment of a high-frequency electro-optic sampling technique for complete amplitude and phase characterization of the produced optical waveforms. For the development of the light source, an existent 200 mkJ sub-two-cycle short-wavelength-infrared optical parametric amplifier is upgraded to 1 mJ pulse energy via an implementation of a novel degenerate/nondegenerate amplification scheme combined of two barium borate crystals. The approach allows to substantially scale the amplifier's pulse energy without sacrificing the amplification bandwidth and pulse duration. The amplified pulses are subsequently spectrally broadened in a hollow{core fiber filled with ambient air. Resulting carrier-phase stable supercontinuum spans over three optical octaves from 300nm to 2.5 mkmm and beyond ultimately supporting synthesis of sub-cycle optical transients. Following the concept of waveform synthesis the generated spectrum is subdivided into three spectral channels. The channels are corrected for spectral phase, temporally delayed and later coherently recombined. While the high-frequency channel is employed for the electro-optic sampling diagnostics, the visible and short-wave-infrared channels are used for a synthesis of custom-tailored optical waveforms. Advanced multilayer thin-film dispersive optics is used for the dispersion control in the synthesizer's channels. New approach is developed for design of the thin-film components operating in the ultraviolet spectral range. Their implementation essentially allowed generation of a temporally-compressed pulse in the high-frequency channel that is vital for the operation of the electro-optic sampling diagnostics. In electro-optic sampling, an unknown test waveform created by the coherent recombination of the visible and short-wavelength-infrared channels overlaps with well-characterized short sampling pulse (high frequency channel) in an electro-optic crystal. The nonlinear interaction induces a polarization rotation of the sampling pulse which is proportional to the instantaneous electric field of the test waveform. By scanning the temporal delay between the test waveform and the sampling pulse the complete evolution of the electric field of the test pulse is directly recorded. In the current work we have extended the spectral cutoff of the technique to an underrepresented 430 THz, corresponding to the wavelength of 700 nm, and potentially up to 500 THz (600 nm). With this spectral cut off, the electro-optic sampling becomes a viable alternative to the attosecond streak camera technique, enabling the direct recording of near-infrared optical waveforms in compact, ambient-air set up. All in all, the presented light source together with the established high-frequency electro-optic sampling diagnostics is a unique tool for high-temporal resolution studies of a wide range of semiconductor materials that are potentially suitable for the future lightwave electronics.
Waveform synthesis, white light generation, electro-optic sampling, dispersive optics
Razskazovskaya, Olga
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Razskazovskaya, Olga (2017): Infrared waveform synthesis for applications in attosecond science. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die optische Schaltungstechnik ist der lang erwartete Nachfolger unserer heutigen siliziumbasierten Elektronik. Das Forschungsinteresse hieran wurde durch das Aufkommen von ultrakurzen, kohärenten Lichquellen, welche Lichtpulse aus lediglich einer einzigen Oszillation des elektrischen Feldes erzeugen können, enorm belebt. Ihre Nutzung zur Signalverarbeitung verspricht eine tausendefache Erhöhung der bisher möglichen Schaltfrequenzen. Hauptvoraussetzung für ihre Verwirklichung ist jedoch die Verfügbarkeit eines optisch aktiven Schalters oder Transistors. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass intensive, ultrakurze Lichtfelder im Nahinfraroten die Polarisation eines Dielektrikums mit großer Bandlücke auf Zeitskalen unter einer Femtosekunde verändern können. Die zugrunde liegende optische Kopplung könnte als ultraschneller, optischer Schalter verwendet werden. Änliche Dynamiken in konventionellen, technologisch verwendeten Halbleitern wie InGaAs oder Silizium haben Potential die Entwicklung der optischen Schaltungstechnik maßgebend zu gestalten. Da technisch relevante Halbleiter kleine Bandlücken (uf. 1eV) aufweisen, werden für ihre Untersuchung geringere Photonenergien, also Lichtquellen im infraroten Spektralbereich, benötigt. Um eine definierte Anregung zu erzeugen und eindeutig verfolgen zu können, werden desweiteren Lichtimpulse mit kontrollierbarer elektrischer Feldentwicklung sowie eine präzise, zur umfassenden Charakterisierung geeignete, Messtechnik benötigt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine intensive, kohärente Infrarot-Lichtquelle entwickelt, welche die benötigten kontrollierbaren Wellenformen mit konstanter Träger-Einhüllenden-Phase, sowie Pulsdauern von bis zu einer einzelnen Feldoszillation, erzeugen kann. Desweitern wurde eine Messtechnik basierend auf elektrooptischer Abtastung, mit dessen Hilfe nunmehr die komplette Amplituden und Phaseninformation der erzeugten optischen Feldtransienten festgestellt werden kann, etabliert. Zur Verwirklichung einer derartigen Lichtquelle wurde die Impulsenergie eines existierenden optisch-parametrischen Nahinfrarotverstärkers, welcher Impulse mit weniger als zwei optischen Oszillationen bereitstellte, mittels einer neuartigen entarteten/nicht-entarteten Verstärkungsstufe bestehend aus zwei Bariumboratkristallen, von 200 mkJ auf über 1 mJ erhöht. Dieser Ansatz erlaubt eine signifikante Erhöhung der finalen Impulseenergie, ohne dabei die Verstärkungsbandbreite oder die Impulsdauer negative zu beeinflussen. Das Spektrum der Lichtpulse wird anschließend in einer luftgefüllten Hohlkernfaser nichtlinear verbreitert um ein Superkontinuum mit kontrollierter Träger-Einhüllenden-Phase zu erzeugen. Dieses umfasst mehr als drei Oktaven, beginnend mit 300 nm und endend bei uber 2.5 mkm, und ermöglicht so die Generation von Feldtransienten mit Dauern unter einer optischen Oszillation. Zur vollständigen Kontrolle wird das erzeugte Spektrumin drei spektrale Kanäle aufgeteilt, welche individuell phasenkorrigiert, verzögert und kohärent rekombiniert werden. Hochentwickelte Vielschicht-Dünnfilm-Optiken mit maßgefertigten spektralen Eigenschaften optimieren die Dispersion der Synthesizer-Kanäle. Neuartige Ansätze zum Aufbau der Dünnfilm-Optiken im ultravioletten Kanal ermöglichen die zeitliche Kompression der Impulse, welche maßgebend für die Realisation der elektrooptischen Abtastung ist. Für die elektrooptische Abtastung wird eine optimierbare, aber unbekannte Testwellenform erzeugt, welche durch die kohärente Addition des sichtbaren und des kurzwelligen Infrarot-Kanals, mit dem zuvor charakterisierten ultravioletten Hoch-frequenz-Messkanal in einem elektrooptisch aktiven Kristall überlagert. Die nicht lineare Wechselwirkung rotiert die Polarisation des Messpulses proportional zur instantanen Feldstärke der Test-Wellenform. Durch relative Verzögerung der beiden Lichtpulse lässt sich so die gesamte Entwicklung der Test-Wellenform aufzeichenen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Grenzfrequenz dieser Technik auf bis zu 430 THz erhöht, das entspricht einer sichtabren Wellenlänge von 700 nm. Außerdem wurde der Weg für eine weitere Erhöhung auf 500 THz (500 nm) geebnet. Bei dieser Grenzfrequenz gilt die elektrooptische Abtastung als eine praktische Alternative zur Attosekunden-Streak-Kamera, da sie die direkte Beobachtung von nahinfrarotenWellenformen mithilfe eines kompakten Aufbaus unter Raumbedinungen ermöglicht. Abschließend betrachtet stellt die hier vorgestellte Lichtquelle im Zusammenspiel mit der elektooptischen Abtastung ein einzigartiges Werkzeug zur Untersuchung einer grßen Zahl von potentiell relevanten Halbleitermaterialen für die zukünftige optische Schaltungstechnik dar.

Abstract

Lightwave electronics has long been a highly anticipated rival to the conventional siliconbased electronics of our days. The interest was intensified by the advent of ultrafastcoherent light sources with pulse duration lasting merely a cycle of oscillating electric field at optical frequencies. Their usage for signal processing promises a factor of 1000 increase of the processing clock rates. However, the major prerequisite for the viability of the novel concept is an existence of a light-governed switch or transistor. A recent study showed, that an intense transient near-infrared light fields are capable of governing the polarization response of a wide band gap dielectric on a sub-femtosecond time scale, enabling optical-to-optical coupling that can be used as a switch. Observation of a similar dynamics in conventional and technologically well-developed silicon and InGaAs could be determining for the future of the light wave electronics. However, as both Si and InGaAs as well as a number of other technologically relevant semiconductors have rather modest electronic band gaps (around 1eV), sources with substantially lower photon energies - in the short-wavelength-infrared - are required for their investigations. Further more, in order to excite and study the electronic system in a well controlled manner, we need sources with well-controlled temporal evolution of the electric field, henceforth called waveform, and measurement techniques that are able resolve the waveforms. This dissertation aims at the development of the intense short-wavelength-infrared (central wavelength of approx. 1.8mkm) coherent light source delivering waveform-controlled carrier-phase stable nearly single cycle pulses and at the establishment of a high-frequency electro-optic sampling technique for complete amplitude and phase characterization of the produced optical waveforms. For the development of the light source, an existent 200 mkJ sub-two-cycle short-wavelength-infrared optical parametric amplifier is upgraded to 1 mJ pulse energy via an implementation of a novel degenerate/nondegenerate amplification scheme combined of two barium borate crystals. The approach allows to substantially scale the amplifier's pulse energy without sacrificing the amplification bandwidth and pulse duration. The amplified pulses are subsequently spectrally broadened in a hollow{core fiber filled with ambient air. Resulting carrier-phase stable supercontinuum spans over three optical octaves from 300nm to 2.5 mkmm and beyond ultimately supporting synthesis of sub-cycle optical transients. Following the concept of waveform synthesis the generated spectrum is subdivided into three spectral channels. The channels are corrected for spectral phase, temporally delayed and later coherently recombined. While the high-frequency channel is employed for the electro-optic sampling diagnostics, the visible and short-wave-infrared channels are used for a synthesis of custom-tailored optical waveforms. Advanced multilayer thin-film dispersive optics is used for the dispersion control in the synthesizer's channels. New approach is developed for design of the thin-film components operating in the ultraviolet spectral range. Their implementation essentially allowed generation of a temporally-compressed pulse in the high-frequency channel that is vital for the operation of the electro-optic sampling diagnostics. In electro-optic sampling, an unknown test waveform created by the coherent recombination of the visible and short-wavelength-infrared channels overlaps with well-characterized short sampling pulse (high frequency channel) in an electro-optic crystal. The nonlinear interaction induces a polarization rotation of the sampling pulse which is proportional to the instantaneous electric field of the test waveform. By scanning the temporal delay between the test waveform and the sampling pulse the complete evolution of the electric field of the test pulse is directly recorded. In the current work we have extended the spectral cutoff of the technique to an underrepresented 430 THz, corresponding to the wavelength of 700 nm, and potentially up to 500 THz (600 nm). With this spectral cut off, the electro-optic sampling becomes a viable alternative to the attosecond streak camera technique, enabling the direct recording of near-infrared optical waveforms in compact, ambient-air set up. All in all, the presented light source together with the established high-frequency electro-optic sampling diagnostics is a unique tool for high-temporal resolution studies of a wide range of semiconductor materials that are potentially suitable for the future lightwave electronics.