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Compensation of higher-order frequency-dependent phase terms in chirped-pulse amplification systems

Optics Letters (Impact Factor: 3.18). 08/1993; 18(16):1343. DOI: 10.1364/OL.18.001343
Source: PubMed

ABSTRACT We have developed a system that provides monotonic tuning of the higher-order frequency-dependent phase of ultrashort laser pulses. This technique utilizes geometric aberrations that arise from adjustments to the relative alignment of the elements of an air-spaced doublet lens. In a system such as a diffraction-grating stretcher, the spectral components of the optical pulses are spatially dispersed, and lens aberrations introduce frequency-dependent phase shifts. A numerical model of a general chirped-pulsed amplification system has been developed and verified by comparison with experimental and analytical results. Numerical results indicating that higher-order phase terms can be compensated by a properly adjusted air-spaced doublet design within the pulse stretcher are presented.

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    ABSTRACT: In der vorliegenden Arbeit wird die Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung während der Wechselwirkung hochintensiver, ultrakurzer Laserimpulse mit Festkörperoberflächen untersucht. Hierbei werden neben den experimentellen Untersuchungen auch numerische PIC-Simulationen vorgestellt, die nicht nur die experimentellen Ergebnisse bestätigen, sondern auch wesentlich zum physikalischen Verständnis der Harmonischen-Erzeugung beitragen. Die Ordnung der Harmonischen-Emission ist bei der Anregung mit p-polarisierten Laserimpulsen in dem während der Arbeit zugänglichen Intensitätsbereich (<3 x 1018 W/cm2) durch die Plasmafrequenz des sich auf der Festkörperoberfläche ausbildenden Plasmas begrenzt. Dieses Ergebnis kann aufgrund der hohen Impulsqualität sowohl bei Anregung mit der fundamentalen Wellenlänge des Lasersystems im relativistischen Intensitätsbereich (a0>1) als auch mit der 2. Harmonischen im nicht relativistischen Intensitätsbereich (a0<0.3) nachgewiesen werden. Entscheidend für den Nachweis ist der Einsatz von Festkörpern, die unter der Annahme der vollständigen Ionisation, in verschiedenen Elektronendichten resultieren. Die experimentellen Untersuchungen bei der Anregung mit der p-polarisierten 2. Harmonischen können mit Hilfe von numerischen PIC-Simulationen qualitativ und quantitativ reproduziert werden. Entscheidend für die Übereinstimmung ist die Annahme einer sehr kurzen Skalenlänge des Plasmas (L/l =O(0.01)), die den Elektronendichte-Verlauf des Oberflächenplasmas am Plasma-Vakuum-Übergang charakterisiert. Die numerischen Simulationen zeigen, dass der Mechanismus der Harmonischen-Erzeugung auf der Anregung von Elektronendichte-Oszillationen in dem inhomogenen Bereich des Plasma-Vakuum Übergangs beruht. Die Frequenzen dieser Oszillationen entsprechen wiederum ganzzahligen Vielfachen der Laserfrequenz. Die numerischen Simulationen berechnen für größere Skalenlängen (L/l >0.1) Harmonischen-Spektren, deren Ordnung nicht durch die Plasmafrequenz begrenzt wird. In diesem Fall basiert die Erzeugung Harmonischer hoher Ordnung durch die anharmonische Oszillation der kritischen Elektronendichte, deren Frequenzspektrum wiederum aus ganzzahligen Harmonischen der Laserfrequenz besteht. Beide Bereiche werden durch einen Dritten abgetrennt, in dem die berechneten Spektren eine Erzeugung von höheren Harmonischen ausschließen. Mit Hilfe eines künstlichen Vorimpulses, dessen Verzögerungszeit bezüglich des hochintensiven Laserimpulses variiert werden kann, wird die Abhängigkeit der Harmonischen-Erzeugung von der Skalenlänge experimentell untersucht. Ein Übergang in den Bereich der Harmonischen-Erzeugung ohne die Einschränkung durch die Plasmafrequenz kann nicht verifiziert werden. Lediglich ein schneller Abfall des Harmonischen-Signals unabhängig von der Ordnung wird beobachtet . Eine mögliche Ursache für diese Diskrepanz ist die Ausbildung von räumlichen Störungen innerhalb des Oberflächenplasmas. Hinweise auf diese Störungen liefern Untersuchungen bezüglich der reflektieren, bzw. vom Oberflächenplasma emittierten, räumlichen Energieverteilung. Die Experimente zur Skalenlängenabhängigkeit der Harmonischen-Erzeugung führen zu einem weiteren interessanten Gebiet der Laser-Plasma-Wechselwirkung. Für sehr kurze Skalenlängen L/l»1 und schwach relativistische Intensitäten (a0=0.6) wird die Emission der 3/2-Harmonischen beobachtet, die unmittelbar an die Entwicklung von parametrischen Instabilitäten während der Laser-Plasma-Wechselwirkung gekoppelt ist. Für Skalenlängen L/l»1 erfolgt die Emission kollimiert in zwei verschiedene Richtungen »25° und »75° bei einem Einfallswinkel von q=38°. Für größere Skalenlängen wird die 3/2-Harmonische in den gesamten vor der Festkörperprobe befindlichen Halbraum emittiert. Die bestimmten Spektren sind sehr breit und lassen auf ein noch sehr viel breiteres Plasmonen-Spektrum schließen. Im Bereich der kollimierten Emission decken die über mehrere Laserimpulse gemittelten Spektren eine Abhängigkeit von der Emissionrichtung aus. Erklärt werden können die gemessenen Spektren durch die Entwicklung einer hybriden Plasma-Instabilität, bestehend aus Zwei-Plasmonen-Zerfall und Stimulierter-Raman-Streuung , sowie durch die räumliche Trennung der parametrischen Plasma-Instabilitäten und der nachfolgenden Summenfrequenz-Mischung.
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    ABSTRACT: Pulse Compression and Dispersion Control in Ultrafast Optics Vikrant K. Chauhan 116 Pages Directed by Dr. Rick P. Trebino In this thesis, we introduced novel pulse compressors that are easy to align and which also compensate for higher order dispersion terms. They use a single dispersive element or a combination of dispersive elements in single-element-geometry. They solve the problem of extra-cavity pulse compression by providing control of the pulse width in almost all of the experiments performed using ultrashort pulses, and they even compensate for higher order dispersion. We performed full spatiotemporal characterization of these compressors and demonstrated their performance. We also developed a theoretical simulation of pulse compressors which is based on a matrix based formalism. It models the full spatiotemporal characteristics of any dispersion control system. We also introduced a simple equation, in its most general form, to relate the total dispersion and magnification introduced by an arbitrary sequence of dispersive devices. Pulse compressor characterization was done using interferometric measurements in the experiments presented in this work, but we also developed a method to measure pulses that uses polarization gating FROG for measuring two unknown pulses. In the last part, we briefly discuss the designing of a high energy chirped pulse amplification system.
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    ABSTRACT: Chirped pulse amplification of nearly Gaussian pulses as short as 55 fs are reported in Ti:Al2O3 at 1 kHz repetition rates. The stretcher/compressor is based on a model that explained finite beam size effects, beam divergence effects, and pulse propagation in the amplifier through more than 1 m of material.
    Optics Letters 12/1993; 18(23):2044-2046. DOI:10.1364/OL.18.002044 · 3.18 Impact Factor