Mid-infrared tunable, carrier envelope phase stable, pulsed source

In the recent years growing attention has been paid in Mid-Infrared (Mid-IR) few cycle sources. These have been demonstrated to be capable of both driving and probing a vast multitude of low energy elementary excitations in molecules as well as in solids. Control over this processes is particularly fascinating in strongly correlated materials where even tiny changes in the crystallographic structure can lead to gigantic effects1. For this and many others applications2 shot to shot reproducibility of the pulses' electric feld both in frequency and phase is crucial. The difference frequency generation process between Near-Infrared (NIR) beams coming from Optical Parametric Amplifers has been successfully exploited for long a time to generate intense Mid-IR feld with almost transform-limited duration. The relative temporal offset of the carrier of a Mid-IR pulse in respect to its envelope, called Carrier-Envelope Phase (CEP), is one of the most important parameter in the description of the electric feld of such pulses. Hence, good control over its stability is needed in all of the above mentioned scenarios. Passive stabilization methods can be used to generate Mid-IR pulses with intrinsically locked CEP. Indeed, difference frequency mixing of NIR pulses obtained by the same broadband super-continuum white light generates CEP stable Mid-IR felds. Often this is not enough to maintain the CEP constant over long periods of time, therefore active stabilization methods are also employed. In this text we present an experimental setup for generating Mid-IR pulses with the above characteristics. After some needed general theory and practical knowledge are given we discuss the possibility of a new time-domain stabilization method based on the well known free space Electro Optic Sampling (EOS) technique. Hence we compare it with the already working frequency-domain approach based on similar processes, which has been demonstrated by Manzoni et al. in their paper[1]. We then prove a proposed method to generate Mid-IR pulses with narrow-band spectra that can be used in particular experiments that call for an higher spectral resolution.

Negli ultimi anni una crescente attenzione è stata posta a sorgenti di impulsi ultracorti nel medio infrarosso (Mid-IR). Per esse è stato dimostrata la possibilità di guidare e sondare una vasta moltitudine di eccitazioni elementari di bassa energia in molecole così come nei solidi. Il controllo di questi processi è particolarmente affascinante per quanto riguarda i materiali a forte correlazione elettronica nei quali, anche piccoli cambiamenti nella struttura cristallografca possono risultare in effetti macroscopici molto rilevanti3. Per queste, e molte altre applicazioni4 la riproducibilità del campo elettrico tra un impulso e l'altro, in fase come in frequenza, è fondamentale. Il processo di generazione di frequenza differenza tra due fasci nel vicino infrarosso provenienti da amplifcatori ottici parametrici è stato a lungo utilizzato con successo per generare campi elettrici intensi nel medio infrarosso con durata temporale che si avvicina al limite imposto dalla banda (transform-limited). Lo sfasamento temporale relativo della portante di un impulso Mid-IR rispetto al suo inviluppo, denominato Carrier-Envelope Phase (CEP), è uno dei parametri più importanti nella descrizione del campo elettrico di questi impulsi. Quindi, in tutti gli scenari sopra citati è necessario avere un buon controllo sulla sua stabilità. è possibile utilizzare metodi di stabilizzazione pasiva per generare impulsi Mid-IR con CEP intrinsecamente costante. Infatti, la frequenza differenza generata da due impulsi nel vicino infrarosso, ottenuti a loro volta da uno stesso supercontinuo di "luce bianca", risulta avere CEP stabile. Spesso, però, questo non è sufficiente per mantenere la CEP costante su periodi di tempo lunghi, per questo vengono utilizzati anche metodi di stabilizazzione attiva. In questo testo presentiamo un setup sperimentale capace di generare impulsi Mid-IR con le caratteristiche appena presentate. Dopo aver dato una dovuta infarinatura teorica e aver introdotto alcune conoscenze specifche discutiamo la possibilit à di un nuovo metodo di stabilizzazione nel dominio del tempo, basato sulla ben nota tecnica del campionamento Elettro-Ottico (EOS). Quindi lo confrontiamo con il consolidato approccio nel dominio delle frequenze, basato su processi similari, che è stato dimostrato da Manzoni et al. nel loro articolo[1]. Successivamente testiamo un metodo proposto per generare impulsi Mid-IR a banda stretta che possono essere utili in alcuni esperimenti che richiedono una risoluzione spettrale maggiore.