Fiber optical parametric amplifer for chirped pump pulses

The broad aim of this thesis is to present the study and development of new kinds of ultra-broad band photonic amplifiers at ultra-high repetition rate that are able to operate well beyond the current state-of-the-art. In the project, are combined new techniques based on compact, robust high repetition rate fiber lasers and ultra-broad band nonlinear optical techniques that elegantly circumvent the bandwidth and wavelength limitation of traditional material. The exploited general principle is based on optical parametric amplification of chirped pulses with a broad band in a fiber. The process relies on the third-order nonlinearity, which can provide both large gain bandwidth and high gain values in a compact, rugged geometry. The useful properties of two distinct laser pulses (one high energy but narrow bandwidth, the other broad spectrum but low energy) are “combined” to engineer a “perfect” targeted pulse (high energy and broad spectrum) through a phase-matched four wave mixing process. The instantaneous energy transfer from an intense pump pulse with narrow bandwidth to a low energy broad bandwidth pulse is achieved by using a photonic crystal fiber. The intense pump is usually generated by an ytterbium doped fiber amplifier to benefit from its high repetition rate and high energy. The signal is stretched beforehand to avoid optical damage in the fiber and then recompressed after amplification since spurious phase generated during the amplification process. This thesis shows in conclusion as such project allows to amplify ultra-fast pulses up to 30 fs without broadening their duration.

Lo scopo finale di questa tesi è di presentare la realizzazione di nuovi modelli di amplificatori fotonici a banda ultra-larga e frequenza di ripetizione ultra-alta notevolmente superiori ai modelli attuali. In questo progetto sono combinate tecniche innovative di laser in fibre robuste a alta frequenza di ripetizione e tecniche di ottica non-lineare a banda ultra larga che permettono di risolvere i limiti dei materiali tradizionali di lunghezza d’onda e larghezza dello spettro. Il processo generale sfruttato è basato su amplificazione parametrica ottica in fibra utilizzando impulsi di pompa chirpati. L’intero processo si basa su effetti non lineari del terzo ordine che permettono di ottenere alti guadagni con una larga banda spettrale. Le proprietà di due di due distinti impulsi laser, alta energia e banda stretta per la pompa e larga banda e bassa energia per il segnale, sono quindi combinate insieme attraverso un processo di “4-wave-mixing” in condizione di “phase matching” permettendo di generare l’impulso ottimale a larga banda e alta energia. Il trasferimento di energia tra i due impulsi avviene utilizzando una fibra a cristalli fotonici. L’impulso di pompa viene generato da un amplificatore in fibra dopata all’itterbio per sfruttare le sue caratteristiche di alta frequenza di ripetizione e energia. Il segnale a sua volta è allargato tramite effetti non lineari e poi ricompresso a termine del processo per eliminare contributi spuri alla fase spettrale generati durante il processo di amplificazione. In conclusione questa tesi mostra come tale esperimento permette di amplificare impulsi ultrabrevi fino a 30 fs senza allargarne la durata temporale.