High energy ultrafast tunable mid-IR sources for the application in strong field physics and spectroscopy

Ultrafast spectroscopy in the mid-IR wavelength region has several applications in the fundamental physics, chemistry and biological science. For a spectrum of molecules, it’s vibrational and rovibrational resonance lies in the mid-IR spectral region. Besides this, mid- IR pulses have several applications in strong-field physics. However up-to-now, ultrafast light sources in the mid-IR region have been inferior to those in the visible or near-IR wavelength region in terms of power, bandwidth and pulse duration. These factors severely limiting the ultrafast spectroscopy and strong-field physics in these spectral regions. This thesis reports the development of an optical parametric amplifier for the generation of high energy, ultrafast few-cycle pulses in the mid-IR wavelength region (2.8 μm to 4 μm). The potential of the source is proved by conducting two experiments. In the first set of experiments, the study of high harmonic generation in atomic and molecular gases (using two-colour scheme) to enhance the harmonic cut-off energy in the XUV region and the trajectory dependence of tunnel ionized electrons in the presence of mid-IR electric field are extensively studied. I also extended this technique to study the high harmonics generation from semiconductor solid materials and studied the polarization dependence of the mid-IR pulses in the harmonic generation in transmission geometry. These results are reported and discussed in this thesis.

La spettroscopia ultraveloce nella regione spettrale del medio infrarosso (midIR) ha diverse applicazioni in fisica, chimica e nelle scienze biologiche. Infatti, le risonanze rotovibrazionali delle molecole risiedono in questa regione spettrale. Oltre a ciò, l’utilizzo di impulsi nel medio infrarosso permette diverse applicazioni nella fisica dell’interazione con campi ad alta intensità. Tuttavia, fino ad ora, le sorgenti di impulsi ultrabrevi nella regione del medio infrarosso sono state inferiori a quelle nel visibile e nel vicino infrarosso sia in termini di potenza, che di banda e durata dell’impulso. Questi fattori limitano enormemente le possibilità di utilizzo di tali sorgenti in esperimenti di questo tipo. Questo lavoro di tesi riporta lo sviluppo di un amplificatore ottico parametrico (OPA) volto alla generazione di impulsi ultrabrevi a pochi cicli ottici e alta energia nella regione spettrale del medio infrarosso (tunabili da 2,8 μm a 4 μm). Le possibilità offerte dalla sorgente sono dimostrate in due esperimenti. Nel primo, è stata esplorata la generazione di armoniche di ordine elevato in gas atomici e molecolari utilizzando uno schema a due colori per aumentare l’energia di cutoff della radiazione XUV e la dipendenza delle traiettorie elettroniche dal campo nel medio infrarosso è ampiamente discussa. Nel secondo esperimento tale tecnica è stata estesa alla generazione di armoniche di ordine elevato in solidi semiconduttori in funzione dalla polarizzazione degli impulsi, sfruttando una geometria in trasmissione. Entrambi questi risultati sono riportati e discussi in questo lavoro di tesi.