The study of electron dynamics occurring on the sub-femtosecond time scale relies on attosecond (1 as = 10$^{-18}$ s) pump-probe spectroscopy experiments. In these techniques, the pump beam is an intense IR few-cycles laser pulse which impinges on the sample and triggers the electron dynamics. The probe beam consists of attosecond extreme-ultraviolet (XUV) pulses generated through the process named high-order harmonic generation (HHG), a phenomenon that stems from the interaction between a strong IR laser pulse and noble gas atoms. The current beamline in the AuDACE laboratory at Politecnico di Milano offers the opportunity to investigate sub-femtosecond processes inside solid samples. In particular, the experiments take place in an innovative sequential double-foci geometry: changing the delay between XUV and IR beams, it is possible to recover simultaneously two bi-dimensional maps defined over the energy and delay domains. The former is recorded inside an electron spectrometer and allows the pulse reconstruction and delay axis calibration; the latter is recorded by an XUV spectrometer and depicts the evolution of the transient reflectivity changes, encoding the pump-modified properties of the sample and revealing the underlying sub-femtosecond carrier dynamics with attosecond resolution. Therefore, the AuDACE attosecond beamline gives the possibility to achieve a two-fold goal: the temporal characterization of IR and XUV pulses and the sequent interpretation of ultrafast physical phenomena with super short temporal resolution. In this work, an in-depth analysis of two key aspects will be shown: the hardware implementation required to study carrier dynamics triggered by circularly polarized pulses and a rigorous assessment of a new pulse reconstruction algorithm, characterized by a high robustness against noise.

Lo studio delle dinamiche elettroniche che evolvono sulla scala temporale dei femtosecondi si basa su esperimenti di spettroscopia pump-probe ad attosecondi (1 as = 10$^{-18}$ s). In queste tecniche, il fascio di pompa è un impulso laser infrarosso (IR) a pochi periodi e molto intenso, che incide su un campione e innesca la dinamica elettronica. Il fascio di sonda è costituito da impulsi ultravioletti ad attosecondi, generati tramite il processo di generazione di armoniche di ordine molto elevato, un fenomeno che deriva dall'interazione tra impulsi laser IR molto intensi e atomi di gas nobile. L'attuale linea nel laboratorio AuDACE al Politecnico di Milano offre l'opportunità di investigare processi ultraveloci all'interno di campioni solidi. In particolare, l'esperimento ha luogo in un'innovativa linea a due fuochi sequenziali: variando il ritardo tra gli impulsi XUV e IR, è possibile registrare simultaneamente due mappe bi-dimensionali definite sui domini di energia e del ritardo tra impulsi. La prima misura avviene all'interno di uno spettrometro di elettroni e permette la ricostruzione degli impulsi e la calibrazione dell'asse del ritardo tra impulsi; la seconda è misurata da uno spettrometro di fotoni XUV e registra l'evoluzione delle variazioni di riflettività transiente, che descrive le proprietà del campione perturbate dal fascio di pompa e rivela la dinamica elettronica ultraveloce con risoluzione ad attosecondi. Quindi, la linea ad attosecondi in AuDACE da' la possibilità di raggiungere un obbiettivo duplice: la caratterizzazione degli impulsi IR e XUV e la seguente interpretazione dei fenomeni fisici ultraveloci con una risoluzione temporale estremamente spinta. In questo elaborato, un'analisi dettagliata di due aspetti fondamentali verrà affrontata: l’implementazione hardware necessaria per studiare dinamiche di portatori innescate da impulsi polarizzati circolarmente e una valutazione rigorosa di un nuovo algoritmo per la ricostruzione di impulsi, caratterizzato da una forte robustezza contro il rumore.

New route to attosecond pulse characterization

Bonetti, Simone
2021/2022

Abstract

The study of electron dynamics occurring on the sub-femtosecond time scale relies on attosecond (1 as = 10$^{-18}$ s) pump-probe spectroscopy experiments. In these techniques, the pump beam is an intense IR few-cycles laser pulse which impinges on the sample and triggers the electron dynamics. The probe beam consists of attosecond extreme-ultraviolet (XUV) pulses generated through the process named high-order harmonic generation (HHG), a phenomenon that stems from the interaction between a strong IR laser pulse and noble gas atoms. The current beamline in the AuDACE laboratory at Politecnico di Milano offers the opportunity to investigate sub-femtosecond processes inside solid samples. In particular, the experiments take place in an innovative sequential double-foci geometry: changing the delay between XUV and IR beams, it is possible to recover simultaneously two bi-dimensional maps defined over the energy and delay domains. The former is recorded inside an electron spectrometer and allows the pulse reconstruction and delay axis calibration; the latter is recorded by an XUV spectrometer and depicts the evolution of the transient reflectivity changes, encoding the pump-modified properties of the sample and revealing the underlying sub-femtosecond carrier dynamics with attosecond resolution. Therefore, the AuDACE attosecond beamline gives the possibility to achieve a two-fold goal: the temporal characterization of IR and XUV pulses and the sequent interpretation of ultrafast physical phenomena with super short temporal resolution. In this work, an in-depth analysis of two key aspects will be shown: the hardware implementation required to study carrier dynamics triggered by circularly polarized pulses and a rigorous assessment of a new pulse reconstruction algorithm, characterized by a high robustness against noise.
DI PALO, NICOLA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
6-ott-2022
2021/2022
Lo studio delle dinamiche elettroniche che evolvono sulla scala temporale dei femtosecondi si basa su esperimenti di spettroscopia pump-probe ad attosecondi (1 as = 10$^{-18}$ s). In queste tecniche, il fascio di pompa è un impulso laser infrarosso (IR) a pochi periodi e molto intenso, che incide su un campione e innesca la dinamica elettronica. Il fascio di sonda è costituito da impulsi ultravioletti ad attosecondi, generati tramite il processo di generazione di armoniche di ordine molto elevato, un fenomeno che deriva dall'interazione tra impulsi laser IR molto intensi e atomi di gas nobile. L'attuale linea nel laboratorio AuDACE al Politecnico di Milano offre l'opportunità di investigare processi ultraveloci all'interno di campioni solidi. In particolare, l'esperimento ha luogo in un'innovativa linea a due fuochi sequenziali: variando il ritardo tra gli impulsi XUV e IR, è possibile registrare simultaneamente due mappe bi-dimensionali definite sui domini di energia e del ritardo tra impulsi. La prima misura avviene all'interno di uno spettrometro di elettroni e permette la ricostruzione degli impulsi e la calibrazione dell'asse del ritardo tra impulsi; la seconda è misurata da uno spettrometro di fotoni XUV e registra l'evoluzione delle variazioni di riflettività transiente, che descrive le proprietà del campione perturbate dal fascio di pompa e rivela la dinamica elettronica ultraveloce con risoluzione ad attosecondi. Quindi, la linea ad attosecondi in AuDACE da' la possibilità di raggiungere un obbiettivo duplice: la caratterizzazione degli impulsi IR e XUV e la seguente interpretazione dei fenomeni fisici ultraveloci con una risoluzione temporale estremamente spinta. In questo elaborato, un'analisi dettagliata di due aspetti fondamentali verrà affrontata: l’implementazione hardware necessaria per studiare dinamiche di portatori innescate da impulsi polarizzati circolarmente e una valutazione rigorosa di un nuovo algoritmo per la ricostruzione di impulsi, caratterizzato da una forte robustezza contro il rumore.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/192125