Near-Infrared low-noise Ytterbium ultrafast lasers for extreme light generation and precision spectroscopy

Low- noise ultrafast ytterbium-based mode-locked lasers strongly impacted the scientific world since their first implementations at the end of the last century, and nowadays their role remains central in several research fields. This doctoral dissertation presents two relevant scientific applications of this technology. The first one is the implementation of a high-power laser system for X-ray generation via Inverse Compton Scattering in the framework of the R&D of project BriXSinO. We built a complex high-average power system exploiting a combination of active and passive amplification of ultrashort near-infrared pulses. Namely, Yb-doped fiber amplifiers allow reaching approximately 60W of power for the infrared laser beam, which is successively coupled to a passive enhancement resonator, where the interaction with relative electrons is supposed to occur. This last element boosts the power of factor 103, exceeding tens of kW of trapped power. The second application of ultrashort pulses from Yb mode-locked lasers is the synthesis of near-infrared frequency combs, which find application mainly in the high-precision spectroscopy field. Specifically, we firstly report on the synthesis of a Yb:CALGO frequency comb operating at a repetition rate of 160 MHz. Then, we present the first implementation of a low repetition rate comb operating at below the MHz, as a proof of concept for an innovative high-harmonics generation strategy for fundamental spectroscopy on He+ ions.

I laser mode-locking a basso rumore basati su ioni itterbio hanno avuto un forte impatto sul mondo scientifico sin dalle prime implementazioni avvenute sul finire del secolo scorso, e tuttora il loro ruolo rimane centrale in molti campi di ricerca. In questa tesi di dottorato vengono presentate due applicazioni scientificamente rilevanti di questa tecnologia. La prima è l’implementazione di un sistema laser ad elevata potenza media per la generazione di raggi X via Compton Scattering Inverso nel contesto della Ricerca e Sviluppo del progetto BriXSinO. Abbiamo costruito un complesso sistema ad alta potenza sfruttando la combinazione di elementi di amplificazione attiva e passiva di impulsi ultrashort nel vicino infrarosso. Amplificatori in fibra drogata a itterbio permettono di raggiungere potenze medie di circa 60W per il fascio laser infrarosso, che viene successivamente accoppiato con un cavità di innalzamento passiva, dove avverrà in futuro l’interazione con gli elettroni relativistici. Quest’ultimo elemento innalza la potenza di un fattore 103, e permette di ottenere una potenza intrappolata di decine di kW. La seconda applicazione di impulsi ultracorti generati da laser modelocking a itterbio è la sintesi di pettini di frequenze nel vicino infrarosso, che trovano applicazione principalmente nel campo della spettroscopia ad alta precisione. Nello specifico, viene dapprima riportata la sintesi di un pettine di frequenze basato su un oscillatore Yb:CALGO, che opera ad una frequenza di ripetizione di 160 MHz. Viene poi presentata la prima implementazione di un pettine di frequenze che operi sotto il MHz di frequenza di ripetizione, come dimostrazione di una strategia innovativa per la generazione di armoniche per la spettroscopia fondamentale su ioni di He+.