Generation of vector beams in the Extreme-Ultraviolet region

Vector beams, i.e., beams with a non-homogeneous state of polarization in space, are nowadays interesting tools employed in many areas of science and technology. The manipulation of light’s topological properties gives the opportunity for an enhanced control of light-matter interactions from a macroscopic to a quantum level. At the same time, the high-order harmonic generation (HHG) process is a formidable tool in modern physics to investigate the microscopic motion of electrons in atoms and molecules at their natural time scale (attoseconds = as = 10−18 s), thus contributing to understanding fundamental dynamics in physics, chemistry, and biology. Briefly, HHG arises from the interaction of an intense laser field with matter (often a gas or a solid). The ionization and then recombination of an electron from/to its parent atom is the key mechanism for the generation of bursts of (or more rarely single) attosecond pulses that, by interfering, lead to periodic modulations of the emitted spectrum at multiple harmonics of the incident laser field. Therefore, the HHG process allows the realization of table-top sources of coherent extreme ultraviolet (XUV) and soft-X ray radiation with temporal resolution in the attosecond regime. In this work, I attempt and succeed in combining the potential of vector beams with the HHG process, to generate XUV beams with non- homogeneous spatial polarization state. Although this has been already achieved in free space, here we want to exploit the modal content of a gas-filled hollow-core waveguide (a micro-fluidic device fabricated by femtosecond laser micro-machining) to generate the vector beams. This device has fluidic micro-structures in a fused-silica substrate that allow to achieve accurate control of the gas density inside a micrometer-sized micro-channel, thus achieving higher HHG yield than the commonly used gas nozzle and free-space propagation. In summary, in this thesis, we first review the fundamentals of the theory of vector beams and their propagation. We describe the modal content of the waveguide (micro-fluidic device) and we show how a free-space vector beam can be effectively coupled into the lowest-order TM and TE modes. We discuss how long-term drifts in the laser pointing can affect the modal content and the HHG efficiency in the device. We also present a system to stabilize it. Finally, we discuss the HHG process in gases and we demonstrate the generation of XUV vector beams in the micro-fluidic device.

I fasci vettoriali, ovvero fasci con un stato di polarizzazione non omogeneo spazialmente, sono un interessante strumento impiegato in diverse aree della scienza. La manipolazione topologica della luce e delle sue caratteristiche permette un maggior controllo sui fenomeni di interazione luce-materia su una scala che va dal macroscopico alla fisica quantistica. Un’altro fenomenale strumento nell’arsenale dell’ingegnere fisico è la generazione di armoniche di ordine elevato(HHG) con le quali è possibile investigare il moto degli elettroni a livello microscopico, ovvero con risoluzione temporale negli attosecondi (10−18 s), con tribuendo alla comprensione delle dinamiche fondamentali che regolano fisica, chimica e biologia. In breve la HHG è un fenomeno non lineare originato dall’interazione di un intensa radiazione laser con la materia (gas o solidi). La ionizazzione e successiva ricombi nazione di un elettrone con il suo parent atom è il meccanismo alla base della generazione di scariche di impulsi di attosecondi che, interferendo, portano alla realizzazione di uno spettro modulato periodicamente a differenti armoniche del campo laser incidente. In con clusione il processo di HHG permette di realizzare sorgenti table-top coerenti nell’estremo ultra violetto (XUV) e soft x-ray con una risoluzione nell’ordine degli attosecondi. In questa tesi mostro come sia possibile combinare i fasci vettoriali e il processo di HHG, generando fasci nell’estremo ultravioletto con polarizzazione non omogenea spazial mente. Mentre questo risultato è stato già raggiunto in propagazione libera del fascio, qui vogliamo sfruttare un dispositivo micro-fluidico fabbricato tramite laser micro-machining nei femtosecondi, che si comporta come una guida d’onda cava piena di gas per gener are fasci vettoriali nell’XUV. Questo dispositivo, realizzato su un substrato di silicio, è composto di micro-strutture che consentono di controllare accuratamente la densità di gas nella guida cava e quindi di ottenere una maggiore efficienza nella generazione di armoniche rispetto al metodo di generazione tradizionale nella propagazione libera. In conclusione in questa tesi presento una descrizione approfondita, teorica e sperimentale, dei fasci vettoriali e della loro propagazione. Descrivo i modi della guida cava e mostro come i modi di propagazione dei fasci vettoriali possono essere accoppiati efficientemente con gli ordini più bassi dei modi TE e TM della guida. Discuto come la deriva della puntatura laser in misure di lunga durata possa influenzare l’accopiamento fra il fascio e la guida, per prevenire questo problema un sistema di stabilizzazione è stato messo a punto. Infine discuto il processo di HHG nei gas dal punto di vista teorico e dimostro la generazione di fasci vettoriali nell’XUV sfruttando il dispositivo micro-fluidico.