Generazione e caratterizzazione di impulsi da pochi cicli ottici nell'ultravioletto

Over the last decades there has been an impressive development in ultrafast nonlinear optics. The introduction of new mode-locked solid-state lasers, along with the need to achieve broadband ultrashort pulses, led to the implementation and refinement of devices such as optical parametric amplifiers (OPAs). In the following work an overview of the fundamentals of nonlinear optics is presented, along with the design of a non-collinear broadband OPA for the generation of femtosecond pulses tunable across the visible range (from 525 nm to 750 nm) powered by a titanium sapphire laser (lambda=800 nm, f=1 kHz, t=150 fs). The pulses obtained had transform limited duration of 6 fs and an energy of 16.5 uJ; the gain was about 4x10^3 with fluctuations of 3%. The visible beam was then employed for the generation of ultraviolet radiation via up-conversion with the laser source. The generated pulses were tunable from 310 nm to 390 nm, with a power of 1 mW at lambda=350 nm. The generation efficiency was 2.7% with fluctuations of 3.3%. To obtain a transform limited duration of 7.4 fs, the visible beam was pre-compressed through Double-Chirped Mirrors to avoid compression of UV wavelengths, which would be more difficult to perform. Finally, a technique has been developed for the characterization of ultraviolet pulses, exploiting the depletion of the transmission of a beam passing through a particular medium (in our case, Gadolinium Gallium Garnet) due to two-photon absorption. Our setup made it possible to measure the duration of the generated pulses, as well as information on their dispersion. The development of an algorithm that retrieves the phase of the pulses will enable their full characterization.

Negli ultimi decenni si è assistito ad un incredibile sviluppo nel campo dell'ottica non lineare ultraveloce. L'introduzione dei laser a stato solido in Mode-Locking, unitamente alla necessità di realizzare impulsi ultrabrevi a banda larga, ha portato all'implementazione e al perfezionamento di dispositivi come gli amplificatori ottici parametrici Optical Parametric Amplifiers, OPAs. In questa tesi, oltre a presentare una panoramica dei fondamenti dell'ottica non lineare, viene studiata la progettazione di un OPA non collineare a banda larga per la generazione di impulsi ultrabrevi accordabili nell'intervallo spettrale del visibile (da 525 nm a 750 nm), alimentato da un laser a titanio in zaffiro (lambda=800 nm, f=1 kHz, t=150 fs). Gli impulsi ottenuti hanno una durata Transform Limited di 6 fs ed energia di 16.5 uJ; la radiazione viene prodotta con un guadagno di circa il 4x10^3 e fluttuazioni picco-picco del 3%. Il fascio visibile è poi stato impiegato nella generazione di radiazione ultravioletta via up-conversion con una frazione della sorgente laser. Gli impulsi generati sono accordabili nell'intervallo da 310 nm a 390 nm e la potenza misurata è pari a 1 mW in corrispondenza di lambda=350 nm. L'efficienza di generazione è del 2.7% con fluttuazioni picco-picco del 3.3%. Per ottenere impulsi ultravioletti con durata massima al Transform Limit teorico di 7.4 fs, si è deciso di precomprimere il fascio visibile tramite Double-Chirped Mirrors, in modo da compensare a monte la dispersione degli impulsi UV, più difficili da comprimere. Per finire, è stata sviluppata una tecnica di caratterizzazione degli impulsi ultravioletti che sfrutta la riduzione della trasmissione di un fascio quando si propaga in un particolare mezzo (nel nostro caso, Gadolinium Gallium Garnet) per assorbimento a due fotoni (TPA). L'apparato realizzato ha permesso di ricavare la durata degli impulsi ultravioletti, nonché informazioni sulla dispersione degli stessi. Lo sviluppo di un modello per ricavare la fase permetterà la completa caratterizzazione degli impulsi.