Sviluppo di una nuova tecnica di misura della fase assoluta di un impulso di luce ultrabreve

Recent developments in ultrafast optics field allowed investigation of phenomena on extremely rapid time scales, so that it is now possible to observe atomic and molecular dynamics in real time. The efficiency of ultrafast processes, generating short pulses, is linked to the absolute phase of the pulses (carrier-envelope phase, CEP), defined as the phase of the carrier frequency with respect to the envelope. An accurate control of this quantity allows fine tuning and repeatability of induced ultrafast processes. CEP control allows to generate stable frequency combs, which can be used to carry out high resolution measurements in frequency domain. Several methods to stabilize CEP of a pulse train emitted by a laser oscillator, i.e. to make it reproducible, have been proposed. One of the most efficient devices for this purpose is the f-to-2f interferometer, which is based on the non linear processes of white light supercontinuum and second harmonic generation (SHG) to measure absolute phase fluctuations. The following thesis introduces a new possible implementation of an interferometric system, able to measure CEP with greater accuracy compared to f-to-2f technique. The main advantage is to remove, or at least reduce, the phase fluctuations arising from variations in the energy of the input pulses: for this reason we exploit, instead of SHG, a suitable process of sum frequency generation (SFG) between two components of the main pulse, polarized perpendicularly to each other. In order to test the validity of this new method, designated as f-to-Sf (where S stands for ‘sum’), several measurements have been acquired in parallel with an independent f-to-2f system, so as to compare results about reproducibility of CEP. However, the limited amount of information obtained so far prevents us from drawing quantitative conclusions about the efficiency of the new set-up. The implementation of a new system, based on the same supercontinuum, is currently in progress, to achieve a clear comparison between the two techniques.

I recenti sviluppi nel campo dell'ottica ultraveloce hanno permesso di indagare la materia su scale temporali estremamente rapide, così da poterne analizzare in tempo reale le dinamiche atomiche e molecolari. L'efficienza dei processi ultrarapidi, che generano impulsi di breve durata, è legata alla fase assoluta di ogni impulso, nota anche come CEP (carrier-envelope phase), che definisce lo sfasamento tra portante e inviluppo. Un accurato controllo di questa grandezza rende possibile la stabilità e la ripetibilità di tali processi nel dominio degli attosecondi. Il controllo della CEP consente di generare dei pettini di frequenza stabili, che permettono di effettuare misure in alta risoluzione nel dominio delle frequenze. Sono già stati proposti diversi metodi per rendere riproducibile la fase assoluta di un treno di impulsi emessi da un oscillatore laser. Uno dei dispositivi più efficienti a tal fine è noto come interferometro f-2f, tecnica che sfrutta i processi non lineari di generazione di supercontinuo e di seconda armonica per misurare la fase assoluta. Il seguente lavoro di tesi illustra una nuova implementazione di un sistema interferometrico, in grado di misurare la fase assoluta con maggior accuratezza rispetto alle tecniche già sviluppate. Il principale vantaggio consiste nel ridurre al minimo le fluttuazioni di fase derivanti dalle variazioni di energia degli impulsi laser emessi: a tal fine si è sfruttato, in luogo della generazione di seconda armonica, un opportuno processo non lineare di generazione di frequenza somma tra due componenti dell'impulso polarizzate ortogonalmente fra loro. Per testare la validità di questo nuovo metodo, designato con la sigla f-Sf (da ‘Sum’, Somma), sono state acquisite una serie di misure in parallelo con un sistema f-2f indipendente, confrontando i risultati in termini di riproducibilità della fase. Tuttavia il limitato grado di informazioni ottenute sinora impedisce al momento di trarre delle conclusioni quantitative sull'efficienza del nuovo set-up. È in corso l'implementazione di un nuovo apparato basato sullo stesso supercontinuo in grado di acquisire le misure in parallelo, al fine di effettuare un chiaro confronto tra le due tecniche.