http://hdl.handle.net/10366/143117 2026-04-21T21:14:27Z http://hdl.handle.net/10366/170441 [EN] In this thesis we present fundamental research at the intersection of High Harmonic Generation (HHG) and Artificial Intelligence (AI), demonstrating the potential of combining both fields to model and understand ultrafast physical phenomena. Throughout this work, the major result was to accurately and efficiently describe both the microscopic quantum dynamics and the macroscopic propagation effects of HHG within the development of an AI-based model trained with exact results from the Three-Dimensional Time-Dependent Schrödinger Equation (3D-TDSE). This approach drastically reduces computational costs (from months to hours or even minutes) while retaining the quantum-level precision, that enables us further exploration of the HHG process. This hybrid AI-3D-TDSE model is capable of predicting the atomic dipole acceleration as a function of the amplitude and phase of the driving laser field. Beyond its simplicity, once trained, the neural network effectively replaces the 3D-TDSE at every point of the generating medium. Afterwards, the HHG emissions can be propagated to the far field through the integral solution of Maxwell’s equations. The model has been successfully validated in theoretical and experimental contexts. It was first employed to simulate and analyze HHG driven by structured laser beams of vortices with different Orbital Angular Momentum (OAM), accurately reproducing the spatial intensity distributions, OAM spectra, and temporal emission profiles of synthesized attosecond pulses. Moreover, it has been used as theoretical backup of experiments generating HHG with Hermite-Gauss (HG) driving beams, where the harmonic propagation give rise to an interference pattern between the different lobes of the HHG beams formed in the near field. Subsequently, the model was extended to mixed gaseous media, revealing a regime of coherent interference between species that acts as a natural spectral filter. These results highlight the potential of the developed framework for control the HHG emission, along with the attosecond pulse characteristics. The results presented here show that integrating AI into strong-field physics not only accelerates computation but defines other paths to follow in the standard simulation methodologies. Although this model is not general, it is perfectly suited to compute macroscopic HHG driven by structured laser pulses. Looking ahead, future efforts may include extending the model to incorporate non-linear propagation of the driving beam in dense media, accounting for dispersion from both neutral atoms and free electrons, both affected by the gas pressure. In such a case, a comprehensive analysis over the required dataset must be performed, as the number of free parameters increases abruptly. Another direct extensions of the model could be the addition of the wavelength and polarization of the driving beam, giving rise to a further generalization of the methodology here developed. From another perspective, the development of AI tools in HHG and attosecond science can be use to develope diagnostic techniques to characterize the properties of the Extreme Ultraviolet (EUV) emission in experiments. Attosecond light science faces several challenges in the development of characterization techniques that can retrieve spatiotemporally the properties (polarization, intensity, and phase) of attosecond pulses. AI may open the route for in situ measurements that can rely on accurate predictions. 2025-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/170430 [EN] This thesis presents a theoretical study of strong-field light-matter interactions driven by structured light, in two different scenarios. The first part focuses on the generation and amplification of strong, locally isolated, magnetic fields through the interaction of structured light beams with matter, and the exploration of one of their potential applications. Structured light beams offer the possiblity to decouple spatially the electric and magnetic field components carried by a laser beam. We investigate the amplification of the paraxial longitudinal magnetic field component of azimuthally polarized vector beams. This magnetic field is maximum in an electric field singularity and, therefore, it is locally isolated from the surrounding electric field distribution. Our study suggests that the longitudinal magnetic field carried by an azimuthally polarized laser beam can be enhanced through the interaction with tailored metallic nanoantennas. The potential applications of these strong and ultrafast isolated magnetic fields could range from the control of the magnetization dynamics in magnetic materials to atomic and molecular spectroscopy or particle manipulation. As a potential application, we explore the use of intense isolated magnetic fields to assist the high-order harmonic generation (HHG) process. Our results demonstrate that HHG assisted by magnetic fields lead to the emission of ultra-broadband, attochirp-free HHG spectra, and consequently, to near Fourier-limited attosecond pulses. The second part of this thesis is devoted to the study of HHG driven by various types of structured light fields, and the influence of these driving fields on the spatial and temporal properties of the resulting high-photon-energy radiation. We follow a double-folded strategy: the generation of novel complex structured light fields at the attosecond scale and the enhancement of the intensity and focusing properties of attosecond HHG sources. We introduce the use of hollow Gaussian driving beams in HHG to increase the intensity of attosecond pulses. Hollow Gaussian beams allow to deliver a larger amount of energy at the target compared to standard Gaussian beam schemes, while keeping the intensity below the barrier suppression regime. Our theoretical simulations demonstrate that this configuration allows for more compact HHG setups with shorter driving laser beamlines and, combined with the enhanced refocusing properties of the harmonics, lead to the generation of attosecond pulses with up to three times more peak intensity. This intensity gain could potentially allow HHG sources to become better suited for applications where high photon fluxes are required, such as nanoimaging, metrology or spectroscopy. Preliminary experimental results performed at the group of Profs. Anne L’Huiller and Cord L. Arnold, at Lund University (Sweden), corroborate the properties of the high-order harmonics driven by hollow Gaussian beams. Subsequently, we investigate the up-conversion of near-infrared spatiotemporal optical vortices (STOVs) to the extreme-ultraviolet through HHG, with high topological charges. A comprehensive theoretical framework is developed to describe the generation and propagation dynamics of extreme-ultraviolet STOVs through HHG. Our theoretical simulations are in excellent agreement with the first experimental observations of HHG driven by STOVs, performed by the group of Profs. Margaret M. Murnane and Henry C. Kapteyn at the Univeristy of Colorado at Boulder (United States). Finally, we propose a novel scheme for the generation of extreme-ultraviolet STOVs via HHG, in which all harmonic orders are emitted in the far field with the same topological charge. This approach paves the way for the synthesis of STOVs at attosecond timescales. These attosecond pulses with non-trivial topologies, coupled in the temporal and spatial domains, could be of high interest for spatiotemporal probing ultrafast electronic dynamics in novel materials or in helical circular dichroism experiments. This thesis work involves the development and understanding of several advanced numerical methods and models, such as the implementation of highly-parallelized codes for calculating the HHG response based on the three-dimensional (3D) time dependent Schrödinger equation, the development of software for computing the strong field approximation (SFA) using graphical processing units (GPUs), or the use of state-of-the-art particle-incell codes for laser-plasma interactions. In combination with thetools already existing at the Laser Applications and Photonics group (ALF) at Universidad de Salamanca, these methods have enabled the simulation of extreme scenarios for the strong-field interaction of structured laser light with matter.; [ES] Esta tesis presenta un estudio teórico de las interacciones luzmateria de campos intesos mediante luz estructurada, en dos escenarios diferentes. La primera parte se centra en la generación y amplificación de campos magnéticos intensos y localmente aislados a través de la interacción de haces de luz estructurada con la materia, así como en la exploración de una de sus posibles aplicaciones. Los haces de luz estructurada ofrecen la posibilidad de desacoplar espacialmente las componentes eléctrica y magnética de un haz láser. Investigamos la amplificación de la componente magnetica longitudinal, en régimen paraxial, en haces vectoriales con polarización azimutal. Esta componente del campo magnético alcanza su valor máximo en una singularidad del campo eléctrico y, por lo tanto, queda localmente aislado de la distribución eléctrica circundante. Nuestro estudio sugiere que el campo magnético longitudinal, transportado por un haz láser azimutalmente polarizado, puede ser amplificado mediante la interacción con nanoantenas metálicas diseñadas a medida. Las posibles aplicaciones de estos campos magnéticos intensos y ultrarrápidos podrían abarcar desde el control de la dinámica de magnetización en materiales magnéticos, hasta la espectroscopía atómica y molecular o la manipulación de partículas. Como una potencial aplicación, exploramos el uso de campos magnéticos intensos y aislados para asistir el proceso de generación de armónicos de orden elevado (HHG, por sus siglas en inglés). Nuestros resultados demuestran que el proceso HHG asistido por campos magnéticos intensos, resulta en la emisión de espectros de armónicos de orden elevado extensos sin attochirp y, en consecuencia, a la producción de pulsos de attosegundos cercanos al límite de Fourier. La segunda parte de esta tesis está dedicada al estudio del proceso HHG usando diversos tipos de campos de luz estructurada, y a la influencia de dichos campos sobre las propiedades espaciales y temporales de la radiación de alta energía resultante. Seguimos una estrategia doble: la generación de nuevos campos de luz estructurada complejos en la escala de attosegundo y la optimización de la intensidad y propiedades de focalización de las fuentes de pulsos de attosegundo. En primer lugar, introducimos el uso de hollow-Gaussian beams como haz incidente en el proceso HHG para incrementar la intensidad de los pulsos de attosegundo. Estos haces permiten entregar una mayor cantidad de energía al blanco en comparación con los esquemas gaussianos tradicionales, manteniendo la intensidad por debajo del régimen de supresión de barrera. Nuestras simulaciones teóricas demuestran que esta configuración permite sistemas HHG más compactos y que, combinados con las propiedades de refocalización de los armónicos generados, resultan en pulsos de attosegundo hasta tres veces más intensos. Esta ganancia de intensidad podría permitir que las fuentes HHG se adapten mejor a aplicaciones que requieren flujos altos de fotones, como nanoimagen, metrología o espectroscopía. Los resultados experimentales preliminares realizados en el grupo de los Profs. Anne L’Huiller y Cord L. Arnold, en la Universidad de Lund (Suecia), corroboran las propiedades de los armónicos de orden elevado generados mediante hollow-Gaussian beams. Posteriormente, investigamos la conversión de vórtices espaciotemporales ópticos (STOVs, por sus siglas en inglés) desde el infrarrojo cercano al ultravioleta extremo a través del proceso HHG, con carga topológica alta. Desarrollamos un marco teórico para describir la dinámica de generación y propagación de STOVs en el ultravioleta extremo mediante HHG. Nuestras simulaciones teóricas concuerdan de manera excelente con las primeras observaciones experimentales de HHG generados mediante STOVs, realizadass por el grupo de los Profs. Margaret M. Murnane y Henry C. Kapteyn de la Universidad de Colorado en Boulder (Estados Unidos). Finalmente, proponemos un esquema para la generación de STOVs en el ultravioleta extremo mediante HHG en el que todos los armónicos se emiten en el campo lejano con la misma carga topológica. Esta configuración permite la síntesis de STOVs en escalas de attosegundo. Estos pulsos de attosegundo con topologías no triviales, acopladas en los dominios espacial y temporal, podrían resultar de gran interés para el estudio de dinámicas electrónicas ultrarrápidas en nuevos materiales o en experimentos de dicroísmo circular helicoidal. Esta tesis implica la comprensión y el desarrollo de diversos métodos y modelos numéricos avanzados, tales como la implementación de códigos altamente paralelizados para calcular la respuesta HHG basados en la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo en tres dimensiones, el desarrollo de software basado en unidades de procesamiento gráfico (GPU, por sus siglas en inglés) para el cálculo de la aproximación de campo fuerte (SFA, por sus siglas en inglés), o el uso de códigos de última generación de particle-in-cell para simulaciones de interacción láser-plasma. En combinación con las herramientas existentes en el grupo de Aplicaciones de Láser y Fotónica (ALF) de la Universidad de Salamanca, estos métodos han permitido la simulación de escenarios extremos para la interacción de luz láser estructurada, en el régimen de campo intensos, con la materia. 2025-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/170193 [EN] This doctoral dissertation investigates the nonlinear post-compression of ultrashort laser pulses in multipass cells (MPCs), addressing a key challenge in ultrafast laser science: the generation of clean, few-cycle pulses from high-power Yb-based laser systems. As these lasers increasingly replace Ti:Sapphire systems in high-repetition-rate applications, efficient post-compression techniques become essential. A comprehensive numerical and theoretical framework was developed to simulate nonlinear propagation in MPCs, fully resolving the spatio-temporal and spatio-spectral dynamics (3+1)D, including diffraction, dispersion, and nonlinear effects. The framework enables systematic exploration and optimization of MPC performance under realistic experimental conditions. Through this approach, the thesis identifies the Enhanced Frequency Chirp Regime (EFCR) as an optimal operating regime for achieving broad spectra with high pulse cleanness in MPCs. The study extends to both gas-filled and bulk-filled MPCs, analyzing the influence of input chirp, mirror dispersion, and pulse distortions, confirming the intrinsic robustness of the MPC process. A grism-based compressor is designed and optimized using a particle-swarm algorithm to compensate complex spectral phases, yielding near-transform-limited pulses with excellent temporal cleanness. Altogether, the work provides a high-fidelity modeling tool and design strategy for next-generation ultrafast laser systems. Its insights and methods contribute directly to advancing stable, high-quality few-cycle pulse generation in Yb-based platforms and reducing experimental trial-and-error in post-compression design. 2025-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/169591 [ES] Esta tesis se centra principalmente en la generación, detección, caracterización y aplicación eficientes de pulsos láser ultracortos en el procesamiento de diversos materiales para aplicaciones biológicas y médicas. Para ello, se empleó un oscilador láser de Ti:Zafiro amplificado mediante un sistema de amplificación de pulsos, logrando duraciones de pulso cortas en el rango de femtosegundos, con una frecuencia de repetición de 5 kHz y una energía de hasta 1,6 mJ por pulso. Estos pulsos se sintonizan espectralmente mediante un amplificador paramétrico. La longitud de onda del pulso se modula mediante procesos no lineales, lo que permite sintonizarlo en un rango de 240 a 2400 nm. Este mecanismo permite que el láser de Ti:Zafiro sirva como fuente de pulsos ópticos ultracortos. Instrumentos como FROG o SPIDER se utilizan habitualmente para identificar pulsos ultracortos. Estos pulsos se caracterizan por su duración extremadamente corta, lo que permite la monitorización de procesos físicos, químicos y biológicos ultrarrápidos. Además, presentan un amplio ancho de banda espectral, alta intensidad y energía de pico debido a su concentración en un período de tiempo reducido. Se han caracterizado y optimizado numerosos parámetros experimentales, como el tamaño y la potencia del haz láser, la geometría de enfoque, el tiempo de tratamiento, las fibras ópticas utilizadas, entre otros, para lograr los objetivos deseados. Recientemente, las técnicas ópticas se han aplicado ampliamente en el diagnóstico, pronóstico y tratamiento médicos. Diversas técnicas de imagen óptica y espectroscopía han alcanzado un éxito significativo en la investigación médica y biológica. La fluorescencia con resolución temporal es una de estas técnicas y constituye una herramienta poderosa para el estudio de tejidos y células. El primer capítulo de esta tesis describe la fluorescencia con resolución temporal de dos muestras diferentes, BODIPY y DEXTRAN-TR, tras la excitación con un haz láser ultrarrápido. Optimizamos la configuración experimental para las mediciones de fluorescencia de los fluoróforos BODIPY y DEXTRAN-TR y diseñamos un programa MATLAB que permite la reconstrucción de la función de fluorescencia real. Este enfoque busca que esta técnica sea compatible con diversas aplicaciones biomédicas. Este trabajo tiene como objetivo investigar, desarrollar y validar la aplicación de la fluorescencia con resolución temporal en vasos sanguíneos, diagnóstico de tejidos médicos y cirugía oncológica. La configuración experimental se optimizó para maximizar la fluorescencia y determinar la resolución espectral. La fibra óptica fue uno de los componentes más importantes responsables de esto. El núcleo de la fibra actúa como una rendija de entrada y, por lo tanto, su tamaño afecta la precisión del dispositivo. Cuanto más estrecha y pequeña sea la abertura del núcleo, menor será la cantidad de fluorescencia capturada y mayor la resolución espectral. Por el contrario, cuanto más grande sea el núcleo de la fibra, mayor será la cantidad de luz capturada, que es el resultado deseado, obteniendo una señal de fluorescencia de mayor intensidad y logrando una mejor relación señal-detector. Para este propósito, se utilizaron fibras con un tamaño de rendija de 10 micrómetros y una resolución de entre 0,4 y 0,8 nanómetros. También se presentaron métodos de análisis, filtrado y procesamiento de datos para eliminar el ruido significativo y mostrar los tiempos de vida de la fluorescencia de las dos muestras. Las aplicaciones más importantes de esta tecnología se demostraron en la terapia fotodinámica basada en BODIPY, las sondas BODIPY para membranas lipídicas y los sensores de pH fluorescentes basados en BODIPY para membranas lipídicas. También se destacó la importancia del colorante DEXTRAN-TR en la adhesión celular, la diferenciación y el mantenimiento tisular, y el reconocimiento y la clasificación celular, además de medir la permeabilidad vascular y evaluar el equilibrio iónico. Esta técnica revela las propiedades únicas de los fluoróforos estudiados midiendo la intensidad de fluorescencia en función de la longitud de onda de la luz, midiendo así la fluorescencia transitoria resuelta en el tiempo a longitudes de onda específicas, caracterizando posteriormente estos fluoróforos y extrayendo sus propiedades más importantes. El segundo capítulo de esta tesis presenta un método flexible, preciso y reproducible para la fabricación de membranas porosas de PDMS mediante ablación láser de pulsos ultracortos, propuesto como una alternativa a las técnicas convencionales. Se microtaladraron de forma sistemática membranas de PDMS con espesores de 25, 50 y 100 microm para investigar la influencia de los principales parámetros del láser - energía por pulso y tiempo de apertura del obturador - sobre las dimensiones, geometría y calidad de los orificios consecuentes. Los resultados indican que la energía del pulso es el factor dominante que afecta a las dimensiones de los agujeros, mientras que los tiempos de apertura por encima de 1000 ms y el espesor de la membrana cuentan con un rol secundario. Se ha apreciado como una mayor energía total aportada incrementa el ángulo de conicidad de los orificios, y que la extensión de la zona afectada térmicamente está directamente relacionada con el diámetro del haz láser y el espesor de la membrana. Se desarrolló un modelo numérico para simular el proceso de ablación, incorporando el efecto de apantallamiento por plasma, y mostrando que la eliminación de material depende fuertemente de la energía del pulso. A partir de los datos experimentales, se formuló un modelo empírico para estimar la energía por pulso óptima para fabricar membranas con orificios de 10 microm de diámetro y una separacion de 40 microm. Las predicciones del modelo mostraron buena concordancia con las mediciones experimentales en cuanto al diámetro de salida de los orificios, mientras que se observaron mayores desviaciones en el diámetro de entrada. Finalmente, para validar la viabilidad biológica de las membranas producidas, se cultivaron células madre mesenquimales derivadas de tejido adiposo humano sobre las láminas de PDMS procesadas con láser y se integraron en dispositivos órgano-en-chip (Organ-on-chip, OoC). Las células mostraron una fuerte adhesión y una alta actividad metabólica, lo que confirma la idoneidad de este método de fabricación basado en láser para la manufactura de membranas de PDMS en sistemas OoC.; [EN] This thesis focuses primarily on the efficient generation, detection, characterization, and application of ultrashort laser pulses in the processing of various materials for biological and medical applications. For this purpose, a Ti:Sapphire laser oscillator amplified using a pulse amplification system was used, achieving short pulse durations in the femtosecond range with a repetition rate of 5 kHz and energy up to 1.6 mJ per pulse. These pulses are spectrally tuned using a parametric amplifier. The pulse wavelength is modulated through nonlinear processes, allowing it to be tuned within a range of 240 to 2400 nm. This mechanism enables the Ti:Sapphire laser to serve as a source of ultrashort optical pulses. Instruments such as FROG or SPIDER are typically used to characterize ultrashort pulses. These pulses are characterized by their extremely short duration, which allows for the monitoring of ultrafast physical, chemical, and biological processes. They also have a wide spectral bandwidth, high intensity, and high peak energy due to the energy being concentrated within a narrow time period. Many experimental parameters such as laser beam size and power, focusing geometry, treatment time, optical fibers used, and others have been characterized and optimized to achieve the desired goals. Recently, optical techniques have been widely applied in medical diagnosis, prognosis, and treatment. Several optical imaging and spectroscopy techniques have achieved significant success in medical and biological research. Time-resolved fluorescence is one of these techniques, and it is a powerful tool for studying tissues and cells. The first chapter of this thesis describes time-resolved fluorescence of two different samples, BODIPY and DEXTRAN-TR, after excitation with an ultrafast laser beam. We optimized the experimental setup for fluorescence measurements of both BODIPY and DEXTRAN-TR fluorophores and designed a MATLAB program that allows reconstruction of the real fluorescence function. This approach aims to make this technique compatible with various biomedical applications. This work aims to research, develop, and validate the application of time-resolved fluorescence within blood vessels, medical tissue diagnosis, and cancer surgery. The experimental setup was optimized to maximize fluorescence and determine the spectral resolution. The optical fiber was one of the most important components responsible for this. The fiber core acts as an input slit, and therefore its size affects the accuracy of the device. The narrower and smaller the opening of the core, the smaller the amount of fluorescence captured and the greater the spectral resolution. Conversely, the larger the fiber core, the greater the amount of light captured, which is the desired result, obtaining a higher-intensity fluorescence signal and achieving a better signal-to-detector ratio. For this purpose, fibers with a slit size of 10 micrometers and a resolution ranging from 0.4 to 0.8 nanometers were used. Data analysis, filtering, and processing methods were also presented to eliminate significant noise and display the fluorescence lifetimes of the two samples. The most important applications of this technology were demonstrated in BODIPY-based photodynamic therapy, BODIPY probes for lipid membranes, and fluorescent pH sensors based on BODIPY for lipid membranes. The importance of DEXTRAN-TR dye in cell adhesion, tissue differentiation and maintenance, and cell recognition and sorting were also highlighted, in addition to measuring vascular permeability and assessing ionic balance. This technique reveals the unique properties of the studied fluorophores by measuring the fluorescence intensity as a function of light wavelength, thus measuring the time-resolved transient fluorescence at specific wavelengths and then characterizing these fluorophores and extracting their most important properties. The second chapter of this thesis presents a flexible, precise and reproducible method for fabricating porous polydimethylsiloxane (PDMS) membranes using ultrashort pulse laser ablation, proposed as an alternative to conventional techniques. PDMS membranes with thicknesses of 25, 50 and 100 microm were systematically microdrilled to investigate the influence of key laser parameters - pulse energy and shutter time - on the dimensions, geometry and quality of the resulting holes. Results indicate that pulse energy is the dominant factor affecting pore dimensions, while shutter time above 1000 ms and thicknessplay a secondary role. Higher total energy increases the taper angle of the pores and the extent of the heat-affected zone is directly related to both the laser beam diameter and membrane thickness. A numerical model was developed to simulate the ablation process, incorporating plasma shielding and showing that material removal is strongly pulse energy-dependent. Based on experimental data, an empirical model was also developed to estimate the optimal pulse energy required to fabricate membranes with 10 microm hole diameters and 40 microm spacing. The model predictions showed good agreement with experimental measurements for the exit hole diameters, while larger deviations were observed for entry diameters. Finally, to validate the biological viability of the manufactured membranes, human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells were cultured on the laser-processed PDMS films integrated into Organ-on-Chip (OoC) devices. The cells exhibited strong cell adhesion and high metabolic activity, confirming the suitability of this laser-based fabrication method for the development of PDMS membranes in OoC systems. 2025-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/167168 [EN] Nanofabrication plays a crucial role in nearly every scientific field, and its importance in technology cannot be overstated. Among the various methods available, electron beam lithography (EBL) stands out as one of the most widely used techniques for creating high-resolution and high-density structures. However, the resolution, density, and aspect ratio of the resulting nanostructures are often constrained by the lithography process itself and the challenges of transferring the pattern to the underlying substrate. Additionally, an innovative method called ICP RIE etching is intended to provide fast etch rates, great selectivity, and minimal processing damage. The plasma may be kept at low pressures, which also results in excellent profile control. The Nanotechnology group at the University of Salamanca has a long experience with EBL and ICP/RIE in the fabrication of structures on thin substrates. However, it has been a longstanding challenge to determine the optimal patterning conditions for the Fresnel zone plate, a circular diffraction-grating focusing element consisting of zones with decreasing widths for increasing radii. This thesis starts with a theoretical background, which is divided into two sections. The first section provides a detailed presentation of the Fresnel lens, covering both theoretical information and its applications. The second part is an introduction to twodimensional (2D) Van der Waals materials, covering their fabrication methods and give a short report on transition metal dichalcogenides (TMDs). Moreover, an additional chapter entitled Methodology presents the instruments used in this thesis for fabrication and analysis. This includes a comprehensive description of their operation principles, definitions, and different applications. The tools covered include scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), Kelvin probe force microscopy (KPFM), profilometry, inductively coupled plasma/reactive ion etching (ICP/RIE), Raman spectroscopy, and others. In the first part of this thesis’s results, we demonstrate a novel approach combining electron beam lithography (EBL) and cryoetching to produce silicon-based FZP prototypes as a test bench to assess the strong points and limitations of this fabrication method. Through this method, we obtained FZPs with 100 zones, a diameter of 20 μm, and an outermost zone width of 50 nm, resulting in a high aspect ratio that is suitable for use across a range of photon energies. The process incorporates a chromium mask in the EBL stage, enhancing microstructure precision and mitigating pattern collapse challenges. This minimized issues of under- and over-etching, producing well-defined patterns with a nanometer-scale resolution and low roughness. The refined process thus holds promise for achieving improved optical resolution and efficiency in FZPs, making it viable for the fabrication of high-performance, nanometer-scale devices. In the second part, this thesis explores the structural, chemical, and electronic characterization of two transition metal dichalcogenides (TMDs). In the case of MoSeTe, grown by vapor deposition, we performed thorough analyses via Raman spectroscopy, profilometry, and scanning electron microscopy (SEM) before and after a successful exfoliation and transfer onto SiO2 substrates. For ReS2, known for its 1T’ crystal structure and remarkably low interlayer coupling, we exfoliated and transferred flakes of varying thicknesses and stacking configurations (AA or AB) onto different substrates. Raman spectroscopy confirmed the number of layers and stacking modes by analyzing frequency shifts of characteristic vibration peaks. Atomic force microscopy (AFM) validated thicknesses and corroborated the Raman findings. Kelvin probe force microscopy (KPFM) studies revealed distinct, domain-like electrostatic contrasts unrelated to topography or thickness alone, suggesting that sliding ferroelectricity, strain, or domain boundary effects can induce pronounced surface-potential modulations. Temperature dependent measurements indicated that thermally activated processes can irreversibly modify these domains. Correlative ultraviolet photoemission electron microscopy (UVPEEM) further supported the presence of domain-dependent work-function variations in ReS2, emphasizing its inherent electronic inhomogeneity. [ES] La nanofabricación desempeña un papel fundamental en casi todos los campos científicos y su importancia para la tecnología no puede subestimarse. Entre los distintos métodos disponibles, la litografía con haz de electrones (EBL, por sus siglas en inglés) destaca como una de las técnicas más utilizadas para crear estructuras con alta resolución y alta densidad. Sin embargo, la resolución, la densidad y la relación de aspecto de las nanofabricaciones resultantes a menudo se ven limitadas por el propio proceso de litografía y por las dificultades inherentes a la transferencia del patrón al sustrato subyacente. Además, existe un método innovador llamado grabado ICP/RIE, diseñado para ofrecer altas velocidades de grabado, gran selectividad y daños mínimos en el proceso. El uso de presiones bajas en el plasma también proporciona un excelente control del perfil. El grupo de Nanotecnología de la Universidad de Salamanca cuenta con una larga trayectoria en el uso de EBL e ICP/RIE para la fabricación de estructuras en sustratos delgados. Sin embargo, aún constituye un desafío duradero determinar las condiciones óptimas de patrón para la placa de zonas de Fresnel, un elemento de difracción circular con zonas de anchura decreciente a medida que aumenta el radio, y que se emplea como dispositivo de enfoque. Esta tesis comienza con un contexto teórico dividido en dos secciones. En la primera sección se presenta en detalle la lente de Fresnel, abarcando la información teórica y sus aplicaciones. En la segunda parte se introducen los materiales bidimensionales (2D) de van der Waals, explicando sus métodos de fabricación y ofreciendo un breve panorama de los dicalcogenuros de metales de transición (TMDs). Asimismo, se incluye un capítulo adicional, titulado “Metodología”, donde se describen los instrumentos utilizados en esta tesis para la fabricación y el análisis. Aquí se ofrece una descripción completa de sus principios de funcionamiento, definiciones y diversas aplicaciones. Entre las herramientas mencionadas se encuentran la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía de fuerza atómica (AFM), la microscopía de fuerza Kelvin (KPFM), la perfilometría, el grabado con plasma acoplado inductivamente y grabado por iones reactivos (ICP/RIE), la espectroscopía Raman, entre otras. En la primera parte de los resultados de esta tesis, se presenta una aproximación novedosa que combina la litografía con haz de electrones (EBL) y el grabado a bajas temperaturas (cryoetching) para producir prototipos de placas de zonas de Fresnel (FZP) de silicio, concebidos como banco de pruebas a fin de evaluar las ventajas y los límites de este método de fabricación. Mediante este método, se obtuvieron FZP con 100 zonas, un diámetro de 20 µm y una zona más externa de 50 nm de anchura, lo que da lugar a una alta relación de aspecto adecuada para un amplio rango de energías de fotones. El proceso incorpora una máscara de cromo en la etapa de EBL, lo que mejora la precisión de la microestructura y mitiga problemas de colapso de patrones. Esto reduce los inconvenientes de subgrabado y sobregrabado, generando patrones bien definidos con resolución a escala nanométrica y baja rugosidad. El proceso refinado muestra un gran potencial para lograr mejoras en la resolución y la eficiencia óptica de las FZP, haciendo factible la fabricación de dispositivos de alto rendimiento a escala nanométrica. En la segunda parte, esta tesis profundiza en la caracterización estructural, química y electrónica de dos dicalcogenuros de metales de transición (TMDs). En el caso de MoSeTe, obtenido mediante deposición en fase de vapor, se llevaron a cabo análisis exhaustivos de espectroscopía Raman, perfilometría y microscopía electrónica de barrido (SEM) antes y después de una exfoliación y transferencia exitosas sobre sustratos de SiO2. Por otro lado, en el caso de ReS2 —caracterizado por su estructura cristalina 1T’ y por la notablemente débil interacción entre capas— se exfoliaron y transfirieron láminas de espesores y configuraciones de apilamiento variables (AA o AB) sobre diferentes sustratos. A través de espectroscopía Raman se confirmó el número de capas y los modos de apilamiento, analizando los desplazamientos de frecuencia de los picos de vibración característicos. La microscopía de fuerza atómica (AFM) validó los espesores y corroboró los hallazgos de Raman. Estudios de microscopía de fuerza Kelvin (KPFM)revelaron diferencias electrostáticas en forma de dominios que no están vinculadas ni a la topografía ni al espesor, lo que sugiere que la ferroelectricidad por deslizamiento, la deformación o los límites de dominio pueden generar modulaciones pronunciadas en el potencial de superficie. Experimentos con dependencia de temperatura mostraron que dichos dominios pueden modificarse de forma irreversible mediante procesos activados térmicamente. Observaciones complementarias mediante microscopía de fotoemisión ultravioleta (UVPEEM) apoyaron la existencia de variaciones dependientes de dominios en la función de trabajo de ReS2, subrayando así su naturaleza electrónicamente heterogénea. 2025-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/163726 [ES]Los muros de estructura de acero ligero (LSF) se utilizan principalmente para aplicaciones que no soportan carga, hechos con montantes y rieles que requieren protección contra incendios, normalmente lograda por placas de yeso simples, por capas de protección compuestas o por aislamiento de la cámara. Los muros divisorios están clasificados para resistir al fuego por integridad y aislamiento. La cámara vacía en este tipo de muros podría ser un peligro de incendio si no se aborda adecuadamente, motivo por el cual se desarrolló un estudio experimental y numérico sobre el comportamiento del fuego de diferentes ensambles LSF con una cámara vacía. También se estudió numérica y experimentalmente una configuración diferente de muros LSF con una cámara aislada aplicando varios materiales con el objetivo de evaluar la resistencia al fuego en términos de requisitos de aislamiento. Los ensayos de fuego se llevaron a cabo sometiendo muestras de pared a pequeña escala a la curva de fuego estándar ISO 834 con el objetivo principal de evaluar la influencia de las capas de protección y la influencia de los materiales de aislamiento de la cavidad. Estos ensayos se validaron utilizando modelos numéricos bidimensionales y tridimensionales basados en el método de elementos finitos, el método de volumen finito y el método híbrido de elementos finitos para las simulaciones 2D utilizando ANSYS fulent y Multiphysics, mientras que para las simulaciones de ensayos 3D se aplicó un método de elementos finitos y un método híbrido de elementos finitos para la validación en ANSYS Multiphysics. En esta investigación se desarrolló un estudio paramétrico. El análisis se basa en dos modelos numéricos diferentes, previamente validados con experimentos. Estos modelos permiten comparar el desempeño de la cavidad y el material de aislamiento. Se presenta un conjunto de análisis paramétricos; [EN]The light steel frame (LSF) walls are mostly used for non-load bearing applications, made with studs and tracks that require fire protection, usually achieved by single plasterboard, by composite protection layers or by insulation of the cavity. The partition walls are fire rated to resist integrity and insulation. The void cavity in this type of wall could be a fire hazard if it is not addressed correctly, explaining the reason for developing an experimental and numerical study about the fire behaviour of different LSF assemblies with an empty cavity. Different LSF wall configurations were numerically and experimentally studied to assess the fire resistance regarding insulation requirements. The fire tests were conducted by subjecting reduced-scale wall specimens to the ISO 834 standard fire curve, with the primary objective of evaluating the influence of the protection layers and the influence of the cavity insulation materials. These tests were validated using two and three-dimensional numerical models based on the finite-element, the finite-volume method and hybrid finite-element method for the 2D simulations, using ANSYS fluent and ANSYS Multiphysics. In contrast, for the 3D tests simulations a finite-element and hybrid finite-element method were applied for the validation in ANSYS Multiphysics. A parametric study was developed in this investigation. The analysis is based on two different numerical models that were previously validated with experiments. These models allow to compare the erformance of the cavity performance and insulation material. A set of parametric analyses is presented 2024-12-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/160402 [EN] Efficient modulation, manipulation and propagation of spin wave excitations in ordered materials at the nanoscale are fundamental requisites for the potential utilization of spin waves as information carriers in magnonics applications. The control of spin waves can be achieved through various methods, including electrical fields, strain, or magnetic fields, thereby opening up the possibility of realizing allmagnon spintronic devices. However, the large size of control terminals and high power consumption in these devices pose challenges for practical applications. In response to the modern need to minimize energy consumption for computational and data storage intensifies, alternative strategies to control spin wave dynamics are being actively pursued. Magnetic textures such as domain walls (DW), vortex, and skyrmion is being considered as potential alternatives in magnonics due to their capacity to generate and manipulate magnons at the nanoscale. Among these, domain walls (DW) have recently attracted substantial attention. Research has indicated that DW can be utilized to manipulate the phase and magnitude of coherent spin waves in a nonvolatile manner, underscoring their potential in controlling spin waves. Moreover, it has been demonstrated that spin waves, in turn, can alter the positions of magnetic domain walls through the spin-transfer torque effect generated from magnon spin current. Notwithstanding these advancements, the mutual interaction between domain walls and spin waves remains a subject of fundamental research. This thesis aims to explore novel phenomena based on domain walls in controlling spin wave propagation and generation of spin wave radiation in antiferromagnetic order using synthetic antiferromagnets through simulations and analytical results. First, using micromagnetic simulations we investigate a method to control spin waves propagation in synthetic antiferromagnets. We demonstrate that an external magnetic field can manipulate the interaction between domain walls and linearly polarized propagating spin waves in synthetic antiferromagnets. We find two regimes with a sharp transition between them. At large fields spin waves are strongly reflected by the domain wall and, consequently, the latter is propelled forward. At low fields, however, there is no reflection and yet the domain wall undergoes a small forward displacement, which is attributed to the change in linear momentum of the magnons as they pass through the domain wall and to the imbalance in the population of the two oscillation modes present in the linearly polarized excitation. In particular, we demonstrate that the transition between the two regimes occurs at the field value for which the excitation frequency coincides with that of the righthanded oscillation mode. In the second part, we focus on the response of a magnetic domain wall to an external magnetic field in a perpendicularly magnetized synthetic antiferromagnet using both micromagnetic simulations and a reduced model. We found that the external field induces a sizable displacement between the position of the domain wall in each layer, which can be larger than the domain wall width for a sufficiently strong field. We also study the dynamic evolution of the system when this field is applied or removed. In both cases we find a complex response with two distinct phases that involve both internal domain wall rotation and coupled interlayer domain wall oscillations. As a result of this dynamics spin waves are radiated. The emitted radiation is characterized by a broadband spectrum and can be detected far away from the domain wall. 2024-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/159679 [EN] High harmonic generation (HHG) stands nowadays as a well-established tool to produce highfrequency coherent radiation in the form of attosecond pulses. On the one hand, given the short period and wavelength of the radiated fields, it can be employed to probe matter at the microscopic scale. On the other hand, the emitted pulses themselves contain signatures of the electronic dynamics in the target, allowing for the so-called high-harmonic spectroscopy. HHG is often driven in gaseous targets, where this process has been thoroughly explored. In particular, in the last decade there has been a great interest in developing interaction schemes to tailor properties, such as the orbital angular momentum or the polarization, of the emitted harmonics. HHG can also be driven in solid and liquid targets, although these research areas have began to gain importance only very recently. Remarkably, considering crystalline solids as targets opens the door to exploring the signatures in the harmonic spectrum of the crystal symmetries and its interplay with the driving field’s symmetries. In this thesis work, we focus on the effects of the crystal symmetries in HHG from graphene. We explore two different interaction geometries, characterized by the incidence angle of the driver: grazing incidence and normal incidence. We demonstrate that, in the first scenario, the translation symmetry of the crystal plays a fundamental role, leading to a temporal matter Talbot effect in the electronic wavefunction, which can traced in the harmonic spectrum. We also show that HHG in this scenario is analogous to a Talbot-Lau interferometer in the subnanometer and sub-femtosecond spatial and temporal scales. On the other hand, in the case of normal incidence, we analyze the anisotropic response arising from the rotational symmetry of graphene and how it is affected by dephasing. We also explore the up-conversion of structured beams through high harmonic generation from graphene. In particular, we demonstrate that, in the case of linearly polarized vector beam drivers, the rotational symmetry of the crystal plays a fundamental role in the spatial structure of the harmonic field. Therefore, we propose topological spectroscopy, driven by linearly-polarized vector beams, as a tool to retrieve the nonlinear response of any anisotropic solid based on the topological structure of the harmonic far field. Finally, to illustrate the sensitivity of the topological features of the harmonic far field to changes in the crystal symmetry, we investigate HHG driven by linearly-polarized vector beams in strained graphene. 2024-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/159583 [EN] This work focuses on the electronic and optoelectronic response of nanodevices based on 2D materials. After an introduction of the nanotechnology clean room facilities, the different processes for the fabrication of high-quality van der Waals heterostructures are described in detail, starting with the micromechanical exfoliation of each material. Next, the steps followed in the fabrication of devices with different geometries are presented. By controlling the relative angle between different layers of a h-BN encapsulated graphene heterostructure, its band structure can be modified, enabling the generation of intense orbital magnetic moments. Here, we report how these orbital magnetic moments can be measured through non-local chiral currents, with the application of small magnetic fields. Moreover, thanks to the fabrication of extraordinarily clean devices with exotic geometries favouring the collective behaviour of carriers, we have been able to go into the hydrodynamic regime and measure enhanced superballistic conduction. Here we present an unreported intermittent superballistic effect against low external magnetic fields which sheds light on the ballistichydrodynamic transition. The final part of the study focuses on the excitonic states of different TMDs using low-temperature photocurrent spectroscopy. The optimization of the fabrication methods for heterostructures and nanodevices with these materials has been crucial for this investigation. This, combined with the novel measurement setup, achieves a spectral resolution not possible with other non-radiative techniques. [ES] Este trabajo se enfoca en el comportamiento electrónico y optoelectrónico de nanodispositivos basados en materiales 2D. Tras la introducción de los equipos de la sala blanca de nanotecnología, se describen en detalle los diferentes procesos de fabricación de heteroestructuras van der Waals de alta calidad, comenzando con la exfoliación micromecánica de cada material. A continuación, se presentan los pasos seguidos en la fabricación de dispositivos con diferentes geometrías. Al controlar el ángulo relativo entre diferentes capas de una heteroestructura de grafeno encapsulado en h-BN, se puede modificar la estructura de bandas del grafeno, permitiendo la generación de intensos momentos magnéticos orbitales. Aquí, presentamos cómo estos momentos magnéticos orbitales pueden controlarse mediante corrientes quirales no locales, con la aplicación de pequeños campos magnéticos. Por otro lado, la fabricación y caracterización de dispositivos con geometrías exóticas, que favorecen el comportamiento colectivo de los electrones, ha permitido entrar en el régimen hidrodinámico y medir una aumentada conducción superbalística, presentando un efecto intermitente no observado previamente bajo la influencia de un campo magnético. La parte final del estudio se centra en los estados excitónicos de diferentes TMDs utilizando espectroscopía de fotocorriente a baja temperatura. La optimización de los métodos de fabricación para heteroestructuras y nanodispositivos basados en estos materiales ha sido crucial para esta investigación. Esto, combinado con el novedoso setup de medición, logra una resolución espectral no posible con otras técnicas no radiativas. 2024-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/159291 [EN] This thesis falls within the broad research field of 2D van der waals materials. The isolation of single-layer graphene and the subsequent discovery of several of these materials has led to the emergence of a new platform to study different physical phenomena, pushing the limits in condensed matter physics. In this thesis I present two research lines, both within this field. The first part focuses in the study of the quantum hall effect at high temperature in graphene encapsulated with h-BN. Prior to the isolation of graphene, the quantum Hall effect in 2D systems was typically observed only at low temperatures. However, the irruption of graphene allows for investigating the quantum Hall effect up to room temperature due to its large Landau level separation. In this study, through the analysis of thermallyactivated transport at filling factor 2 up to room temperature in high quality graphene devices, we reveal a new transport regime where electron-phonon scattering is the main source of dissipation in the quantum hall phase. Furthermore, we establish a link between the activation of the quantum hall effect and the quality of our devices. Thanks to van der waals heterostructures of hBN and graphene we give a further notion of the quantum hall effect, even 40 years after its discovery. The second part centers on the study of excitons in transition metal dicalchogenides (TMDs) using low temperature photocurrent spectroscopy. 2D transition metal dichalcogenides shows strongly bound excitons that largely influences its optoelectronic response. The binding energy of excitons in these materials reaches values of two orders of magnitude larger than conventional semiconductors. Therefore, 2D-TMDs are a perfect system to study excitons. Before this dissertation the main part of the research of excitonic phenomena are commonly explored using photoluminescence spectroscopy, nevertheless, this technique may not reveal non-radiative excitons. Hence, we propose the use of low temperature photocurrent spectroscopy to study excitonic physics in 2D-TMDs based devices, concretely MoS2, MoSe2 and ReS2. Photocurrent spectroscopy is a powerful technique that allows us to obtain transition linewidths of roughly 10 meV, similar to previous photoluminescence studies. Furthermore, using this technique we reveal excitonic peaks not reported in previous literature, demonstrating the potential of this technique. With our investigation we provide new insights on the excitonic physics of 2D-TMDs and we provide an experimental tool with huge possibilites in the future. Finally, I present future research topics that can be devoloped using low-temperature photocurrent spectroscopy. [ES] Esta tesis incluye el trabajo experimental realizado en dos líneas de investigación distintas, el efecto Hall cuántico medido a alta temperatura en grafeno y el estudio de espectroscopía de fotocorriente a baja temperatura en dicalcogenuros de metal de transición. Siendo diferentes, ambas comparten la investigación del mismo grupo de materiales, los materiales 2D de van der Waals. A continuación, para concluir esta disertación, analizo el trabajo realizado sobre el efecto Hall cuántico de alta temperatura y termino con una discusión sobre el trabajo relacionado con la espectroscopia de fotocorriente de baja temperatura. Finalmente, diseño una ruta de trabajo futuro a realizar luego de esta disertación reseñada brevemente en el capítulo anterior. El descubrimiento del grafeno como un material estable puso a disposición una nueva plataforma para el estudio del efecto Hall cuántico. El grafeno muestra valores de cuantización no convencionales en la conductividad Hall debido a que sus bandas muestran una relación de dispersión lineal en ausencia de un campo magnético. La cuantización de la conductividad Hall en el grafeno se describe mediante σxy = ±4e2/h(N + 1/2), siendo N el nivel de Landau, en claro contraste con los semiconductores convencionales [6, 73]. Además, la separación de energía entre los niveles de Landau ΔLL es proporcional a ± √ BN, siendo B el campo magnético, dando lugar a un valor alto de ΔLL . Desde el descubrimiento del efecto hall cuántico en los años 80 [21], este efecto se estudiaba típicamente en sistemas 2D a bajas temperaturas de unos pocos kelvin, alcanzando temperaturas de hasta nitrógeno líquido en pocos sistemas [131, 132, 133]. El grafeno cambió las reglas del juego, permitiendo el acceso al estudio del efecto hall cuántico en condiciones experimentales más amplias [76], incluso hasta temperatura ambiente [24] en campos magnéticos altos (cercanos a 30 T). Sin embargo, los estudios que involucran grafeno a temperaturas cercanas a temperatura ambiente [74, 122] se realizaron en grafeno sobre SiO2, donde la rugosidad del sustrato induce dispersión de los electrones por desorden. En estas muestras, el principal mecanismo de activación del efecto Hall cuántico es la dispersión del desorden. Esta tesis da información sobre el uso de la espectroscopía de fotocorriente a baja temperatura para el estudio de 2D-TMD. Además, este método ofrece beneficios al eliminar la necesidad de utilizar un objetivo de microscopio para enfocar el haz de luz en un área pequeña sobre la muestra. Esto hace que la espectroscopía de fotocorriente sea bastante simple en comparación con las alternativas anteriores. Todos los hallazgos realizados ponen en valor las posibilidades que ofrece esta técnica para acceder a transiciones no radiactivas en comparación con fotoluminiscencia. En nuestra investigación utilizando espectroscopía de fotocorriente hemos revelado transiciones que permanecían ocultas, incluso después de años de investigación intensiva, como la serie de Rydberg del excitón B en MoS2 o el tercer excitón neutro en ReS2. Además, hubo varios experimentos que quedaron inacabados durante este doctorado. En el capítulo 8, he presentado dos posibilidades para continuar explotando las posibilidades de la espectroscopia de fotocorriente. En primer lugar, el estudio de la posible generación de fotocorrientes dependientes de la helicidad en ReS2 y su dependencia espectral. En segundo lugar, el uso de espectroscopía de fotocorriente para estudiar las heteroestructuras de TMDs rotadas para revelar estados excitónicos de moiré. Las caracterizaciones preliminares de este fenómeno parecen prometedoras, sin embargo, es necesario profundizar en este trabajo para obtener resultados concluyentes. En el caso de generación de fotocorrientes dependientes de la helicidad en ReS2 sería necesario esclarecer si su origen proviene del propio material o de los contactos schottky del dispositivo. En el estudio de heteroestructuras moiré de TMDs, sería necesario caracterizar heteroestructuras con diferentes ángulos de rotación y diseñar dispositivos con dos puertas para controlar correctamente el nivel de dopaje del dispositivo. 2024-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/159267 [EN] This thesis work exploits the potential of ultrashort laser pulses to explore electron dynamics in matter and generate extreme ultraviolet (EUV) or soft X-ray emission in the form of attosecond pulses with customized properties. The strong-field ionization of atoms driven by high-intensity femtosecond laser pulses is the starting point for two physical phenomena covered in this thesis manuscript: the controlled generation of ring currents and high harmonic generation (HHG). A novel method, termed current-gating, is introduced to synthesize attosecond magnetic field waveforms by temporally confining ring currents induced by circularly polarized laser fields, representing a significant advancement in ultrafast magnetism. The rest of the thesis work focuses on HHG as a nonlinear optical process that offers great possibilities to track electron dynamics (including resonances or electron-electron correlation) and to map the tunable properties of low-frequency pulses into the EUV or soft X-rays. A second plateau extending to higher photon energies than the usual HHG is found as a spectral signature of correlated back-reaction during the laser interaction with He atoms. A multi-peak harmonic signature is identified as the trace of extremely fast attosecond Rabi oscillations driven by EUV femtosecond pulses in He atoms. In collaboration with experimental groups, the investigation of diverse HHG schemes driven by structured laser beams in macroscopic gas targets leads to high harmonic beams and attosecond spatiotemporal emission with unique properties of spin and orbital angular momentum. These configurations include the generation of scalar and vectorial high-harmonic vortex beams with high topological charge, circularly polarized high-harmonic vortex beams with steady/time-varying orbital angular momentum (i.e. self-torque), and attosecond vortex pulse trains. These spatiotemporal light structures in the EUV or soft X-ray extend the prospects of attosecond science and related quantum technologies for improved imaging and spectroscopic capabilities, paving the way for triggering and probing ultrafast angular momentum lightmatter interactions. [ES] En este trabajo de tesis utilizamos pulsos láser ultracortos para explorar la dinámica de los electrones en la materia, así como para generar emisión en el rango del ultravioleta extremo (EUV) o de los rayos X blandos en forma de pulsos de attosegundo con las propiedades deseadas. La ionización de campo fuerte producida en los átomos de un gas por pulsos láser de femtosegundo de alta intensidad es el punto de partida de dos fenómenos físicos que abarcamos en esta tesis: la generación controlada de corrientes en anillo y la generación de armónicos de orden alto (HHG). Introducimos un nuevo método, denominado current-gating, para sintetizar pulsos de campo magnético de attosegundo mediante el confinamiento temporal de corrientes en anillo inducidas por pulsos láser con polarización circular, lo cual representa un avance significativo para el magnetismo ultrarrápido. El resto del trabajo de tesis se centra en la HHG como un fenómeno óptico no lineal que ofrece muchas posibilidades para investigar la dinámica de los electrones (incluyendo procesos resonantes o de correlación electrónica) y para trasladar las propiedades sintonizables de pulsos de baja frecuencia al régimen del EUV o los rayos X blandos. Como huella de un mecanismo de correlación electrónica durante la interación del láser con átomos de He, encontramos un segundo plateau que extiende la emisión de armónicos a energías más altas que la HHG habitual. También identificamos una estructura multipico en los armónicos como traza de oscilaciones de Rabi de attosegundo guiadas por pulsos de femtosegundo EUV en átomos de He. En colaboración con grupos experimentales, estudiamos diversos esquemas de HHG en gases nobles utilizando haces láser estructurados. Esto nos permite generar armónicos de orden alto y pulsos de attosegundo con propiedades únicas de espín y momento angular orbital. En concreto, demostramos la generación de haces en el ultravioleta extremo en varias configuraciones: i) vórtices escalares y vectoriales con alta carga topológica, ii) vórtices con polarización circular y momento angular constante/variable en el tiempo (auto-torque), iii) vórtices con duración de attosegundo. Estas estructuras espaciotemporales en el EUV o los rayos X blandos amplían las perspectivas de la attociencia y las tecnologías cuánticas relacionadas para mejorar las técnicas de imagen y espectroscopía, allanando la investigación de las interacciones ultrarrápidas entre pulsos de luz con momento angular y la materia. 2024-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/158286 [EN] Sustainable development is one of the main concerns of today’s society, especially within the energy resources framework. The global growing population implies an increase in the energy demand that, in the future, will not be able to be covered by merely using fossil fuels. Since the 2015 Paris Agreement until the current 2030 Agenda, diverse initiatives have been developed to effectively empower the energy transition, moving towards alternative and environmentally friendly energy sources. The Sun is one of the most abundant natural resources for generating energy. In fact, if it was possible to harvest all the incoming Sun energy, throughout the year, global energy demand would be broadly covered. Therefore, solar energy, particularly Concentrated Solar Power (CSP), stands as one of the most promising renewable energy technologies. CSP systems can provide not only electricity but also thermal power for industry or domestic uses. These systems collect the direct normal irradiance and concentrate it onto the geometrical focus (which can be a line or a point), where temperatures of 700 ◦C or even 1000 ◦C are achieved, depending on the type of concentrator selected. The thermal energy concentrated onto the focus is employed for heating a fluid which can be used to run a thermodynamic cycle for electricity production by means of a generator. Another option would be to directly use the fluid thermal energy or store it, allowing to use it later during the absence of solar irradiance. Furthermore, this kind of plant can be hybridized by adding a combustion chamber granting stable and dispatchable energy generation. Besides, in the few last years some concepts such as “energy self-consumption” and “distributed energy” emerged, aiming to decentralize electric energy production. Distributed generation focuses on the production of energy close to the user, thus avoiding transport losses and lowering the costs and the time that building large installations requires. “Smart grid” is a concept closely associated with distributed energy. It pursues to efficiently integrate all the electricity micro-cogeneration systems into the grid (solar power, wind power, storage systems, etc.). In that framework, this doctoral thesis focuses on the analysis of a solar parabolic dish concentration system. The modularity of this technology enables its use for small-scale energy generation (between 3 – 30kWe, through single dishes), as well as for larger scale electricity generation, in the range of MW, by means of dish farms. The initial configuration of the system studied in this work considers the integration of a hybrid micro-gas turbine as a power block to produce electricity. That micro-gas turbine, which performs a recuperative Brayton cycle, is placed in series with a combustion chamber aiming to maintain a constant turbine inlet temperature, even in the absence of solar irradiance, thus providing a constant power output. Therefore, the system can be considered hybrid since it uses solar energy and/or fuel (natural gas) for electricity production. The plant description is carried out by means of a semi-analytical model that includes basic thermodynamic equations and a set of parameters with a clear physical meaning. The model was developed within the Research Group and validated for a Central Tower CSP plant. All the subsystems comprising the whole plant are integrated, aiming to identify which are the elements that mainly influence the overall performance. As input parameters, meteorological data associated with specific locations are employed, including direct normal irradiance and ambient temperature. This allows to perform different studies in particular locations such as Santander, Salamanca, Seville or Ouarzazate. Additionally, some design parameters are established, such as subsystem isoentropic efficiencies, turbine inlet temperature, pressure ratio or the working fluid mass flow rate. Within this doctoral thesis, the power block model is adapted to a micro-gas turbine and its validation is done by direct comparison with the results reported in the literature. From the validation, diverse simulations intended to characterise the plant from a thermodynamic perspective are carried out, comparing different power outputs and obtaining indicators such as subsystem efficiencies, overall thermal efficiency and electric energy generated. Additionally, the influence of the recuperator is analysed and different operation modes are compared (hybrid and combustion-only), highlighting the pollutant emissions savings that a hybrid plant could report compared with a conventional one. The thermodynamic model is completed with a thermo-economic study that considers not only indicators such as the Levelized Cost of Electricity and the net energy generated, but also it includes parameters like the Net Present Value, the Specific Plant Investment or the Discounted Payback Period. Looking at the results obtained, the thermodynamic and economic feasibility of the plant is proved. Therefore, the next objective of this doctoral thesis is to improve the model that describes the plant, starting with the solar subsystem. The model is intended to remain semianalytical, in such a way that all the parameters greatly influencing the thermal performance can always be identified. For the solar collector modelling, TonatiuhTM, a Monte-Carlo Ray Tracer software, is employed. Finally, a solar volumetric and pressurized cavity receiver is modelled, including a porous medium inside and aimed to raise the fluid temperature as high as the materials allow it. It is worth mentioning that the receiver description is made by a set of steady-state and zero-dimensional heat transfer equations. However, it includes an extensive number of geometrical and thermodynamic parameters and material properties. The simulations performed provide the material surfaces and heat transfer fluid temperature profiles. Besides, the heat fluxes and the thermal efficiency are obtained. From the results, the zones in which the major losses occur are identified and the influence of the meteorological conditions on fluid temperature is revealed. This doctoral thesis highlights the necessity of developing integrated models that consider all the subsystems comprising an energy generation plant, as well as their interactions. Furthermore, the fact that all the models have a semi-analytical character allows to easily handle all the parameters that likely influence the performance. Besides, the models briefly introduced above can serve as a preamble for plant pre-optimization and sizing studies. Finally, the lower computational cost is another advantage of these kinds of models, providing quite realistic results in a short time. [ES] El desarrollo sostenible es uno de los principales objetivos de la sociedad actual, especialmente en el campo de los recursos energéticos. El aumento de la población mundial conlleva el incremento de la demanda de energía que, en un futuro, no podrá ser suplida exclusivamente mediante el uso de combustibles fósiles. Desde el Acuerdo de París de 2015, y hasta la actual Agenda 2030, se han llevado a cabo diversas iniciativas para hacer efectiva la transición energética hacia fuentes de energía alternativas y respetuosas con el medioambiente. El Sol es uno de los recursos naturales más abundantes de los que disponemos para la generación de energía. De hecho, si fuera posible aprovechar toda la energía que recibimos del Sol durante un año, la demanda energética mundial estaría ampliamente cubierta. Por ello, la energía solar, y concretamente la energía termosolar de concentración (Concentrated Solar Power, CSP en inglés), supone una de las tecnologías renovables más prometedoras del momento. Los sistemas de CSP pueden proporcionar no sólo electricidad, sino también energía térmica para su uso en aplicaciones industriales o residenciales. Estos sistemas recolectan la radiación solar normal y la concentran en su foco geométrico (que puede ser lineal o puntual), donde se pueden alcanzar temperaturas de hasta 700 e incluso 1000 ◦C, dependiendo del tipo de concentrador solar elegido. La energía térmica concentrada en el foco se utiliza para calentar un fluido, que puede ser empleado en un ciclo termodinámico para producir electricidad, a través de un generador. Otra opción sería aprovechar la energía térmica del fluido para su aplicación directa, o para almacenarlo, de tal forma que se pueda recuperar la energía en ausencia de irradiancia solar. Asimismo, este tipo de plantas pueden ser hibridadas añadiendo una cámara de combustión, permitiendo así una generación de energía estable y controlable. Por otro lado, en los últimos años ha aumentado la presencia de conceptos como “autoconsumo” y “energía distribuida”, que pretenden descentralizar la producción de energía eléctrica. La generación distribuida se focaliza en la producción de energía cerca del lugar de consumo, evitando así pérdidas en el transporte de la misma y disminuyendo los costes y el tiempo de construcción de las grandes infraestructuras. La energía distribuida lleva asociado el concepto de smart grid (red inteligente), que busca integrar en la red, de una forma eficiente, todos los sistemas de microgeneración de energía eléctrica (solares, eólicos, sistemas de almacenamiento, etc.). En ese contexto, esta tesis doctoral se centra en el estudio de un sistema de concentración solar de disco parabólico. La modularidad de esta tecnología permite que puede emplearse tanto para la generación de energía a pequeña escala (entre 3 – 30kWe con discos individuales), como para la producción de electricidad en el rango de MW mediante granjas de discos parabólicos. La configuración inicial del sistema que se analiza a lo largo de este trabajo contempla el uso de una micro-turbina de gas híbrida como bloque de potencia para generar energía eléctrica. La micro-turbina de gas, que realiza un ciclo Brayton recuperativo, se acopla en serie a una cámara de combustión para mantener una temperatura de entrada a la turbina constante incluso en ausencia de irradiancia solar, proporcionando así una potencia de salida estable. De esta forma, el sistema se considera híbrido, puesto que utiliza tanto el Sol, como un combustible (gas natural) para la producción de electricidad. La descripción de la planta se realiza mediante un modelo semi-analítico, con ecuaciones termodinámicas básicas y un conjunto de parámetros que poseen un claro significado físico. El modelo ha sido desarrollado dentro del Grupo de Investigación y ya había sido previamente validado para una planta CSP de tipo Torre Central. En él se integran todos los subsistemas que conforman la planta, con el objetivo de poder identificar qué elementos influyen en la eficiencia global del sistema. Como parámetros de entrada, se utilizan datos meteorológicos reales de localizaciones específicas, incluyendo la irradiancia normal directa y la temperatura ambiente. Esto permite hacer diferentes estudios en emplazamientos concretos como Santander, Salamanca, Sevilla y Ouarzazate. Asimismo, previamente se establecen algunos parámetros de diseño, como las eficiencias isoentrópicas de los subsistemas, la temperatura de entrada a la turbina, la relación de presiones o el flujo másico del fluido de trabajo. En esta tesis doctoral, el modelo del bloque de potencia se aplica a una micro-turbina de gas y se valida por comparación directa con los resultados disponibles en la literatura. A partir de la validación, se realizan diversas simulaciones para caracterizar la planta a nivel termodinámico, comparando varias potencias de salida, y obteniendo parámetros como los rendimientos de cada uno de los subsistemas, la eficiencia térmica global y la energía eléctrica generada. Asimismo, se analiza la influencia del recuperador y se comparan diferentes modos de operación (híbrido y sólo combustión), destacando el ahorro en emisiones contaminantes de una planta híbrida respecto a una convencional. El modelo termodinámico de la planta se completa con la implementación de un modelo termo-económico que considera no sólo indicadores como el Coste Normalizado de la Electricidad, y la energía neta generada, sino también parámetros como el Valor Presente Neto, la Inversión Específica de la Planta o el Periodo de Amortización Descontado. Con los resultados obtenidos, se comprueba que la planta puede ser viable a nivel termodinámico y económico. Así, el siguiente objetivo de esta tesis doctoral es mejorar el modelo que describe el sistema, comenzando por la parte solar. Se pretende que el modelo continúe siendo semi-analítico, de tal forma que en todo momento se puedan identificar cuáles son los parámetros que más infuyen en el rendimiento térmico. Para la modelización del colector solar se emplea TonatiuhTM, un software de trazado de rayos basado en el método Monte-Carlo. Finalmente, se modeliza un receptor solar de cavidad volumétrico y presurizado, que cuenta con un medio poroso para elevar la temperatura del fluido tanto como sus materiales lo permitan. Cabe resaltar que la descripción del receptor se realiza mediante un conjunto de ecuaciones de transferencia de calor adimensionales y en estado estacionario, pero que cuenta con un extenso número de parámetros, tanto geométricos como termodinámicos y de propiedades de materiales. Las simulaciones realizadas permiten obtener el perfil de temperaturas tanto del fluido que atraviesa el receptor, como de los materiales que lo conforman. Asimismo, se calculan las transferencias de calor implicadas y la eficiencia térmica del sistema. A partir de los resultados, se identifican la zonas en las que se encuentran las principales pérdidas energéticas. Por otro lado, también se analiza cómo las condiciones meteorológicas influyen en la temperatura del fluido. Esta tesis doctoral pone de manifiesto la necesidad del desarrollo de modelos integrados que contemplen todos los subsistemas de una planta de generación de energía, y sus interacciones. Del mismo modo, el hecho de que los modelos sean semi-analíticos permite un mayor control de todos los parámetros que pueden influir en la eficiencia del sistema. Además, los modelos presentados brevemente en los párrafos anteriores, pueden servir como preámbulo para estudios de pre-optimización y dimensionamiento de la planta. Finalmente, el bajo coste computacional es otra de las ventajas de este tipo de modelos, proporcionando en un tiempo muy corto, unos resultados bastante realistas. 2023-11-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/157913 [EN] Efficient control of the static and dynamic properties of magnetic textures at the nanoscale is one of the key elements towards energy-efficient spintronics. The control of magnetic textures such as domain walls and skyrmions can be achieved using several methods, including magnetic field, spin-polarized current, and laser pulses. These approaches opened up new avenues towards exploring spintronicsbased applications such as racetrack memories, logic gates, artificial neuron synapses, and sensors. However, the growing need to minimize the energy consumption of computational and data storage devices imposes the to find new alternatives to control magnetic systems. One of the promising alternatives that has emerged in the last few years is the use of electric fields. It has been shown that in artificial multiferroics, electric field-induced strain can be used to achieve efficient control over magnetic systems via magnetoelastic coupling. This method showed great potential due to its low energy dissipation rates. Despite these achievements, the strain effects on magnetic systems are still a topic of fundamental research. The aim of this thesis is to explore new ways to use strain to control the statics and dynamics of magnetization in ferromagnetic systems by means of micromagnetic simulations as well as analytical models. First, using electro-mechanical and micromagnetic simulations, we propose a new method to control the current-driven skyrmion motion. We show that in a piezoelectric/ magnetic device, a transverse strain gradient can be created due to the non-uniform electric field profile in the piezoelectric layer. Such a strain gradient will be transferred to the magnetic system, inducing a force on the skyrmions that can be used to control their dynamics. In particular, we demonstrate that such a force tunes the skyrmion Hall effect in both ideal and disordered films. In the second part, we focus on exploring the effects of both uniform and spacedependent strain on magnetic domain walls (DWs) in perpendicularly magnetized ferromagnetic strips. We show that uniform in-plane strains enable efficient switching of the DW state between Néel and Bloch configurations. Then, we demonstrate that both in-plane and out-of-plane strain gradients can drive DW motion in the absence of magnetic fields and spin-polarized current. On one hand, we find that the effect of an out-of-plane strain gradient on a DW is equivalent to that of an external field. In-plane strain gradients, on the other hand, induce particular dynamics where the DW does not exhibit Walker breakdown. We demonstrate that this dynamics relies on the dependency of the internal DW angle on the local strain, which results in a new damping torque that prevents the onset of turbulent DW motion. In the last part of this thesis, we put emphasis on the spin-orbit torque (SOT) driven Néel DWs stabilized via uniform in-plane strain. We show that in narrow strips, such DWs move with a velocity that depends linearly on the applied current up to a threshold value, where their velocity starts gradually decreasing and subsequently vanishes. We attribute this behavior to the precessional SOT that changes the DW internal configuration from Néel to Bloch, which eventually cancels out the torques contributing to the system. In wide strips, we again find that the DW stops moving beyond a certain threshold current; however, its internal structure exhibits a non-uniform pattern with complex transient dynamics. We explore this transient dynamics using micromagnetic simulations as well as an extended onedimensional (1D) model that accounts for both time and space variations of the DW coordinates. Using this extended model, we demonstrate that the DW internal structure a regular ripple structure with 180◦ kinks, with the kink width being dependent on the exchange interaction and the magnetoelastic anisotropy. Besides, we note distortions in the DW shape, which we attribute to the competition between SOT and the exchange torque. [ES] El control eficiente de las propiedades estáticas y dinámicas de las texturas magnéticas es uno de los elementos clave hacia una spintrónica más eficiente desde el punto de vista energético. El control de texturas magnéticas como las paredes de dominio (DW, por sus siglas en inglés) y skyrmiones se ha logrado utilizando varios métodos, incluyendo campos magnéticos, corrientes de espín y pulsos láser. Estos enfoques han abierto nuevas vías para explorar aplicaciones basadas en la spintrónica, como memorias magnéticas, puertas lógicas, neuronas artificiales y sensores. Sin embargo, la creciente necesidad de minimizar el consumo de energía de los dispositivos informáticos y de almacenamiento de datos impone la necesidad de encontrar nuevas alternativas para controlar sistemas magnéticos. Una de las alternativas más prometedoras que ha surgido en los últimos años es el uso de campos eléctricos. Se ha demostrado que en multiferroicos artificiales, la deformación mecánica inducida por un campo eléctrico puede utilizarse para lograr un control eficiente sobre sistemas magnéticos mediante el acoplamiento magnetoelástico. Este método ha mostrado un gran potencial debido a sus bajos índices de disipación de energía. A pesar de estos logros, la manipulación de la respuesta magnética mediante esfuerzo mecánico sigue siendo un tema de investigación fundamental. El objetivo de esta tesis es explorar nuevas formas de utilizar la deformación para controlar la estática y dinámica de la magnetización en sistemas ferromagnéticos a través de simulaciones micromagnéticas y modelos analíticos. En primer lugar, utilizando simulaciones electro-mecánicas y micromagnéticas, proponemos un nuevo método para controlar el movimiento de skyrmiones impulsado por corriente. Mostramos que en una estructura piezoeléctrica/magnética aparece un gradiente de deformación transversal debido al perfil no uniforme del campo eléctrico en la capa piezoeléctrica. Este gradiente de deformación se transferirá al sistema magnético, induciendo una fuerza sobre los skyrmiones que se puede utilizar para controlar su dinámica. En particular, demostraremos que esta fuerza controla el efecto Hall de los skyrmiones tanto en películas ideales como en otras realistas. En la segunda parte, nos centramos en explorar los efectos de una deformación, tanto uniforme como variable espacialmente, en la estructura y el movimiento de paredes en tiras ferromagnéticas magnetizadas perpendicularmente. Mostramos que una deformación uniforme en el plano permite un cambio en la configuración de las paredes de dominio entre patrones de Néel y Bloch. Seguidamente, mostramos que es posible utilizar gradientes de deformación tanto en el plano como fuera del plano para impulsar el movimiento de las paredes de dominio en ausencia de campos magnéticos y corrientes de espín. Por un lado, encontramos que los gradientes de deformación fuera del plano son similares a los campos externos en términos de movimiento de las paredes de dominio. Por otro lado, mostramos que los gradientes de deformación en el plano inducen una dinámica particular en la que la pared de dominio no muestra la transición al régimen turbulento. Demostramos que esta dinámica depende del ángulo interno de la pared y de la deformación local, lo que resulta en un nuevo torque de amortiguamiento que evita el inicio del movimiento turbulento de la pared. En la última parte de esta tesis, se estudia el comportamiento de las paredes de dominio de Néel impulsadas por corrientes de espin generados por acoplamiento espin-orbita (SOT) y estabilizadas mediante deformación uniforme en el plano. Mostramos que, en tiras estrechas, estas paredes se mueven con una velocidad que aumenta casi linealmente hasta un umbral de corriente, a partir de la cual su velocidad comienza a disminuir gradualmente y finalmente se anula. Atribuimos este comportamiento al SOT precesional, que cambia la configuración interna de la pared de Néel a Bloch, lo que finalmente anula los torques que contribuyen al sistema. En tiras anchas, nuevamente encontramos que la pared deja de moverse más allá de un cierto umbral de corriente. Sin embargo, su estructura interna exhibe un patrón no uniforme con una dinámica transitoria compleja. Exploramos esta dinámica transitoria utilizando simulaciones micromagnéticas, así como un modelo extendido en una dimensión que tiene en cuenta las variaciones tanto temporales como espaciales de las coordenadas de la pared de dominio. Utilizando dicho modelo, demostramos que la estructura interna de la pared de dominio adopta una configuración espacial caracterizada por la presencia de transiciones de 180º localizadas, cuya anchura depende de la interacción de intercambio y la anisotropía magnetoelástica. Además, observamos distorsiones en la forma de la pared, que atribuimos a la competencia entre el SOT y el torque de intercambio. 2023-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/157902 [ES] En esta tesis doctoral se desarrollaron dos sistemas novedosos de posicionamiento de blancos para láseres de femtosegundos. Estos dos sistemas están diseñados para funcionar dentro del rango de Rayleigh con una alta precisión. Uno de los sistemas de posicionamiento se basa en un arreglo confocal astigmático, el cual determinara la posición relativa del blanco en términos del astigmatismo introducido al haz re ejado por el blanco. Este sistema es capaz de determinar la posición del blanco respecto al plano focal, si no también determinar dirección de dicho desplazamiento. Se demostró un funcionamiento con super cies rugosas, al igual que tolerancias a ángulos de incidencia diferentes de cero (normal a la super cie). Se logro una sensibilidad de 1.64 ×10−2μm−1 gracias a la integración de una lente asistente del arreglo astigmático original. Otro de los sistemas de posicionamiento se basa en un arreglo confocal al cual introducimos un elemento de detección no lineal por absorción de dos fotones (TPA). Este sistema de posicionamiento nombrado Nonlinear Confocal Positioner (NCP) presenta una alta sensibilidad y precisión en la ubicación de blancos debido a la dependencia cuadrática con la intensidad del haz láser. Demostramos incertidumbre del orden de 5 μm equivalentes al tamaño de escaneo en el eje óptico (eje - z). Estos sistemas de posicionamiento desarrollados mostraron un gran potencial en aplicaciones en la microfabricación láser y aceleración de plasmas generados por láser. [EN] In this thesis, we present two novel target positioning systems for femtosecond lasers. These two systems were designed to work within the Rayleigh range with high precision. One of these positioning systems is based on an astigmatic confocal setup, which will determine the relative target position in terms of the astigmatism. This system is capable to determine the quantity and direction of movement of the target. We demonstrated tolerance to targets with rough surfaces and to a wide range of angles of incidence. A sensitivity of 1.64 ×10−2μm−1 was achieved, cause to the integration of an assistant lens to the original astigmatic setup. The other positioning systems is based on a confocal con gurtion and a nonlinear detection element by Two Photon Absorption (TPA). This positioning system is named as Nonlinear Confocal Positioner (NCP) presents a high sensitivity and precision in the location of targets due to the quadratic dependence with the intensity of the laser beam. We demonstrate uncertainty of 5 μm equivalent to the scan resolution in the optical axis (axis - z). These two positioning systems has great potential applications in microfabrication with lasers and laser-driven plasma accelerators even at high repetition rates. 2023-11-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/157576 [EN] This thesis focuses on the Physics of intense laser-driven particle accelerators, which has proven as a valuable alternative to conventional accelerator technology in several aspects, presenting improved bunch duration and transversal beam quality. The advent of a new generation of compact particle accelerators based on laser-plasma interaction and the interest of its potential applications has implied the consequent development of novel diagnostics techniques, capable to resolve the fine temporal and spatial scales of these experiments. In addition, these dedicated diagnostics are required to operate at the high repetition rate of the new class of fs-long table-top petawatt laser systems. This manuscript presents the development and the experimental application of several diagnostics designed for the three different main laser-plasma interaction regimes. • An extensive study of several characterization techniques of gaseous targets for lasermatter interaction experiments is presented, including interferometry, wavefront measurement and Schlieren imaging. A parametric study of different classes of gaseous targets with diverse geometries, compositions and operation principles is elaborated. The application of underdense gas targets for laser wakefield electron acceleration and high harmonics generation experiments in the sub-petawatt level is shown. • An international collaborative research project in laser-driven ion acceleration in nearcritical plasmas generated by high-density gas jets is presented. A summary of the campaigns carried out in petawatt laser facilities is given, as well as the corresponding experimental outcomes. A detailed description of the targetry and ultra-fast plasma diagnostics elaborated for such campaigns is provided, yielding relevant findings for the experimental optimization. • The angular-resolved tomography of a laser-driven ion source has been achieved in a overdense plasma experiment with a concept modification of a Thomson Parabola spectrometer. The same instrument has also been successfully adapted into a novel approach for pepper-pot spectrally-resolved measurements of the proton beam lateral trace-space. This newly developed method have demonstrated to be capable to perform a thorough characterization of the spatial features and laminarity regime of the very complex ion beams generated by laser-plasma interaction, recognizing several operational and resolution improvements when comparing with previous techniques. [ES] El trabajo descrito en esta tesis se centra en la Física de los aceleradores de partículas basados en la interacción de láseres intensos y plasmas, los cuales han demostrado ser una alternativa considerable a los aceleradores de partículas convencionales en muchos aspectos, presentando mejor duración y calidad transversal de los haces. La aparición de una nueva generación de aceleradores de partículas compactos basados en la interacción láser-plasma y el interés en sus potenciales aplicaciones ha supuesto el desarrollo de nuevas técnicas de diagnóstico, capaces de resolver las pequeñas escalas espaciales y temporales de dichos experimentos. Además, estos diagnósticos deben ser capaces de operar a la alta tasa de repetición de los nuevos sistemas láser compactos de petavatio de duración de femtosegundo. Esta tesis presenta el desarrollo y la aplicación experimental de una serie de diagnósticos diseñados para los tres principales regímenes de la interacción laser-plasma. • Se presenta un extenso estudio de varias técnicas de caracterización de blancos gaseosos para experimentos de interacción láser-materia, incluyendo interferometría, medida de frente de onda y estrioscopía. La investigación paramétrica de distintos tipos de blancos gaseosos, con diversos principios de funcionamiento, geometrías y composiciones es elaborada. Así mismo, se muestra el uso de estos blancos subdensos para la aceleración de electrones en estela láser y para la generación de altos armónicos con potencias láser por debajo de petavatio. • Se presenta un proyecto de investigación colaborativo internacional centrado en la aceleración de iones basada en láser en plasma de densidad crítica creados a partir de un sistema de gas de alta presión. Se elabora un resumen de las campañas experimentales llevadas acabo en instalaciones láser de potencia de petavatio y de los resultados experimentales correspondientes. Los diagnósticos elaborados para la inspección del blanco y del plasma son detallados, habiendo arrojado resultados relevantes para la optimización experimental. • Se ha realizado la tomografía resuelta en ángulo de una fuente de iones generada por láser en un plasma sobre-denso gracias a la modificación de un espectrómetro tipo Thomson Parabola. El mismo instrumento también ha sido exitosamente adaptado en un diagnóstico tipo "pepper-pot" para medidas del espacio de fases de un haz de protones resuelto en energía. Este nuevo método ha demostrado ser capaz de realizar una detallada caracterización de las propiedades espaciales y del régimen de laminaridad de los complejos haces de iones generados por interacción láser-plasma, reconociendo además diversas mejoras operacionales y de resolución de medida frente a técnicas anteriores. 2023-08-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/153160 [ES]En este trabajo de tesis doctoral se estudió la formación de estructuras superficiales periódicas inducidas por láser (LIPSS, siglas del inglés Laser Induced Periodic Surface Structures) en polímeros y compuestos de matriz polimérica en forma de películas delgadas, ya sean autosoportadas o soportadas en diferentes substratos como son silicio, vidrio, acero, oro y poli(etileno tereftalato) (PET). Los polímeros y compuestos estudiados son PET, poli(trimetileno tereftalato) (PTT), un nanocomposite compuesto por PTT y nanotubos de disulfuro de wolframio (WS2) (PTT-WS2) y poli(3-hexiltiofeno) (P3HT). En el caso de películas delgadas de PET depositadas sobre distintos substratos, las irradiamos con pulsos laser Gaussianos de femtosegundo en el infrarrojo (795 nm, 64 fs, 5 kHz) para estudiar la influencia del espesor de la película de polímero, y el material y la rugosidad del substrato en la formación de LIPSS. Demostramos que el espesor condiciona la formación de LIPSS, de hecho, éstas no se formaron para películas con espesores mayores de 1300 nm. Además, la irradiación produjo LIPSS perpendiculares a la polarización del láser en muestras depositadas sobre substratos de oro de baja rugosidad, y LIPSS paralelas a la polarización en muestras sobre substratos de silicio o vidrio. Sin embargo, no aparecieron LIPSS en las muestras sobre substratos de PET, ni sobre oro de rugosidad alta, ni tampoco sobre de acero de rugosidad alta. El periodo, que en general es cercano a la longitud de onda del láser, y profundidad de las estructuras, medidos con microscopía de fuerzas atómicas (AFM), adquieren valores que están condicionados por el material del substrato y el espesor de la película delgada. A partir de estos resultados, propusimos un mecanismo de formación adicional a los ya conocidos, que se activa debido a la excitación de una onda electromagnética superficial generada por dispersión (SSW) en la interfaz película delgada-substrato. El caso de las LIPSS formadas en polímeros sobre substratos de oro, las cuales aparecen orientadas en la dirección perpendicular a la esperada, decidimos estudiarlo más a fondo con la ayuda de simulaciones numéricas del campo eléctrico. La concordancia entre las simulaciones y las medidas experimentales nos llevó a postular que la SSW que activa el mecanismo de formación de LIPSS en este caso es un plasmón polaritón superficial (SPP). Además del trabajo que acabamos de describir, también estudiamos el efecto de las LIPSS en la modificación de distintas propiedades de nuestras muestras. En el caso de las películas autosoportadas de PTT y PTT-WS2, las irradiamos con haces Gaussianos de femtosegundo en el ultravioleta (265 nm, 260 fs, 1 kHz), resultando en la formación de LIPSS paralelas a la polarización con un periodo similar a la longitud de onda del láser. En las muestras con nanoaditivo la energía necesaria para la aparición de LIPSS fue ligeramente mayor, efecto que achacamos a su mayor porcentaje de cristalinidad y mayor disipación térmica. En cuanto al efecto de las LIPSS en las propiedades micromecánicas de las muestras, fue determinado con la técnica de mapeo nanomecánico cuantitativo de fuerza máxima (PF-QNM) y fue similar para ambos materiales. El módulo de Young se mantuvo constante, pero las fuerzas de adhesión disminuyeron aproximadamente en un factor cuatro tras el nanoestructurado, lo que atribuimos a un cambio en la química superficial. Respecto a la mojabilidad, la caracterizamos utilizando la técnica de la gota sésil para medir el ángulo de contacto del agua, glicerol y aceite de parafina en las dos muestras. En ambas muestras la mojabilidad aumentó con la formación de LIPSS y la energía superficial total permaneció constante. Sin embargo, su componente polar negativa aumentó considerablemente. También achacamos este fenómeno a un cambio en la química superficial. Por otro lado, irradiamos películas delgadas de PET depositadas sobre distintos substratos con haces vectoriales de femtosegundo en el visible (515 nm, 180 fs, 3 kHz). La irradiación con haces vectoriales sobre películas delgadas de PET provocó la formación de LIPSS paralelas a la polarización en las muestras depositadas sobre substratos de silicio o de vidrio, consiguiendo estructuras en forma de radios de bicicleta, anillos concéntricos y en espiral. En cuanto a las muestras depositadas sobre substratos de oro, aparecieron estructuras perpendiculares a la polarización del láser, pero demasiado desordenadas para poder llamarlas LIPSS. También utilizamos estos haces para irradiar P3HT, consiguiendo LIPSS con las mismas direcciones paralelas a la polarización del láser. Además, utilizamos haces vectoriales y de vórtice óptico de nanosegundo en el visible (532 nm, 5 ns, 20 Hz), induciendo la formación de LIPSS en el mismo rango que se reportó previamente para haces Gaussianos con la misma longitud de onda. Esto permitió la generación de estructuras circulares, radiales y espirales. Medimos el cambio en la conductividad encontrando una disminución muy acusada en la parte superior de las estructuras en comparación con lo que ocurre en la parte inferior. Este cambio fue causado por una pérdida de cristalinidad. También caracterizamos el cambio en la mojabilidad utilizando el método de la gota sésil para medir el ángulo de contacto del agua antes y después de la irradiación. No encontramos diferencias para las diferentes polarizaciones del haz. Para todas ellas, la muestra se volvió más hidrófila después de la irradiación. Explicamos este fenómeno teniendo en cuenta los cambios químicos causados por la oxidación inducida por la irradiación láser. Finalmente, irradiamos películas delgadas de (6,6)fenil-C71-ácido butírico metil ester (PC71BM) con esos mismos haces de nanosegundo produciendo LIPSS paralelas a la polarización del láser de un período menor que las encontradas en P3HT y en un rango de fluencia mucho más estrecho. Sus periodos y profundidades evolucionaron con los parámetros de irradiación igual que las estructuras encontradas en P3HT. [EN]In this doctoral thesis, the formation of Laser Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) was studied in polymers and polymer matrix compounds. The samples were studied in the form of thin films, either self-standing or deposited on different substrates such as silicon, glass, steel, gold, and poly(ethylene terephthalate) (PET). The polymers and compounds studied are PET, poly(trimethylene terephthalate) (PTT), a nanocomposite made of PTT and tungsten disulfide (WS2) nanotubes (PTT-WS2), and poly(3-hexyl thiophene) (P3HT). PET thin films deposited on different substrates were irradiated with femtosecond Gaussian laser pulses in the infrared (795 nm, 64 fs, 5 kHz) to study the influence of the thickness of the polymer film and the material and roughness of the substrate on the formation of LIPSS. We showed that the thickness of the thin film conditioned the formation of LIPSS, in fact, LIPSS were not formed for films with thicknesses greater than 1300 nm. In addition, the irradiation produced LIPSS perpendicular to the laser polarization in samples deposited on low roughness gold substrates, and LIPSS parallel to polarization in samples on silicon or glass substrates. However, LIPSS did not appear in samples on PET, high roughness gold, or high roughness steel substrates. The period, which in general was found to be close to the laser wavelength, and depth of the structures, measured with Atomic Force Microscopy (AFM), acquired values affected by the material of the substrate and the thickness of the thin film. To explain these results, we proposed an additional formation mechanism to the already known ones, which was activated due to the excitation of a surface scattered wave (SSW) at the thin film-substrate interface. The LIPSS formed in polymer samples on gold substrates appear in a perpendicular direction to the expected one. Because of this, we decided to study it further with the help of numerical simulations of the electric field. The agreement between the simulations and the experiment led us to postulate that the SSW that activates the LIPSS formation mechanism in this case is a Surface Plasmon Polariton (SPP). In addition to the work that we just described, we also studied the effect of LIPSS formation on the modification of different surface properties of our samples. In the case of self-standing PTT and PTT-WS2 films, we irradiated them with femtosecond Gaussian beams in the ultraviolet (265 nm, 260 fs, 1 kHz), resulting in the formation of LIPSS parallel to the polarization with a period similar to the wavelength of the laser. In the samples with the nanoadditive, the energy required for the appearance of LIPSS was slightly higher, an effect that we attribute to its higher percentage of crystallinity and thermal dissipation. Regarding the effect of LIPSS on the micromechanical properties of the samples, it was determined with the technique of Peak-Force Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM) and was similar for both materials. The Young's modulus remained constant, but the adhesion force decreased by a factor of four after irradiation, which we attributed to a change in surface chemistry. Regarding the wettability of the samples, we characterized it using the sessile drop technique to measure the contact angle of water, glycerol, and paraffin oil in the two materials. In both, the wettability increased with the formation of LIPSS, and the total surface energy remained constant. However, its negative polar component increased considerably. We also attribute this phenomenon to a change in surface chemistry. Besides, we irradiated PET thin films deposited on different substrates with femtosecond vector beams (515 nm, 180 fs, 3 kHz). Irradiation with vector beams in thin PET films provoked the formation of LIPSS parallel to the polarization of the laser in the samples deposited on silicon or glass substrates, achieving structures in the form of wheel-spokes, concentric rings, and spirals. As for the samples deposited on gold substrates, structures perpendicular to the polarization of the laser appeared, but they were too disordered to be called LIPSS. We also used these beams to irradiate P3HT, achieving LIPSS in the same directions parallel to the polarization of the laser. Moreover, we used nanosecond vector and optical vortex beams (532 nm, 5 ns, 20 Hz), which induced the formation of LIPSS in the same range that was previously reported for Gaussian beams with the same wavelength. This allowed the generation of radial, circular, and spiral structures. We measured the change in conductivity, finding a marked decrease at the top of the structures compared to what happens at the bottom. This change was caused by a loss of crystallinity. We also characterized the change in wettability using the sessile drop method to measure the contact angle of water before and after irradiation. We found no differences for the different beam polarizations. For all of them, the sample became more hydrophilic after irradiation. We explained this phenomenon considering the chemical changes caused by oxidation induced by laser irradiation. Finally, we irradiated thin films of (6,6)phenyl-C 71-butyric acid methyl ester (PC71BM) with those same nanosecond beams producing LIPSS parallel to the laser polarization of a shorter period than those found in P3HT and in a much narrower fluence range. Their periods and depths evolved with the irradiation parameters like the structures found in P3HT. 2023-01-01T00:00:00Z