http://hdl.handle.net/10366/4109 Wed, 29 Apr 2026 06:26:11 GMT 2026-04-29T06:26:11Z 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. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/170441 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. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/170430 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. Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/169591 2025-01-01T00:00:00Z 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. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/160402 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. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/159679 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. Mon, 01 Jan 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/159267 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. Wed, 01 Nov 2023 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/158286 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. Sun, 01 Jan 2023 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/157913 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. Wed, 01 Nov 2023 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/157902 2023-11-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/152716 [ES] Se estudiarán aspectos relevantes en el autoconsumo con el objetivo de proponer recomendaciones para España y Ecuador, tomando en consideración los tres sectores en los cuales se clasifican las instalaciones de autoconsumo: residencial, comercial/administrativo e industrial. Se precisará la comparativa en el sector residencial que es el que tiene mayor grado de desarrollo en el Ecuador, y que además, representa el sector con mayor consumo eléctrico anual del país. La metodología ha sido estructurada con base en el aprovechamiento de datos técnicos, económicos y funcionales de los SAFV de Ecuador y España. En Ecuador se dispone de datos de tres residencias durante más de un año de funcionamiento, y, en España se dispone de datos de instalaciones residenciales, administrativas e industriales de varios años. A partir de estos datos se desarrollarán estudios tecno-económicos para valorar el rendimiento energético y económico de las instalaciones, investigando aspectos poco tratados en la literatura científica. La investigación realiza la evaluación de los SAFV residenciales comparando su funcionamiento en los dos países, cada uno con un sistema de compensación diferente, balance neto para Ecuador, y facturación neta para España. Para el sector residencial, administrativo/comercial se estudia la viabilidad de los SAFV con orientaciones diferentes a la técnicamente recomendada. En el sector industrial se desarrolla una exploración en los ahorros generados por la reducción de la penalización por excesos de potencia. [EN] Relevant aspects of self-consumption will be studied in order to propose recommendations for Spain and Ecuador, taking into consideration the three sectors in which self-consumption installations are classified: residential, commercial/administrative and industrial. The comparison will be made in the residential sector, which is the most developed sector in Ecuador, and represents the sector with the highest annual electricity consumption in the country. The methodology has been structured based on the use of technical, economic, and functional data from the SAFVs of Ecuador and Spain. In Ecuador, data from three residences are available for more than one year of operation, and in Spain, data from residential, administrative, and industrial facilities are available for several years. Based on these data, techno-economic studies will be developed to evaluate the energy and economic performance of the facilities, investigating aspects that have not been dealt with much in the scientific literature. The research evaluates the residential SAFVs comparing their operation in the two countries, each with a different compensation system, net balance for Ecuador, and net billing for Spain. For the residential, administrative/commercial sector, the feasibility of the SAFV with different orientations to the technically recommended one is studied. In the industrial sector, an exploration of the savings generated by the reduction of the penalty for excess power is developed. Sat, 01 Jan 2022 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/152716 2022-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/152513 [EN] This thesis presents a theoretical study on the process of high-order harmonics generation (HHG) in single-layer graphene from the microscopic to tyhe macroscopic point of view. We start from the study of the role of the recently discovered imperfect recollisions in bulk solids, but in the context of a gapless monolayer such as graphene. Considering non-zero recollision distances between the electron-hole, we explain the high-harmonic emission observed at the final stages of the interaction, in the results obtained with the time-dependent Schrödinger equation, for recombination times greater than one cycle of the incident field. Next in this thesis, we present the first macroscopic analysis of the HHG process in graphene. We consider the influence of the spatial intensity distribution of the incident field on the total harmonic emission. The result concludes that there is a certain ring in the graphene target around the propagation axis, whose emissions govern the total emissions of the process. Finally, based on previous studies on the anisotropic behavior of the graphene sheet, we have developed a technique to characterize polycrystalline graphene using high-order harmonic spectroscopy. [ES] En esta tesis se presenta un estudio teórico sobre el proceso de generación de armónicos de orden elevado en una capa de grafeno desde el punto de vista microscópico hacia el macroscópico. Nuestros resultados parten del estudio del papel de las recolisiones imperfectas, recién descubiertas en sólidos gruesos, pero en el contexto de materiales monocapa sin gap como es el grafeno. Considerando distancias de recolision entre el par electrón-hueco diferentes de cero, explicamos las emisiones observadas en los resultados obtenidos con la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo, para tiempos de recombinación superiores a un ciclo del campo incidente. Además, presentamos el primer análisis macroscópico del proceso de HHG en grafeno. Consideramos la influencia de la distribución de intensidad espacial del campo incidente en la emisión total de armónicos. El resultado concluye que existe un determinado anillo en la lámina de grafeno en torno al eje de propagación, cuyas emisiones gobiernan las emisiones totales del proceso. Finalmente, basándonos en estudios previos sobre el comportamiento anisótropo de la lámina de grafeno, hemos desarrollado una técnica para caracterizar grafeno policristalino mediante espectroscopia de armónicos de orden alto. Sat, 01 Jan 2022 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/152513 2022-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/149556 [ES] Los pulsos láser ultracortos son una herramienta única para explorar las dinámicas más rápidas de la materia. Sorprendentemente, los pulsos de láser más cortos obtenidos hasta la fecha se producen a partir del fenómeno no lineal de conversión de frecuencias de generación de armónicos de orden alto (HHG), que resulta en la emisión de pulsos con duraciones de attosegundo. Es importante destacar que estos pulsos de attosegundo pueden exhibir una propiedad muy interesante, el momento angular, que presenta dos formas diferentes, el momento angular de espín (SAM) y el momento angular orbital (OAM), y que abre nuevos escenarios para las interacciones luz-materia a escalas espaciales nanométricas y temporales ultracortas. En esta tesis desarrollamos un conjunto de esquemas para la crea- ción de armónicos de orden alto y pulsos de attosegundo con nuevas propiedades de momento angular mediante la estructuración del pro- ceso de HHG a través de las características de los haces incidentes. Para ese propósito, primero abordamos la descripción de los mecanismos físicos fundamentales de la HHG. En particular, estudiamos la ioniza- ción túnel en moléculas, descubriendo que depende de la ubicación del electrón dentro de la molécula, debido a la naturaleza extendida de estas. Esta característica deja huellas importantes en los espectros de HHG y de fotoelectrones. Por lo tanto, hemos desarrollado una receta para implementar este fenómeno en los modelos de campos intensos existentes. A continuación, predecimos y describimos teóricamente la gene- ración de haces láser en el ultravioleta extremo (XUV) con nuevas propiedades de momento angular que, en la mayoría de los casos, son también creadas y caracterizadas experimentalmente por nuestros colaboradores del grupo Kapteyn-Murnane en JILA, en la Universidad de Colorado (EE. UU.), y del grupo del Prof. M.-Ch. Chen del Instituto de Tecnologías Fotónicas de la Universidad Tsing Hua (Taiwán). Para empezar, demostramos la generación, por primera vez, de haces de luz con OAM variable en el tiempo, una propiedad que denominamos como el auto-torque de la luz. Es importante destacar que los haces con auto-torque surgen naturalmente en el régimen XUV cuando el campo incidente para la HHG está formado por dos vórtices infrarro- jos retardados en el tiempo. Bajo esta configuración, el OAM de los armónicos de orden alto cambia a lo largo del tiempo en una escala de tiempo de attosegundos, siendo la cantidad de auto-torque controlada a través de las propiedades temporales de los pulsos incidentes. Por lo tanto, creemos que los haces con auto-torque pueden servir como nuevas herramientas para la manipulación láser-materia. Además, mostramos cómo el OAM puede servir como instrumento para mani- pular las propiedades espectrales y de divergencia de los armónicos de orden alto. Empleando dos vórtices con el contenido adecuado de OAM como pulsos incidentes, obtenemos peines de frecuencias de armónicos de orden alto con un espaciado entre líneas espectrales sintonizable y baja divergencia. Este control es particularmente intere- sante para espectroscopía y formación de imagen en el XUV o incluso en los rayos X blandos. Además, presentamos varios esquemas para el control de la eliptici- dad de los pulsos de attosegundo y de los armónicos de orden alto. Utilizando la configuración no colineal contrarrotante, extraemos el escalado de la elipticidad de los armónicos de orden alto con la de los haces incidentes y desvelamos la información sobre la respuesta dipolar oculta en esa conexión. Además, mostramos la generación de vórtices polarizados circularmente a partir de la HHG usando un campo incidente bi-circular vorticial. Destacablemente, al seleccionar correctamente el OAM del campo incidente, podemos obtener, o bien pulsos de attosegundo polarizados circularmente, o bien armónicos de orden alto con baja carga topológica. Por último, demostramos teóricamente la generación de trenes de pulsos de attosegundo con estados de polarización ordenados temporalmente mediante la combi- nación de dos campos incidentes bi-circulares vorticiales retardados en el tiempo. Creemos que la generación de pulsos de attosegundo con elipticidad controlada se puede emplear para el estudio de la dinámica ultrarrápida de SAM en moléculas quirales o materiales magnéticos. [EN] Ultrashort laser pulses are a unique tool to explore the fastest dy- namics in matter. Remarkably, the shortest laser pulses to date are produced from the non-linear frequency upconversion phenomenon of high-order harmonic generation (HHG), which results in the emis- sion of pulses of attosecond durations. Importantly, such attosecond pulses can exhibit a very exciting property, the angular momentum, which presents two different forms, the spin angular momentum (SAM) and the orbital angular momentum (OAM), and that brings new sce- narios for the light-matter interactions at the nanometric spatial and ultrashort temporal scales. In this thesis work, we develop a compilation of schemes for the creation of high-order harmonics and attosecond pulses with novel angular momentum properties by structuring the HHG process through the characteristics of the driving beams. For that purpose, we first address the description of the fundamental physical mechanisms of HHG. In particular, we study the tunnel ionization in molecules, finding that it is site-specific—its rate depends on the position of the electronic wavefunction at the ion sites—, due to the extended nature of the molecules. This characteristic leaves important signatures in the HHG and photoelectron spectra. Therefore, we provide a recipe for implementing the site-specificity in the existing strong-field models. Afterwards, we theoretically predict and describe the creation of extreme-ultraviolet (XUV) beams with novel angular momentum prop- erties, which, in most of the cases, are experimentally generated and characterized by our collaborators from the Kapteyn-Murnane group in JILA, at the University of Colorado (USA) and from the group of Prof. M.-Ch. Chen at the Institute of Photonics Technologies of the Tsing Hua University (Taiwan). To begin with, we demonstrate the generation, for the first time, of light beams with time-varying OAM, a property which we denote as the self-torque of light. Importantly, self- torqued beams arise naturally in the XUV regime from HHG driven by two time-delayed infrared vortex beams. Under this configuration, the OAM of the high-order harmonics changes along time in the attosec- ond time-scale, being the amount of self-torque controlled through the temporal properties of the driving pulses. Thus, we believe that self-torqued beams can serve as unprecedented tools for laser-matter manipulation. In addition, we show how the OAM can serve as an instrument to manipulate the spectral and divergence properties of the high-order harmonics. By driving HHG with two vortex beams with properly selected OAM, we obtain high-order harmonic frequency combs with tunable line-spacing and low divergence. Such control is particularly interesting for XUV/soft-X-ray spectroscopy and imaging. Moreover, we present several schemes for the ellipticity control of the high-order harmonics and attosecond pulses. Using the non-collinear counter-rotating scheme, we extract the scaling of the ellipticity of the high-order harmonics with that of the driving beams’ and we unveil the information about the non-perturbative dipole response hidden in that connection. Also, we show the generation of circularly polarized vortex beams from HHG driven by a bi-circular vortex field. Interest- ingly, by properly selecting the OAM of the driving field we can obtain either circularly polarized attosecond pulses, or high-order harmonics with low topological charge. Finally, we theoretically demonstrate the generation of attosecond pulse trains with time-ordered polarization states by combining two time-delayed bi-circular vortex driving fields. We believe that the generation of attosecond pulses with controlled ellipticity can be employed for the study of ultrafast spin dynamics in chiral molecules or magnetic materials. Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/149556 2021-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/149367 [ES] La irradiación con láser de pulsos de femtosegundos se ha instaurado como una de las técnicas más eficaces y versátiles para la escritura directa en materiales ópticos transparentes. La posibilidad de producir modificaciones locales controladas del índice de refracción del sustrato, unido a la flexibilidad que ofrece este método respecto a la elección del material a procesar (vidrios amorfos, monocristales, cerámicas policristalinas, etc.), hace que la técnica de microprocesado con láser haya adquirido una gran relevancia en numerosos campos de investigación, como por ejemplo, la fotónica integrada donde, gracias a esta técnica, es posible desarrollar dispositivos fotónicos integrados con diseños complejos tridimensionales. El trabajo de investigación de esta tesis se ha centrado en desarrollar una estrategia de fabricación de dispositivos fotónicos tridimensionales complejos que sea aplicable a cualquier material dieléctrico transparente cristalino, algo hasta ahora inexistente. Para ello, hemos escogido, por su versatilidad, un tipo de guía de onda denominado depressed-cladding, con sección circular para un mejor comportamiento modal, y sobre este elemento base se han desarrollado diferentes prototipos, se han fabricado en el laboratorio y se han caracterizado ópticamente. Los prototipos estudiados son piezas clave para la construcción de cualquier circuito fotónico complejo, como son las guías rectas, los divisores o los combinadores, tanto en el plano como en tres dimensiones (con cambios de profundidad en la muestra). Adicionalmente, se han desarrollado otros elementos fotónicos basados en esta estrategia como son las guías de onda con estrechamiento (tapering), de gran interés para el control modal de los dispositivos, o las matrices de guías de onda con acoplamiento evanescente. La prueba de concepto de todos estos elementos se ha realizado en varios dieléctricos cristalinos que son paradigmáticos por sus propiedades ópticas, como son el Nd:YAG (material con excepcional rendimiento como medio activo para láseres) o el LiNbO3 (material con fuerte comportamiento no lineal y electro-óptico), pero podrían implementarse en cualquier otro sin más que encontrar los parámetros óptimos de irradiación láser para su fabricación. Los buenos resultados obtenidos afianzan la técnica de microprocesado con láser de femtosegundos como la herramienta más versátil para la inscripción de dispositivos fotónicos tridimensionales en prácticamente cualquier material transparente, incluidos los medios cristalinos, para los cuales es especialmente difícil. Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/149367 2021-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/149310 [ES] El campo de la óptica no lineal lleva activo y en continuo crecimiento desde hace 60 años debido a los nuevos temas de investigación que surgen del estudio de la interacción láser-materia y sus posibles aplicaciones. En concreto, el desarrollo de nuevas fuentes de luz coherentes y ultracortas es de gran relevancia para explorar procesos fundamentales en la ciencia. Actualmente los pulsos de poco ciclos de duración en se pueden generar con técnicas de compresión basadas en efectos auto-inducidos por pulsos de luz intensos. La técnica de post-compresión que mejores resultados ha obtenido, con relación a la energía y a la duración del pulso, es aquella basada en fibra hueca llena de un gas. Las distintas estrategias que se necesitan para aumentar m ́a s la energía y conseguir pulsos cada vez m ́a s cortos a longitudes de ondas diferentes de las convencionales, conllevan al continuo desarrollo e investigación de esta técnica. El objetivo de esta tesis es encontrar nuevas propuestas para optimizar esta técnica de post-compresión. El hilo conductor de esta trabajo es el entendimiento de los efectos espacio-temporales no lineales que aparecen durante la propagación de distintos tipos de haces en la fibra hueca, intentando encontrar una solución al problema de escalado de la energía. En la introducción se presentar ́a un breve resumen del desarrollo y los avances consegui- dos con esta y otras técnicas en la actualidad. Las bases teóricas sobre la propagación no lineal de pulsos láser en fibra hueca se desarrollarán en el Capítulo 2. Se explicarán los distintos efectos espacio-temporales no lineales que aparecen en la propagación del pulso láser en la fibra y la ecuación de ondas no lineal. Los modelos numéricos implementados se detallarán en el Capítulo 3, se han utilizado tres modelos distintos, (1+1)D, (2+1)D y (3+1)D, entre los cuales, el (1+1)D y el (3+1)D se han desarrollado en este trabajo. Comenzaremos con el estudio de los efectos espacio-temporales no lineales que apare- cen en la propagación del modo fundamental de una fibra hueca y la influencia del confinamiento espacial del sistema como posibles factores que limitan el proceso de post-compresión, todo ello desarrollado en el Capítulo 4. En este mismo capítulo, iden- tificaremos los l ́ımites de energía para evitar efectos no lineales que desfavorecen el proceso de auto-compresión [Crego et al., 2019]. En los siguientes capítulos estudiaremos diferentes estrategias para conseguir pulsos ultracortos y energéticos. Primero, investigaremos la propagación no lineal de haces estructurados en fibra hueca. La ventaja de este tipo de haces es que se puede aumentar la energía de entrada del pulso ya que la intensidad está distribuida en un área mayor dentro del núcleo de la fibra. En particular, en el Capítulo 5 estudiaremos la propagación de haces con polarización que varía espacialmente, conocidos como haces vectoriales. La propagación no lineal de estos haces ha resultado complicada tanto teórica como experimentalmente. En el Capítulo 6, investigaremos la propagación no lineal de otro tipo de haz estructurado, los haces tipo ”necklace” con un numero diferente de cuentas o lóbulos, los cuales pueden llevar m ́as energía que el modo fundamental de la fibra hueca. El resultado principal de este estudio ser ́a la generación de haces ultracortos y energéticos en el visible con una alta eficiencia [Crego et al., 2021]. En Capítulo 7, estudiaremos la posibilidad de obtener pulsos ultracortos y energéticos a diferentes longitudes de onda mediante el proceso de generación de ondas dispersivas en la fibra hueca. En concreto, investigaremos la evolución de la energía y de la duración del pulso durante el proceso de generación de la onda dispersiva para poder obtener simultáneamente pulsos de pocos ciclos de duración y alta energía. Finalmente, en el Capítulo 8 resumiremos los principales resultados obtenidos en este trabajo y hablaremos de las posibles perspectivas y líneas de investigación. Tue, 01 Jun 2021 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/149310 2021-06-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/148580 [ES]Durante más de dos décadas, la aceleración de protones impulsada por láser ha sido un campo importante de investigación con un interés potencial para varias aplicaciones en diferentes campos de la física, la química y la ciencia de los materiales, así como en el área biomédica y el patrimonio cultural. Sin embargo, la interacción láser-materia es un proceso complejo que todavía no está totalmente controlado y la interacción resultante depende principalmente de los parámetros del láser y del plasma. Se están desarrollando diversas actuaciones para comprender el proceso detrás de este mecanismo a través de la caracterización de las propiedades espectrales y espaciales del haz de protones. Con la llegada de los láseres de alta potencia que funcionan con alta repetición, por lo tanto, es esencial un desarrollo cuidadoso de diagnósticos de partículas adecuados para el análisis en tiempo real de disparo a disparo. La tesis doctoral se centra en la generación, transporte y detección de una fuente de protones generada por láser. En la primera parte de la tesis se explorará la teoría de los protones y los electrones rápidos generados por la interacción de un pulso láser ultra intenso en un plasma sobredenso. En la segunda parte, se presenta el desarrollo de un detector de protones basado en centelleo, capaz de medir tanto la energía del haz de protones como su distribución espacial y capaz de operar en un modo de alta repetición. El detector ha sido diseñado y construido en el Centro de Láseres Pulsados (CLPU) y probado en colaboración con instalaciones europeas. El trabajo relacionado con el desarrollo de este nuevo diagnóstico, incluidas las investigaciones tanto teóricas como experimentales, se describe en la tesis. La parte final de la tesis está dedicada a los experimentos de puesta en marcha del sistema láser de petavatio VEGA-3. Se presentan la implementación de nuestro detector de centelleo y los resultados preliminares del experimento.; [EN]For more than two decades, laser-driven proton acceleration has been an important eld of research with a potential interest for several applications in di erent elds of physics, chemistry and material science as well as biomedical and cultural heritage. However, the laser-matter interaction is a complex process which is still not totally controlled and the resulting interaction depends mainly on laser and plasma parameters. Still many studies are carried out to understand the process behind this mechanism through the characterization of the spectral and spatial properties of the proton beam. With the advent of high power lasers working at high repetition rate, a careful development of particle diagnostics suitable for online shot-to shot analysis is therefore essential. The PhD thesis focuses on the generation, transport and detection of laser-driven proton source. The theory of protons and fast electrons driven by the interaction of ultra-intense laser pulse in overdense plasma will be explored in the rst part of the thesis. In a second part, the development of a scintillator-based proton detector, able to measure both the proton beam energy and its spatial distribution and capable of being set in a high repetition mode is presented. The detector has been designed and built at the Spanish Center for Pulsed Lasers (CLPU) and tested in collaboration with facilities across the EU. The work related to the development of this new diagnostic, including both theoretical and experimental investigations, is described in the thesis. The nal part of the thesis is dedicated to the commissioning experiments of the petawatt laser system VEGA 3, which has recently started the operation phase. Implementation of our scintillator detector and preliminary results of the experiment are presented Fri, 01 Jan 2021 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/148580 2021-01-01T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10366/147562 [EN]This thesis presents a comprehensive theoretical study of the process of high-order harmonic generation (HHG) induced by intense fewcycle infrared laser pulses in two different types of low dimensional carbon allotropes: 2D single layer graphene (SLG) and 1D singlewall carbon nanotubes (SWNTs). Our results show the emergence of a non-perturbative spectral plateau at large intensities but, unlike other more common systems, such as atoms, molecules or bulk solids, there is no simple law governing the scaling of the cut-off frequency. Interpreting this particular behavior allows to unveil the fundamental mechanism for HHG in those low dimensional carbon allotropic structures. Using a model for the emission dipole based on the saddlepoint approximation, we show that the first step for HHG in these carbon compounds is radically different from the tunneling ionization/excitation process found in gas systems and finite gap solids, and that is closely related to the singular geometry of their band structure. In this sense, we demonstrate the crucial role that Dirac points in graphene and van Hove singularities in SWNTs play in the creation of electron-hole pairs. We also show that the high-order harmonic response in SLG is highly anisotropic, making it possible to emit elliptically polarized harmonics from linear-polarized drivers, and linearly polarized harmonics from elliptically-polarized pulses; [ES]Esta tesis presenta un estudio teórico exhaustivo del proceso de generación de armónicos de orden alto (HHG) inducidos por pulsos láser infrarrojos, ultracortos e intensos, en dos tipos diferentes de alótropos de carbono de baja dimensión: grafeno monocapa 2D (SLG) y nanotubos de carbono de pared simple 1D (SWNTs). Los resultados obtenidos muestran la aparición de una meseta espectral no perturbativa cuando la intensidad del láser es lo suficientemente elevada, aunque a diferencia de otros sistemas más conocidos, como átomos, moléculas o sólidos semiconductores, no parece existir una ley simple que gobierne el escalado de la frecuencia de corte espectral con la intensidad del pulso. La interpretación de este comportamiento particular nos permite revelar el mecanismo fundamental para la HHG en esas estructuras alotrópicas. Usando un modelo para la emisión dipolar basado en la aproximación del punto de silla, mostramos que el primer paso para la HHG en estos materiales es radicalmente diferente del proceso de ionización/excitación por efecto túnel que se observa en sistemas gaseosos y en sólidos semiconductores, y que está estrechamente relacionado con la geometría singular de su estructura de bandas. En este sentido, demostramos el papel crucial que los puntos de Dirac en el grafeno y las singularidades de van Hove en los SWNTs juegan en la creación de pares electrón-hueco. También mostramos que la respuesta armónica de orden alto en SLG es altamente anisotrópica, lo que hace posible la emisión de armónicos polarizados elípticamente a partir de pulsos láser con polarización lineal, y de armónicos polarizados linealmente a partir de pulsos polarizados elípticamente. Mon, 01 Mar 2021 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10366/147562 2021-03-01T00:00:00Z