Study of high-order harmonic generation effects under variations of focusing conditions of few cycle laser pulses

Abstract

[ES] Hoy en dia los pulsos laser de femtosegundo son generados rutinariamente y, gracias a su alta potencia pico y corta duracion, se usan en un amplio n umero de aplicaciones, desde el ambito industrial al m edico o cient co. Por ejemplo son aplicados para observar el movimiento de las moleculas dentro de una reacci on qu mica, o para acelerar electrones o incluso part culas m as pesadas. La presente tesis de doctorado est a dedicada a una de las multiples aplicaciones de los pulsos de femtosegundo: la generaci on de arm onicos de orden alto (HHG). HHG es un proceso donde un pulso de alta potencia genera nuevas frecuencias, por encima del l mite actual de longitudes de onda accesibles con laseres convencionales. Temporalmente, la radiaci on generada es emitida en forma de un tren de pulsos con una duraci on de centenares de attosegundos (incluso decenas en algunos casos), lo que a~nade inter es a esta aplicaci on. En los experimentos detallados en este trabajo estudiamos la dependencia de la HHG en parametros clave del proceso, como son la fase del pulso generador, la posici on del jet de gas o las condiciones de focalizaci on. Esto nos permite controlar las caracter sticas de la radiaci on XUV emitida. Adem as, analizamos la relevancia de la propagaci on macrosc opica de estas nuevas frequencias, incluyendo una comparaci on con simulaciones te oricas. Ya que la HHG precisa de pulsos de femtosegundo, se hace necesario entender c omo trabajar con ellos. Con este prop osito, en el primer cap tulo de la tesis se describen los pulsos de femtosegundo, inclu da su generaci on, caracterizaci on y propagaci on. Hemos usado nuevas t ecnicas de caracterizaci on, como STARFISH, o desarrollado otras como la versi on en un solo disparo de l d-scan. Se han estudiado tambi en los efectos no lineales que aparecen en la propagaci on de un pulso de femtosegundo, los cuales inducen cambios en su espectro y per l espacial. En el segundo cap tulo, se describe la HHG, el montaje experimental del que se dispone en el laboratorio y los principales resultados. El primer experimento analiza la in uencia de la propagaci on no lineal en el gas en los arm onicos emitidos. Adem as, se han realizado dos experimentos para estudiar la in uencia del acuerdo de fase en la generaci on de radiaci on XUV, en los que se ha visto que juega un papel fundamental en la creaci on de un continuo en el espectro XUV y en la dependencia con la CEP del pulso generador. Tambi en se han estudiado focalizaciones alternativas, como es el uso de un singlete con aberraci on crom atica o de un v ortice infrarrojo con momento angular orbital.

[EN] Femtosecond laser pulses are nowadays routinely generated and, thanks to their high peak power and short duration, are used in a wide range of applications, either industrial, medical or scienti c. They are used, for instance, to observe the molecular motion inside a chemical reaction, or to accelerate electrons or heavier particles. This PhD thesis is devoted to one of the many applications of femtosecond pulses: the high-order harmonic generation (HHG). HHG is a process where a high power pulse drives the generation of new frequencies, far beyond the current limit of wavelengths achievable with conventional lasers. Temporally, the radiation generated is emitted in bursts of pulses with a duration of hundreds of attosecond (even dozens in some cases), which adds interest to this application. In the experiments presented in this work we study the HHG dependence on key parameters in the generation, such as phase of the driving pulse, gas-jet position or focusing conditions. This allows us to control the characteristics of the emitted XUV radiation. In addition, macroscopic propagation of the new frequencies relevance in the emitted radiation is examined through comparison to theoretical simulations. Since HHG is driven by femtosecond pulses, it is essential to understand how to work with them. For this purpose, in the rst chapter of the thesis, femtosecond pulses are described, including their generation, characterization and propagation. Novel techniques of characterization have been used, as STARFISH or developed, as single-shot d-scan (developed in Paper I), which are detailed in Section 1.3. Propagation of femtosecond pulses can lead to nonlinear e ects that induce spectral and spatial changes in the pulse, as explained in Section 1.4. During this thesis work, we have studied two nonlinear propagation regimes: Paper II is devoted to study how the driving pulse lamentation a ects on the HHG, and Paper III is dedicated to post-compression in hollow core- ber. In the nal section, laser systems used in this thesis work are described. In the second chapter, HHG is described and main results reported. In Section 2.2 the experimental setup employed is detailed, and the following sections are devoted to the experiments carried out. In Paper IV the in uence of the phase-matching in the CEP dependence of the harmonics is studied, while in Paper V we analyze the generation of extreme ultraviolet (XUV) continuum. Finally, alternative focusing schemes are examined: in Paper VI, infrared generating pulses are focused by means of a chromatic singlet lens, while in Section 2.5.2, XUV vortices are generated by using a driving pulse with orbital angular momentum.