Diseñando haces de luz láser estructurados.

Abstract

[ES]El desarrollo de los haces de luz láser durante los últimos años nos permite hoy en día realizar patrones de luz láser que hace unos años eran impensables. El desarrollo de luz láser estructurada está íntimamente relacionado con las propiedades de momento angular de la luz. Por un lado, la luz posee momento angular de espín, asociado con su polarización (lineal, elíptica o circular). Por otro lado, la luz posee momento angula orbital, o dicho de otra manera, podemos diseñar vórtices de luz, haces especiales en los que el frente de ondas gira según avanza el tiempo, de la misma manera que lo hacen los torbellinos de viento. Existe un creciente interés en el desarrollo de haces de luz estructurada (es decir, con momento angular), con dos propiedades que los hacen muy interesantes: de longitud de onda corta (más allá del ultravioleta), y en forma de pulsos ultracortos (hacia los femto y attosegundos). En este trabajo pretendemos explorar la generación de haces de luz estructurados con estas dos propie dades. Para ello realizaremos modelos de difracción que nos permitan entender cómo combinar las propiedades de momento angular de espín y orbital en el proceso de generación de armónicos de orden alto. Para estudiar cómo se propagan los haces de luz estructurados se diseña un modelo de difracción de Fraunhofer, en el programa MATLAB. Aquí implementamos un código que resuelve numéricamente la propagación de diferentes haces estructurados, desde casos sencillos hasta combinaciones más complejas, adquiriendo propiedades relacionadas con los vórtices y con el momento angular comentado. Esta herramienta informática nos permite conocer el campo cercano y el lejano, lo que nos permite comparar y entender su comportamiento y propagación. Resulta especialmente interesante analizar haces incidentes generados por mezcla de dos modos, cuya polarización resultante no es homogénea; es decir, en cada punto del espacio tiene una dirección. En este trabajo comprendemos cómo cambia esta inclinación de la polarización del campo lejano respecto al cercano. Además, trabajamos con haces de luz con momento angular orbital, en concreto con modos Laguerre-Gauss, y analizamos cómo se transfiere la fase espacial de vórtices de luz entre el campo cercano y el lejano. Por último, en este trabajo usamos un modelo sencillo para estudiar la generación de armónicos de orden alto a partir de haces estructurados. Implementamos un modelo para simular la generación de armónicos tras pasar por un gas o un medio no lineal. Este modelo se define en función de dos variables, el parámetro p, que refleja el escalado de la amplitud de los armónicos en la del haz incidente y el parámetro q, que nos indica el armónico que queremos calcular. Este modelo sencillo nos permite identificar trazas del carácter no perturbativo del proceso en la generación de armónicos mediante haces estructurados.

[EN]The development of laser light beams during the last few years allows us today to realize laser light patterns that were unthinkable a few years ago. The development of structured laser light is closely related to the angular momentum properties of light. On the one hand, light possesses spin angular momentum, associated with its polarization (linear, elliptical or circular). On the other hand, light possesses orbital angular momentum, or in other words, we can design light vortices, special beams in which the wavefront rotates as time progresses, in the same way, that wind whirlwinds do. There is a growing interest in the development of structured light beams (i.e., with angular momentum), with two properties that make them very interesting: short-wavelength (beyond the ultraviolet), and in the form of ultrashort pulses (towards femto and attoseconds). In this work, we intend to explore the generation of structured light beams with these two properties. To do so, we will perform diffraction models that allow us to understand how to combine spin and orbital angular momentum properties in the process of generating high-order harmonics. To study how structured light beams propagate, a Fraunhofer diffraction model is designed in MATLAB. Here we implement a code that numerically solves the propagation of different structured beams, from simple cases to more complex combinations, acquiring properties related to the vortices and the angular momentum commented. This computational tool allows us to know the near and far-fields, which allows us to compare and understand their behaviour and propagation. It is especially interesting to analyze incident beams generated by mixing two modes, whose resulting polarization is not homogeneous; that is, at each point in space it has a different direction. In this work, we understand how this inclination of the far-field polarization changes with respect to the near-field polarization. We also work with light beams with orbital angular momentum, specifically with Laguerre-Gauss modes, and analyze how the spatial phase of light vortices is transferred between the near and far-fields. Finally, in this work, we use a simple model to study the generation of high-order harmonics from structured beams. We implement a model to simulate the generation of harmonics after passing through a gas or a nonlinear medium. This model is defined in terms of two variables, the p parameter, which reflects the scaling of the amplitude of the harmonics in that of the incident beam and the q parameter, which tells us the harmonic we want to calculate. This simple model allows us to identify traces of the non-perturbative character of the process in the generation of harmonics using structured beams