Construction of an Attosecond Interferometer for Two-Color Photoionization Experiments

Abstract

[ES]Los experimentos de fotoionización estudian los mecanismos por los que los electrones son separados de sus átomos tras absorber fotones de alta energía, constituyendo herramientas esenciales en la investigación de interacciones láser-materia. Este Trabajo de Fin de Grado se ha centrado en la optimización de un interferómetro que permite la realización de experimentos de fotoionización a dos colores bajo un esquema de tipo “pump-probe”. En ellos, un pulso láser de alta energía (el “pump”) se emplea para excitar un blanco, mientras otro pulso láser (el “probe”), menos intenso que el primero, monitoriza la evolución de este proceso en función del tiempo. Para empezar, se llevó a cabo un experimento de fotoionización a un solo color, donde un tren de pulsos de attosegundo en la región ultravioleta extrema (XUV por sus siglas en inglés) del espectro electromagnético fue creado mediante generación de altos armónicos (HHG). Tras el estudio del espectro resultante, esta radiación fue utilizada para ionizar un blanco gaseoso de argón. El proceso de fotoionización fue investigado por medio de un espectrómetro de imágenes de mapa de velocidad (VMI), que permitió el análisis de la distribución angular de los fotoelectrones generados. A continuación, se procedió con el experimento de fotoionización a dos colores, donde los trenes de pulsos de attosegundo fueron recombinados con la radiación infrarroja del sistema comercial de Titanio-Zafiro (Ti:Sa) que se empleó para generarlos. Tras la construcción e implementación de un telescopio galileano para reducir el tamaño del haz original, se observaron finalmente las conocidas como “sidebands” o “bandas laterales”: picos secundarios en el espectro de fotoelectrones debidos a la interacción de los fotoelectrones ionizados por la radiación XUV con el campo infrarrojo del sistema Ti:Sa ahora presente. Para concluir, se caracterizó un amplificador óptico paramétrico no comercial cuyo propósito consiste en la sintonización de la longitud de onda del “probe” en experimentos de fotoionización a dos colores futuros. Se analizaron la potencia, el espectro y la duración de los pulsos en sus dos etapas de amplificación, así como la estabilidad en intensidad del resultado final. También se comparó el rendimiento de dos cristales no lineales de diferentes grosores, y para cuantificar las fluctuaciones de la fase entre la onda portadora y la onda envolvente (CEP), se construyó un interferómetro de tipo “f-to-2f” y se desarrolló un algoritmo basado en Interferometría Espectral de la Transformada de Fourier (FTSI).

[EN]Photoionization experiments study the mechanisms by which electrons are pulled apart from their atoms after absorbing high-energy photons, and they represent ideal tools to investigate light-matter interactions. This Bachelor Thesis has been dedicated to the optimization of an attosecond interferometer which allows for two-color photoionization experiments under a pump-probe configuration. A high-energy laser pulse (the pump) is used to excite a certain target, while another laser pulse (the probe) monitors the evolution of this process as a function of time. To start with, a one color-field photoionization experiment was performed, where an attosecond pulse train in the extreme-ultraviolet range (XUV) was first created via high harmonic generation (HHG). After describing its spectrum, it was sent to ionize an atomic beam of argon. Photoionization was investigated using a velocity-map imaging (VMI) spectrometer, and the properties of the corresponding photoelectron spectrum were noted. A two color-field experiment followed, where the attosecond pulse train was recombined with the near-infrared (NIR) femtosecond output of the commercially produced Titanium-doped Sapphire laser system used to create it via HHG. After the construction and addition of a Galilean telescope to reduce the size of the original beam, sidebands in the photoelectron spectrum were finally observed as a result of the interaction of photoelectrons ionized by the XUV radiation with the NIR field. To conclude, the output of an optical parametric amplifier (OPA) was characterized with the purpose of using it as the probe in future two color-field experiments: power, spectrum and pulse duration were analyzed at both of its stages, as well as the intensity stability of the amplified output. The properties of the spectrum after amplification by two distinct nonlinear crystals with different thicknesses were also regarded. To measure the CEP fluctuations, an f-to-2f interferometer was built and a Fourier Transform Spectral Interferometry (FTSI) algorithm was implemented.