Intense-field high-order harmonic generation: beyond the standard picture

Abstract

[EN] This thesis reports on theoretical investigation of the High-order Harmonic Generation (HHG) process beyond the standard procedure. According to the title, the term beyond refers to the fact we have developed and used an extension of the standard Strong-Field Approximation (SFA), denoted by us as SFA+. As we will see, this next order correction to the standard SFA consists of accounting for the ground-state dressing by the electromagnetic field. SFA+ has been developed in the standard framework of the S-matrix formalism without resorting to the saddle point approximation. Therefore it provides a compact, fully quantum (not semiclassical) description, allowing in many cases a more efficient computation. All results are tested against the 3D TDSE in a wide range of parameters, such as different pulse shapes, peak laser intensities and laser wavelengths. In the second part of this thesis (chapter 3) we will expose two new proposals to achieve high energy photons via HHG. Again, in consistence with the title, in this case the term beyond accounts the fact that we study how to increase the harmonic cut-off in the HHG spectra by different techniques from the conventional approaches. Our first method consists of sculpting the driving laser pulse delaying in time two pulses of the same color and overlaping they with an adequate delay. The resulting waveform presents particular advantages, in comparision with the conventional approaches, to increase efficiently the harmonic cut-off. Our second proposal emerges from the study of the HHG at ultra-high laser intensities, exceeding the usual regime (tunnel regime) where the HHG takes place. The HHG process beyond the tunnel regime has been scarcely studied in the literature. In this context a detailed study of the intra-cyle electron dynamics using classical trajectories as well as the full quantum analysis is carried out. Besides, the possibility of synthetising isolated attosecond pulses at this intensity regime, by means of ionization gating, is also investigated.

[ES]En esta tesis se lleva a cabo un estudio teórico del proceso conocido como Generación de Armónicos de Orden Alto en un contexto diferente al que habitualmente aparece en la literatura. De acuerdo con el título, en la primera parte de la tesis, el término "beyond" (más allá) implica que abordamos el estudio del citado proceso desarrollando primero, y usando después, una extensión del formalismo estandar conocido como Aproximación de Campo Intenso o SFA (de sus siglas en inglés Strong Field Approximation). Dicha extensión la hemos denotado como SFA+. Las dos aportaciones novedosas del formalismo SFA+ consisten, por un lado, en no utilizar la aproximación de fase estacionaria y por otro en tener en cuenta el efecto del campo externo en la dinámica del estado fundamental durante el proceso de interacción láser-átomo. La primera aportación mejora la descripción del proceso de generación de armónicos permitiendo una descripción puramente cuántica (y no semiclásica como la SFA estandar) del citado proceso. El segundo hecho, tiene importantes consecuencias en la correcta descripción del escalado de la eficiencia del espectro de armónicos al incrementarse la longitud de onda de láser incidente. Esta línea representa actualmente un campo de investigación teórico-experimental puntero en la Física de Láseres Intensos. En la segunda parte de ésta tesis se estudian dos nuevas técnicas para generar radiación coherente de alta energía, via la generación de armónicos. De nuevo, en consistencia con el título, en este caso, el término "beyond" alude al hecho de que las dos técnicas propuestas se basan en métodos diferentes a los convencionales para generar fotones en el rango de los rayos X blandos. La primera técnica consiste en " esculpir " el pulso láser incidente, dividiendo éste en dos réplicas idénticas y superponiéndolas con un retraso temporal adecuado justo antes de la interacción con el átomo. La forma de pulso así obtenida hace más eficiente el proceso de recombinación electrónica generándose así fotones de mayor energía que con un pulso convencional. La segunda técnica consiste en estudiar la generación de armónicos a altas intensidades láser, más alla del conocido régimen túnel, donde habitualmente tiene lugar el proceso de generación de armónicos. Esta situación apenas ha sido estudiada en la literatura. Mediante un estudio detallado de la dinámica que tiene lugar en los primeros ciclos de determinados pulsos láser, concluímos que la pérdida de eficiencia debido al efecto de la saturación puede ser evitada. Al mismo tiempo se aborda la posibilidad de sintetizar pulsos de duración temporal en el rango de los attosegundos mediante el abrupto vaciamiento del átomo usando la técnica conocida como "puerta de ionización ".