Optimization of the Post-Compression Process of Ultrashort Laser Pulses in Hollow Capillary Fibers

Abstract

[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.