Optimization of the post-compression process of ultrashort laser pulses in hollow capillary fibers

Resumen

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 pocos ciclos de duración 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 por el momento, 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 más la energía y conseguir pulsos cada vez más 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 este 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 presentará un breve resumen del desarrollo y los avances conseguidos 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. En este mismo capítulo, 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. En primer lugar, se estudiarán los efectos espacio-temporales no lineales que aparecen 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 se desarrollará en el Capítulo 4. En este mismo capítulo, se identificarán los límites de energía para evitar efectos no lineales que desfavorecen el proceso de auto-compresión [Crego et al., 2019]. En los siguientes capítulos se investigarán diferentes estrategias para conseguir pulsos ultracortos y energéticos. Primero, se estudiará 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 se estudiará 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, se investigará la propagación no lineal de otro tipo de haz estructurado, los haces tipo "necklace" con un número diferente de cuentas o lóbulos, los cuales pueden llevar más energía que el modo fundamental de la fibra hueca. El resultado principal de este estudio será la generación de haces ultracortos y energéticos en el visible con una alta eficiencia [Crego et al., 2021]. En el Capítulo 7, se estudiará 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. Se realizará un escalado de los parámetros del láser y de la fibra para poder obtener la misma dinámica no lineal y emisión de la onda dispersiva para distintas longitudes de onda del láser. También se investigará 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 se resumirán los principales resultados obtenidos en este trabajo y se hablará de las posibles perspectivas y líneas de investigación.