Manuscript of my PhD dissertation entitled “Spatiotemporal Characterization of Ultrashort Laser Pulses“, in which the development and applications of the STARFISH characterization technique are presented (download file here or direct PDF link).
Summary of the Thesis:
This thesis is devoted to the development of a technique for the measurement of the spatiotemporal amplitude and phase of ultrashort laser pulses and its applications. The core of the thesis is divided into three parts, which correspond to the presentation of the technique (Part I), its applications to diffractive optics (Part II) and to nonlinear optics and few-cycle pulses (Part III). Each part is divided into three chapters. The core of the thesis is preceded by an introductory chapter, which contains the scope and motivation of the thesis, the basic concepts about ultrashort laser pulses, and the state of the art of the already existing techniques for pulse characterization. Part I begins with a review of the temporal pulse characterization carried out by means of spectral interferometry (Chapter 2). Then, in Chapter 3, its extension to the spatial domain is introduced and, finally, in Chapter 4 we present the technique that we developed for spatiotemporal pulse characterization (STARFISH), which is based on a fiber optic coupler as part of the interferometer. In Part II, we will present its applications where diffractive optical elements in linear propagation regime are involved. This part covers the fundamentals of spatiotemporal coupling during propagation of pulses diffracted by a zone plate (Chapter 5), the application to a focusing kinoform diffractive lens, including the frequency-resolved wavefront measurement (Chapter 6), the production of fractal-shaped pulses and a dispersion compensated module for a diffraction grating (Chapter 7). The application to nonlinear processes and few-cycle pulses is discussed in Part III. In Chapter 8, we track the propagation dynamics of intense pulses under the regime of filamentation. Then, we present the application of STARFISH to few-cycle pulses delivered by an ultrafast oscillator (Chapter 9) and after post-compression of amplified pulses in a hollow-core fiber (Chapter 10). Finally, the main conclusions of this thesis are highlighted. The characteristics of the laser systems employed in the experiments are detailed in Appendix A.
Resumen de la Tesis
El propósito de esta Tesis es el desarrollo de una técnica para medir la amplitud y fase espaciotemporal de pulsos láser ultracortos y sus aplicaciones. El núcleo de la Tesis se divide en tres partes, que corresponden a la presentación de la técnica (Parte I), las aplicaciones a óptica difractiva (Parte II) y a óptica no lineal y pulsos de pocos ciclos ópticos (Parte III). Cada parte se divide en tres capítulos. Previamente, el capítulo introductorio contiene el marco y la motivación de la Tesis, los conceptos básicos sobre pulsos láser ultracortos, y el estado del arte de las técnicas ya existentes para la caracterización de los pulsos. La Parte I comienza revisando la caracterización de pulsos por medio de interferometría espectral (Capítulo 2). Entonces, se introduce su extensión al dominio espacial en el Capítulo 3 y, finalmente, en el Capítulo 4 presentamos la técnica que hemos desarrollado para la caracterización espaciotemporal de los pulsos (STARFISH), la cual se basa en un acoplador de fibra óptica como parte del interferómetro. En la Parte II, presentamos las aplicaciones que involucran elementos ópticos difractivos en régimen de propagación lineal. Esta parte cubre los fundamentos del acoplamiento espaciotemporal durante la propagación de pulsos difractados por una placa zonal (Capítulo 5), la aplicación a una lente difractiva kinoforme incluyendo la medida del frente de ondas resuelto espectralmente (Capítulo 6), la producción de pulsos fractales y un módulo compensador de dispersión para una red de difracción (Capítulo 7). La aplicación a procesos no lineales y a pulsos de pocos ciclos se presenta en la Parte III. En el Capítulo 8, estudiamos la dinámica de la propagación de pulsos intensos en el régimen de filamentación. Entonces, presentamos la aplicación de STARFISH a pulsos de pocos ciclos generados en un oscilador ultrarrápido (Capítulo 9) y después de la post-compresión de pulsos amplificados en una fibra hueca (Capítulo 10). Posteriormente, se resaltan las principales conclusiones de la Tesis. Las características de los sistemas láser empleados en los experimentos en el Apéndice A. Finalmente, se incluye un resumen extenso de la Tesis en castellano.
