Ultrafast Mid-Infrared Tunable Laser Sources

Os lasers de alta potência e impulsos ultra-curtos na região do infravermelho médio (IR-médio, ~3—8 μm) têm atraído crescente interesse da comunidade laser na última década, devido às suas aplicações em importantes áreas como física de campo intenso. Em comparação com sistemas ultra-curtos com dimensões na escala de metros no IR-próximo, os lasers de IR-médio têm um potencial maior para gerar harmónicas mais altas, suportando durações extremamente curtas na ordem de poucos attossegundos, devido à extensão da energia de corte com o comprimento de onda do laser instigador do processo. Um esforço significativo tem sido colocado no desenvolvimento e refinamento desta tecnologia, levando a vários avanços científicos.

No entanto, o dimensionamento destes sistemas para atingir energias no nível do mJ é ainda um desafio elevado devido à quantidade limitada de materiais transparentes e dispositivos no IR-médio, normalmente caracterizados por limiares de dano mais baixos e perdas mais altas. A escassez de lasers ultra-curtos de estado sólido no domínio espectral de IR-médio limitam a geração de impulsos energéticos a técnicas não-lineares, como a Amplificação Paramétrica Óptica de Impulsos Chirpados (OPCPA). Estes métodos permitem não só a capacidade fundamental de amplificação de banda larga, mas também permitem uma ampla sintonização de banda, o que os torna ainda mais atrativos.

Nesta tese, investigamos e avaliamos a estratégia ideal para atingir impulsos de poucos ciclos na ordem do mJ no infravermelho médio, apresentando o trabalho realizado com três sistemas diferentes motivados pela sua capacidade em gerar impulsos próximos ou na região de infravermelho médio.

O trabalho descrito inclui: (i) optimização, caracterização e compressão do sistema OPCPA já em operação com impulsos auxiliares próximos da região do infravermelho médio. (ii) Estudos numéricos para geração de impulsos ultra-curtos de alta energia no infravermelho médio usando cristais não lineares para OPCPA de banda ultra-larga. Avaliamos várias alternativas para obter impulsos altamente energéticos de 3 μm com alto ganho e eficiência, em estágios simples e múltiplos. (iii) Dimensionamento de uma OPCPA no infravermelho médio para alcançar impulsos de poucos ciclos e de multi-mJ através da extensão das capacidades do sistema de laser no L2I/IST. Discutimos os passos para a implementação de um novo sistema de impulsos de 3 μm, ultra-curtos (5 ciclos ópticos) e de alta energia (5 mJ), e analisamos os principais desafios. (iv) Compressão de impulsos de alta energia na região do infravermelho médio.

Avaliamos detalhadamente a compressão de diferentes impulsos no infravermelho médio gerados pelo sistema OPCPA nas instalações do AUO-ICFO. Potencial para atingir impulsos tão curtos quanto 55 fs a 7 μm, correspondendo a 2,4 ciclos, é demonstrado através da auto-compressão em materiais finos.