Frequency combs in the extreme ultraviolet [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Akira Ozawa

Akira Ozawa

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

Frequency combs in the extreme
ultraviolet
Akira Ozawa
Munchen¨ 2009Frequency combs in the extreme
ultraviolet
Akira Ozawa
Dissertation
an der Fakult¨at fur¨ Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Munc¨ hen
vorgelegt von
Akira Ozawa
aus Ibaraki, Japan
Munc¨ hen, den 13. 11. 2009Erstgutachter: Prof. Dr. Theodor W. H¨ansch
Zweitgutachter: Prof. Dr. Ferenc Krausz
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 21. 12. 2009Zusammenfassung
Optische Frequenzk¨amme sind zu unverzichtbaren Werkzeugen fur¨ die Metrologie und fur¨
die Hochfeld-Physik geworden, da sie in einzigartiger Weise hohe spektrale Au߬osung und
die hohen Spitzenintensit¨aten der erzeugenden Pulszuge¨ verbinden. Letztere k¨onnen benutzt
werden, um die ublic¨ herweise im Infraroten erzeugten Frequenzk¨amme mit Hilfe von nichtlin-
earen Prozessen wie der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) in den extrem-ultravioletten
(XUV) Spektralbereich zu erweitern, in dem eine direkte Erzeugung bisher nicht m¨oglich ist.
+¨Die hochpr¨azise Spektroskopie des 1s-2s- Ubergangs in He bei 61nm ist eine besonders
interessante Anwendungsm¨oglichkeit fur¨ einen leistungsstarken XUV-Frequenzkamm. Dieser
¨Ubergang verspricht Tests der Quantenelektrodynamik gebundener Systeme (QED) mit noch
nie dagewesener Genauigkeit, da Beitr¨age theoretisch schwer zu behandelnder Korrekturen
h¨oherer Ordnung hier zug¨anglicher sind als z.B. bei der (wohlbekannten) Spektroskopie des
¨1s-2s-Ubergangs in Wasserstoff. Da die ersten XUV-Frequenzk¨amme mit der n¨otigen hohen
Repetitionsrate nicht leistungsstark genug fur¨ ein Spektroskopieexperiment waren, ist die
Entwicklung von leistungsst¨arkeren XUV-Frequenzk¨ammen von gr¨oßter Bedeutung.
ImRahmendieserArbeitwurdeeinFrequenzkammgebaut,derdurchLeistungsub¨ erh¨ohung
in einem externen Resonator die Erzeugung hoher Harmonischer bei Wellenl¨angen bis hinab
zu 40nm erm¨oglicht. Die mittlere Leistung bei 61nm (entsprechend der 13ten Harmonis-
chen) betrug knapp 1µW. Diese 100’000-fache Verbesserung gegenub¨ er der ersten Genera-
tion von XUV-Frequenzk¨ammen hoher Repetitionsrate macht dieses System zum bis dato
leistungsf¨ahigsten seiner Art. Erm¨oglicht wurde dies zum einen durch die Erh¨ohung der
Pulsenergie durch das Absenken der Repetitionsrate auf 10MHz und zum anderen durch eine
außerst¨ sorgf¨altige Kompensation der Dispersion.
Trotz der großen Fortschritte befinden sich spektroskopische Anwendungen weiterhin an
der Grenze der Machbarkeit, so dass weitere Anstrengungen unternommen wurden, um die
beiden wichtigsten Einschr¨ankungen bei der Skalierung zu h¨oheren Leistungen zu bew¨altigen.
Deren erste ist die Verfugbark¨ eit von geeigneten Lasern mit hoher Leistung, die zweite die
niedrige Effizienz und die Nichtlinearit¨aten der ublic¨ herweise als XUV-Auskoppler eingeset-
zten Brewsterpl¨attchen.
Dem Bedarf an h¨oherer Leistung wurde durch den Aufbau eines kryogenen optischen
Verst¨arkers begegnet. Damit konnte die mittlere Leistung um den Faktor 4 verst¨arkt werden,
ohne dabei das Strahlprofil zu verzerren oder nennenswertes Phasenrauschen zu erzeugen.
Ein solcher Verst¨arker ist vielseitig einsetzbar und hat zahlreiche Anwendungen jenseits der
resonatorgestutzten¨ Erzeugung hoher Harmonischer.
Alseinem¨oglicheL¨osungdeszweitenProblemswurdedieErzeugungvonnicht-kollinearen
hohenHarmonischendemonstriert. BeidiesemAuskoppelmechanismuskreuzensichdieerzeu-
genden Strahlen unter einem Winkel, so dass das XUV-Licht entlang der Winkelhalbierenden
abgestrahlt wird, was einen Auskoppler unn¨otig macht. Wir konnten zum ersten Mal die
effiziente und zuverl¨assige Erzeugung kollimierter nicht-kollinearer Harmonischer in einer ex-
perimentellen Anordnung zeigen, die direkt auf Resonatoren ub¨ ertragbar ist. Dieser Ansatz
ist Gr¨oßenordnungen weniger verlustbehaftet als das ublic¨ he Brewsterpl¨attchen.
Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse stellen enorme Fortschritte in Richtung
eines zuverl¨assigen XUV-Frequenzkamms dar, der ausreichend Leistung fur¨ anspruchsvolle
Anwendungen wie die Spektroskopie oder die Laserkuhlung¨ bereitstellt.Abstract
Opticalfrequencycombshavebecomeanindispensabletoolforbothopticalfrequencymetrol-
ogy and high-field phyiscs, as they uniquely combine the extremely high spectral resolution
and the large peak intensities of their generating pulse trains. By nonlinear processes such as
highharmonicgeneration(HHG),thelattercanbeexploitedtoextendfrequencycombsfrom
the infrared, where they are usually generated, to shorter wavelengths down to the extreme
ultraviolet (XUV) spectral region where direct synthesis is not possible.
Among the possible applications of a high-power XUV frequency comb, high precision
+spectroscopy of the 1s-2s transition in He at 61nm is a particularly interesting example.
Such an experiment promises tests of bound-state quantum electrodynamics (QED) with
unprecedented precision by being more sensitive to theoretically challenging higher-order
corrections than e.g. hydrogen 1s-2s spectroscopy. However, the first demonstrations of high
repetition rate XUV frequency combs generated in external enhancement cavities did not
generate sufficient power for spectroscopy. Therefore, the development of high power XUV
frequency combs is of utmost importance for applications.
In this work the generation of a high power frequency comb in wavelength regions down
thto 40nm via intracavity HHG was demonstrated. The average power around 61nm (13
5harmonic) was close to 1µW (a 10 fold improvement over first generation sources) which
made it the most powerful XUV frequency comb demonstrated so far. The improvement
was achieved by lowering the repetition rate to obtain higher pulse energies and by elaborate
dispersion management.
Even with 1µW of average power spectroscopy experiments are still on the verge of feasi-
bility. Thus further efforts were made to overcome the two most important limitations that
impede progress. Those are the limited available seed power and the low efficiency and high
nonlinearities of the employed Brewster’s plate outcoupling method.
Thefirstlimitationwasmitigatedbythedemonstrationofacryogenichighrepetitionrate
single pass amplifier. We obtained a 4-fold improvement in average power without deforming
thebeamandwithnegligiblephasenoise. Suchanamplifierisaversatiletoolandnotlimited
to cavity-enhanced HHG applications.
Thesecondlimitationwasaddressedbyastudyofnon-collinearhighharmonicgeneration.
In this outcoupling method, two infrared driving beams that cross at an angle generate an
XUV frequency comb which propagates along their bisectrix. This renders the use of any
output coupler unneccessary. We demonstrated efficient, stable, and well-collimated non-
collinear high-harmonic emission in a setup applicable to an enhancement cavity for the first
time. The estimated loss is orders of magnitude lower than with the conventional Brewter’s
plate method.
The results obtained in the course of this work are important milestones towards reliable
high-power XUV frequency combs that make high precision spectroscopy or laser cooling in
this wavelength region possible.Contents
1 Introduction 9
1.1 Short pulses and frequency combs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Short in dispersive materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Generation of frequency combs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Measurement of carrier envelope offset frequency . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Applications of frequency combs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.1 A frequency reference for high precision spectroscopy . . . . . . . . . . 17
1.5.2 Direct excitation with frequency comb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
+1.6 High precision spectroscopy of He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.7 Frequency conversion into the ultraviolet region . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 XUV frequency comb generation with a femtosecond enhancement cavity 31
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 High harmonic generation (HHG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 Single atom response of HHG: perturbative regime . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 atom response of non-perturbative regime . . . . . . . . 33
2.2.3 Single atom response of HHG: numerical simulations . . . . . . . . . . 40
2.2.4 Other important remarks of high harmonic generation . . . . . . . . . 41
2.3 Femtosecond enhancement cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1 Femtosecond and continuous wave optical cavities . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 A basic model of a femtosecond cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.3 The effect of intracavity dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4 Experiments and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.1 Positively chirped oscillator at 10MHz repetition rate . . . . . . . . . 59
2.4.2 Enhancement cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . .