FACULTAD DE CIENCIAS Departamento de Física Aplicada. Área de Óptica. Role of wavefront aberrations of amplified femtosecond pulses in nonlinear optics Tesis Doctoral Rocío BorregoVarillas Director: Javier Rodríguez Vázquez de Aldana Salamanca, Octubre 2012 2 “Los grandes conocimientos engendran las grandes dudas” Aristóteles 3 4 A mis padres. A mi hermana. 5 6 Agradecimientos Con el permiso de Javi y Luis, y saltándome por una vez todos los protocolos, las primeras personas a las que me gustaría dar las gracias son mis padres, simplemente porque os debo todo lo que soy. Habéis sido y seréis siempre mi mayor apoyo. Gracias papá, gracias mamá. Ahora sí, gracias a mi familia profesional. En primer lugar, a mi “padre” Javi, por haber sabido supervisar mi trabajo dándome a la vez la libertad necesaria para poder comenzar una carrera investigadora. Gracias por tu infinita paciencia y por todo lo que me has enseñado: eres todo un ejemplo de profesionalidad. Quizás uno de los agradecimientos más sencillos, y al mismo tiempo más sinceros, es para mi “abuelo” Luis, quien depositó una confianza ciega en mí desde el primer momento y me dio la oportunidad de formar parte de este gran equipo. A mis “tíos”, Íñigo y Julio, les quiero agradecer su desinteresada ayuda en todo momento, especialmente en el trabajo de los últimos meses, y a mis “tías” Isabel y Ana por introducirme, junto con Viqui, en el mundo de la Óptica y más tarde en el de la enseñanza. También a Chuspi, quien supo transmitir con creces el entusiasmo por lo que hace y su pasión por la Física. A mis “hermanos”, de forma muy especial a Carolina por hacer las horas de laboratorio más amenas; a Benja, mi compañero de fatiga en las medidas sistemáticas, y a mi “hermana” mayor, Cruz, que es el alma del laboratorio y que estuvo ahí desde el principio. Junto a ellos, al resto de “hermanitos” de doctorado (Alexis, Camilo G., Carlos, Fran, Jose, Jose Luis y Warein) por todos los buenos momentos compartidos, los detectores de germanio y haber ejercido incluso de directores de tesis. A mis “tíos” Camilo, Enrique, Pablo, Plaja y Ricardo por su apoyo y orientación profesional en todo momento. A todo el equipo técnico (de forma especialmente cariñosa a Isa, Óscar, Javi Santa y Juan) por su ayuda en las cuestiones del laboratorio y, sobre todo, su paciencia en mis “un ratito más”. Al personal de administración – con un guiño personal a Cristina, Javier y Yaiza – por tener siempre preparada una sonrisa con la que alegrar los días de trabajo más duros. En general, os debo mucho a las personas que componéis el grupo de Óptica de la USAL y el CLPU, tanto a nivel profesional, como a nivel personal. Gracias a todos y cada uno de vosotros. Ich danke der Gruppe von Prof. Krausz am MPQ, besonders Prof. Stefan Karsch und Dr. Zsuzsanna Major. Vielen Dank für eure Geduld und alles, was ihr mir beigebracht habt. Ich danke auch Dr. Jens Rauschenberger, der mir als Sommerstudentin beaufsichtigt hat. Danke auch zu Christoph Skrobol, der meine Arbeit in Deutschland versüßt hat, und Thomas Ganz, der mir geholfen hat einige wichtige Entscheidungen zu treffen. Ihr seid nicht nur (wunderbare) Kollegen, aber auch sehr gute Freunden. Quedándonos en el terreno nacional, me gustaría dar también las gracias al Grupo de Óptica de la Universidad de Castellón (especialmente a Dr. Omel Mendoza-Yero y Dr. Gladys Mínguez-Vega) 7 y al Laboratorio de Óptica de la Universidad de Murcia (de forma muy especial a Dr. Juanma Bueno), por todo el entusiasmo que han puesto en los proyectos conjuntos. Volviendo al plano personal, tengo que dar las gracias al resto de mi familia, de forma muy especial a mi tía Conchita y a Kika, quienes tantas tardes me han amenizado. Se dice que los amigos son la familia que escogemos. A los míos solo les puedo decir: ¡gracias por formar parte de mi familia! A Ana, Ester, Julio, Fran, Raisa y Raúl por estar siempre dispuestos a escuchar y por sus insistentes “¿qué has descubierto hoy?”. A Chisi y Juanmi, y a los molineros en general, por los todos los momentos de risas y diversión. Como para el final siempre se deja lo mejor, cierro los agradecimientos con la que, junto a aquellos con los que los empecé, es la persona más importante para mí: mi hermana Paloma (y su inseparable Piña), que en todo momento sabe cómo sacarme una sonrisa. Eres un ejemplo de superación del que todos deberíamos aprender. Salamanca, a 20 de octubre de 2012 8 Acronyms List CPA: Chirped Pulse Amplification DFG: Difference Frequency Generation DL: Diffractive Lens FROG: Frequency Resolved Optical Gating FWHM: Full Width Half Maximum GDD: Group Delay Dispersion GVD: Group Velocity Dispersion GVM: Group Velocity Mismatch HHG: High Harmonic Generation NA: Numerical Aperture OPA: Optical Parametric Amplification OPCPA: Optical Parametric Chirped Pulse Amplification OPG: Optical Parametric Generation OPO: Optical Parametric Oscillator PM: Phase Matching PtV: Peak-to-Valley RMS: Root Mean Squared SC: Supercontinuum SEA TADPOLE: Spatial Encoded Arrangement for Temporal Analysis by Dispersing a Pair of Light E-fields SHG: Second Harmonic Generation SPIDER: Spectral Phase Interferometry for Direct Electric field Reconstruction SPM: Self Phase Modulation 9 STARFISH: Spatio-Temporal Amplitude and phase Reconstruction by Fourier-transform of Interference Spectra of High-complex-beams SVEA: Slowly Varying Envelope amplitude Approximation THG: Third Harmonic Generation X-FROG: Cross- Frequency Resolved Optical Gating WFS: Wavefront Sensor 10 Contents Agradecimientos ............................................................................. 7 Acronyms List ................................................................................ 9 Introduction .................................................................................. 17 1.1. A brief history of intense ultrafast lasers .............................................................................. 17 1.1.1 The chirped pulse amplification technique ..................................................................... 18 1.1.2 A revolution in physics ................................................................................................... 20 1.1.3 Towards a promising future ............................................................................................ 21 1.1.4 Laser systems at the University of Salamanca ................................................................ 22 1.2. Nonlinear optics: a vibrant field ........................................................................................... 23 1.3. Motivation ............................................................................................................................. 26 1.4. Thesis outline ........................................................................................................................ 27 1.5. Publications .......................................................................................................................... 29 Spatial characterization of intense short pulses: applications ..... 31 2.1. Introduction: importance of spatial quality .......................................................................... 31 2.2. Quantitative criterions .......................................................................................................... 33 2.2.1 Strehl ratio ....................................................................................................................... 33 2.2.2 M2 factor ......................................................................................................................... 33 2.3. Wavefront aberrations .......................................................................................................... 33 2.3.1 Units ................................................................................................................................ 34 2.3.2 Pupil definition ............................................................................................................... 34 2.3.3 Peak-to-valley and RMS ................................................................................................. 34 2.3.4 Zernike polynomials ....................................................................................................... 34 2.3.5 Point spread function (PSF) ............................................................................................ 35 2.4. Wavefront sensing ................................................................................................................. 36 2.4.1 Wavefront sensors ........................................................................................................... 36 2.4.1.1 Hartmann-Shack .......................................................................................................... 36 2.4.1.2 Multiwave lateral shearing interferometry ................................................................... 37 2.4.2 Imaging systems ............................................................................................................. 38 2.5. Characterization of our laser ............................................................................................... 38 2.5.1 Aberrations in terawatt class lasers ................................................................................. 38 2.5.2 Description of our sensor ................................................................................................ 39 2.5.3 Wavefront ......................................................................................................................