Coherent attosecond light sources based on high-order harmonic generationinfluence of the propagation effects

Resumen

[ES]Durante las últimas dos décadas, el avance en el campo de los láseres ultraintensos y ultracortos ha mejorado nuestra comprensión de la materia sometida a campos láser intensos. A diferencia de otros campos no perturbativos de la física, la disponibilidad de la tecnología de láseres intensos en laboratorios de tamaño medio a nivel mundial ha proporcionado una fructífera interacción entre la teoría y los experimentos. Esta tesis es un ejemplo de esta interacción. La radiación electromagnética intensa induce una fuerte respuesta no lineal en la materia. Los electrones atómicos adquieren energía del campo láser, que puede ser posteriormente liberada en forma de radiación coherente de alta frecuencia, en un proceso conocido como generación de armónicos de orden elevado (HHG, procedente de sus siglas en inglés). La ausencia de láseres convencionales a estas frecuencias elevadas ha impulsado el interés tecnológico en el desarrollo de HHG como herramienta para conseguir fuentes coherente de luz de longitud de onda corta. Hasta hace muy poco, la tecnología de láseres ultraintensos se limitaba a longitudes de onda del infrarrojo cercano (alrededor de 800 nm) y la conversión en armónicos de orden elevado se limitaba a la región del ultravioleta lejano (XUV). Actualmente, con la mejoría de las técnicas de inversión paramétrica, este límite se encuentra en los rayos X blandos. Sin embargo, desde el inicio se reconocieron las aplicaciones potenciales del proceso HHG, más allá de las naturales de una radiación coherente de alta frecuencia. El espectro de HHG consiste en un peine de armónicos que se extienden hasta la denominada frecuencia de corte. En la región espectral cercana a este corte, los armónicos tienen intensidades similares y, lo que es más interesante aún, su distribución de fase espectral es suave. Con estas dos premisas, tras filtrar el espectro de baja frecuencia, la radiación resultante se corresponde a un tren de pulsos ultracortos en la región XUV, con duraciones en torno a unos cuantos centenares de attosegundos (1 attosegundo = 10-18 segundos), espaciadas regularmente cada medio ciclo del láser incidente. Tras su confirmación experimental a comienzos del siglo XXI, éstos son considerados los pulsos de luz coherente más cortos jamás creados. Esta tecnología está dando sus primeros frutos, pues ya se han identificado distintas aplicaciones para discriminar procesos ultrarrápidos (en el régimen de los attosegundos) en la dinámica de sistemas físicos, químicos y biológicos. El objetivo de esta tesis es realizar una contribución novedosa y original en este campo. El núcleo principal de este estudio consiste en el desarrollo de métodos teóricos para simular los experimentos. Esta estrategia contiene una vertiente doble. En primer lugar, la teoría se utiliza para comprender los resultados obtenidos experimentalmente. Para ello hemos desarrollado nuestros propios experimentos, que contrastamos directamente con los resultados teóricos y, además, hemos colaborado con dos grupos experimentales a nivel internacional con el objetivo de simular sus experimentos. En segundo lugar, hemos aplicado nuestra teoría para predecir nuevos procesos físicos y, de este modo servir de guía para la realización de nuevos experimentos. El punto de partida de esta tesis se basa en la teoría SFA+, desarrollada previamente en el área de óptica de la Universidad de Salamanca, para el cálculo del proceso de generación de armónicos de orden elevado en un solo átomo, a nivel microscópico. Este método, así como una extensa introducción al proceso HHG, se expone a lo largo del capítulo 1. Nuestro primer objetivo ha sido desarrollar un esquema de propagación de los armónicos de orden elevado que permite la simulación del proceso a escala macroscópica, de manera que la teoría sea comparable a los experimentos. Para ello, hemos implementado una nueva técnica de propagación basada en la aproximación dipolar discreta. Esta técnica, así como los fundamentos para la comprensión de la propagación de armónicos de orden elevado, se desarrollan en el capítulo 2. En el capítulo 3 estudiamos la propagación de armónicos de orden elevado generados por campos láser de longitud de onda en el infrarrojo cercano, focalizados en chorros o celdas de gas de baja densidad. Como primer test, hemos analizado teórica y experimentalmente el cambio en las condiciones de ajuste de fases que resulta de situar el chorro de gas en distintas posiciones a lo largo del eje de propagación. Una vez validado nuestro método teórico experimentalmente, proponemos una alternativa para acortar los pulsos de attosegundo, mediante su detección bajo distintos ángulos desde el eje de propagación. Posteriormente presentamos un estudio de la longitud de coherencia transversal, comparando nuestros resultados teóricos y experimentales. Finalmente, hemos implementado la geometría de una celda de gas semi-infinita en nuestro código de propagación, con el objetivo de comprender los resultados experimentales obtenidos por el grupo de M. Kovacev, en la Universidad de Hannover (Alemania). En el capítulo 4 hemos modificado nuestro método para estudiar la generación armónicos de orden ultra-elevado, producidos utilizando láseres de longitud de onda en el infrarrojo medio (aproximadamente de 4 µm), en colaboración con el grupo teórico de A. Becker y A. Jaron-Becker, del JILA, en la Universidad de Colorado (EEUU). El resultado principal de este trabajo consiste en la demostración de la coherencia temporal de los rayos X con energía de kiloelectronvoltio obtenidos en el grupo experimental de M. Murnane y H. Kapteyn en el JILA, Universidad de Colorado (EEUU), que lideró una colaboración internacional en la que también participaron la Universidad Técnica de Viena (Austria), la Universidad de Cornell (EEUU) y nuestro grupo. Como continuación a este trabajo, y gracias al desarrollo de nuestros métodos teóricos, hemos derivado un camino para obtener pulsos de luz de rayos X en el régimen de los zeptosegundos (1 zeptosegundo=10-21 segundos).