Compresión de pulsos ultracortos: Experimentos, simulaciones y generación de altos armónicos

Abstract

En este trabajo se realizó un estudio sobre la generación de pulsos de attosegundos, como continuación de investigaciones previas del grupo de investigación. El enfoque se centró en la compresión de pulsos ultrarrápidos mediante el uso de una celda multipaso, tanto experimental como numéricamente. Se construyó la celda experimentalmente, logrando la compresión de pulsos del orden de decenas de femtosegundos a pocos ciclos. Además, se realizó el desarrollo de un software para modelar esta compresión, ajustando los parámetros no lineales involucrados. Posteriormente, se modeló la generación de armónicos de orden superior (HHG) con el objetivo de calcular el pulso de attosegundos que podría obtenerse a partir del pulso experimental. A lo largo del documento, se presentan las bases teóricas necesarias para una comprensión integral del tema, incluyendo los avances actuales en la generación de pulsos de attosegundos, sus métodos de obtención y medición. Se analizan los múltiples fenómenos no lineales que intervienen en la compresión de pulsos, las técnicas más utilizadas, los tipos de materiales ópticos y la medición del ancho temporal. Se utilizó una técnica novedosa de compresión de pulsos, la celda multipaso, que consta de dos etapas: el ensanchamiento espectral y la poscompresión. En la primera etapa, se genera un ensanchamiento espectral del pulso inicial a través de fenómenos no lineales, como la automodulación de fase, con radiación propagándose en gas de argón a intensidades superiores a 10^{12} W/cm^2. Para el ensanchamiento espectral, se empleó una configuración simétrica de la celda con espejos de igual radio de curvatura y múltiples reflexiones. En la segunda etapa, la poscompresión, el pulso espectralmente ensanchado se somete a un sistema de compensación de fase espectral basado en un arreglo de chirped-mirrors, diseñado para corregir la dispersión acumulada durante la propagación. Con este procedimiento se obtienen pulsos de aproximadamente 3.1 ciclos ópticos (8.06 fs). Se implementaron dos enfoques numéricos para modelar la propagación del pulso en la celda multipaso y obtener su espectro: el método Split-Step Fast Fourier y el método de Crank–Nicolson. En particular, se desarrolló un software que emplea el método de Crank–Nicolson para simular la propagación del pulso a través de la celda multipaso, incorporando en el modelado la generación de plasma y los efectos de absorción no lineal debidos a la ionización multifotónica. Además, se analizó la contribución del plasma al proceso de ensanchamiento espectral. Con el pulso comprimido experimentalmente, se realizó un análisis cuántico para obtener el espectro de armónicos de alto orden, complementado con un análisis semiclásico para modelar las energías electrónicas en función de los tiempos de ionización y recombinación dentro de un pulso de pocos ciclos. Posteriormente, se estimó numéricamente el pulso de attosegundos filtrando el espectro de armónicos altos en torno al fotón de mayor energía, obteniéndose así una duración aproximada de 255 as.