Verso il singolo ciclo ottico: sintesi coerente di amplificatori parametrici a larga banda

I recenti progressi nel campo dell'ottica ultraveloce sono stati scanditi dai numerosi sforzi orientati verso l'implementazione di sistemi dotati di una maggiore tunabilità spettrale e di impulsi di durata sempre inferiore. In merito alla possibilità di sintetizzare impulsi brevi, l'introduzione di sorgenti laser operanti in regime di mode-locking e allo sviluppo di tecniche di compressione sempre più efficaci hanno stimolato l'interesse della comunità scientifica verso il raggiungimento del limite ideale di durata temporale, ovvero il singolo ciclo ottico di oscillazione della portante.
Il seguente lavoro di tesi illustra un sistema in grado di produrre impulsi della durata di pochi cicli ottici, sfruttando un meccanismo di sintesi coerente. A partire da impulsi aventi origine da una sorgente laser di Ti:Zaffiro operante in regime di mode-locking (con durata ~150 fs), si è realizzato un apparato preposto alla generazione di un fascio dotato di una banda spettrale estesa su un'ottava (da 500 nm a 1000 nm), corrispondente per il teorema di Fourier ad un impulso di durata 3.3 fs. Tale dispositivo consta di un amplificatore parametrico infrarosso a doppio stadio, con cui è stato possibile produrre alternativamente un fascio di idler o di segnale infrarossi. Focalizzandolo uno dei due fasci all'interno di un opportuno cristallo, è stato possibile innescare il processo di generazione del supercontinuo per dimostrare la capacità di sintetizzare luce bianca con spettro continuo nella regione da 500 nm fino a 1000 nm. Il segnale a banda larga così ottenuto è stato usato per alimentare una nuova coppia di OPA, uno visibile per amplificare la regione tra 500 nm e 750 nm, l'altro infrarosso per amplificare la regione duale tra 750 nm e 1000 nm, ambedue pompati dalla seconda armonica degli impulsi generati dalla sorgente. I fasci prodotti dagli OPA sono quindi stati ricombinati per realizzare un unico impulso della durata di pochi cicli ottici: confrontando la durata del ciclo ottico della portante (2.3 fs), calcolata tramite una media delle singole componenti spettrali pesata sull'intensità associata a ciascuna di esse, con quella di un impulso transform limited di banda estesa da 500 nm a 1000 nm (3.3 fs), si è dedotta una durata dell'impulso di sintesi pari a 1 singolo ciclo ottico. Al fine di agganciare in fase i due fasci e stabilizzare l'intero processo di sintesi, è stato necessario infine implementare un sistema di sincronizzazione attivo che sfrutta la parziale sovrapposizione spettrale degli impulsi per rivelare un segnale di interferenza, regolata dal ritardo fra i due. Per mezzo di un fotodiodo bilanciato si sono potute quindi monitorare in tempo reale le fluttuazioni lente del ritardo di gruppo fra gli impulsi. Un attuatore piezoelettrico, in grado di controllare la differenza di cammino percorso dai fasci e comandato da un segnale di feedback generato dal fotodiodo, è stato quindi impiegato per compensare il ritardo. L'analisi delle frange di interferenza raccolte a retroazione spenta ha confermato la capacità del sistema di inseguire le fluttuazioni del ritardo nel tempo, essendo esse descrivibili su una scala temporale dell'ordine dei secondi. Allo stato attuale non sono ancora state raccolte frange ad anello chiuso, lasciando aperta una strada di investigazione futura del dispositivo.
Oltre alla possibilità di sintetizzare impulsi ultrabrevi di pochi cicli ottici, è stata sondata anche la capacità del sistema costruito di produrre impulsi a fase assoluta costante, grazie ad un meccanismo di stabilizzazione passivo basato sul fenomeno di generazione di frequenza differenza. Dati due impulsi di pulsazioni portanti omega_1 e omega_2 e con fase assoluta phi_ce1 e phi_ce2, il fenomeno garantisce infatti la possibilità di generare un fascio di pulsazione omega = omega_2 - omega_1 e fase phi_ce = phi_ce2 - phi_ce1 - pi/2. Assumendo dunque di innescare l'effetto a partire da due repliche identiche di uno stesso impulso, è possibile cancellare le eventuali fluttuazioni di fase assoluta nel fascio prodotto alla frequenza differenza. A tale scopo l'amplificatore infrarosso a doppio stadio è stato riarrangiato in una configurazione tale da restituire in uscita il fascio di idler (generato per frequenza differenza durante il processo di amplificazione). Si è dunque voluta testare la stabilità della sua CEP mediante un interferometro f-2f. Per prima cosa si è sfruttato l'idler per innescare la generazione del supercontinuo all'interno di una lamina di YAG, producendo un fascio bianco caratterizzato dalla sua stessa fase assoluta. Gli interferogrammi prodotti dall'interazione della seconda armonica dell'idler con la componente alla medesima frequenza del bianco sono stati infine analizzati tramite l'algoritmo FTSI per risalire alla fluttuazione della fase assoluta.