Full vector-field control of femtosecond laser pulses with an improved optical design: = Vollständige Kontrolle des Vektorfelds von Femtosekunden-Laserpulsen mit einem verbesserten optischen Design
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Würzburg
2015
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adam_text | FULL VECTOR-FIELD CONTROL OF
FEMTOSECOND LASER PULSES WITH
AN IMPROVED OPTICAL DESIGN
D IS S E R TA TIO N ZUR E R LA N G U N G
D ES N A TU R W ISSE N SC H A FTLIC H E N D O K TO R G R A D E S
D ER B A Y E R ISC H E N J U LIU S-M A X IM ILIA N S-U N IV E R SITAE T W
UE RZB U RG
VORGELEGT VON
C H R ISTO P H B E N JA M IN S CH W ARZ
AUS COBURG
WUERZBURG 2015
CONTENTS
LIST OF PUBLICATIONS III
1 INTRODUCTION 1
2 THEORETICAL AND EXPERIMENTAL BACKGROUND 5
2.1 ULTRASHORT LASER PULSES IN TIME AND FREQUENCY D O M A I N
................................
5
2.2 POLARIZATION DESCRIPTION AND REP RESEN TATIO N
.................................................... 9
2.3 GAUSSIAN BEAM PROFILE
.......................................................................................
12
2.4 JONES MATRIX FORM ALISM
.......................................................................................
15
2.5 PULSE CHARACTERIZATION
.......................................................................................
17
2.5.1 KNIFE-EDGE S C A N
.......................................................................................
17
2.5.2 DUAL-CHANNEL FOURIER-TRANSFORM SPECTRAL IN TE RFE RO M E TRY
.................. 19
2.5.3 FREQUENCY-RESOLVED OPTICAL G A T I N G
....................................................... 22
3 VECTOR-FIELD CONTROL 25
3.1 PRINCIPLES OF LC SUM PULSE SH A P IN G
................................................................
25
3.1.1 FREQUENCY-DOMAIN S H A P IN G
.................................................................... 25
3.1.2 TEMPORAL SHAPING W IN D O W
.................................................................... 28
3.2 CONVENTIONAL DUAL-LAYER PULSE S H A P E R
.............................................................
30
3.2.1 SHAPING CAPABILITIES
................................................................................
30
3.2.2 APPLICATIONS OF PHASE, AMPLITUDE, AND POLARIZATION SHAPING .... 32
3.3 IMPROVED VECTOR-FIELD C O N TRO
L.............................................................................
33
3.3.1 FULL POLARIZATION C O N T R O L
.......................................................................
33
3.3.2 AMPLITUDE AND LIMITED POLARIZATION CO N TRO L
........................................
36
3.4 FULL VECTOR-HELD C O N TRO
L.......................................................................................
38
3.4.1 INTERFEROMETRIC VECTOR-HELD S H A P I N G
...................................................
39
3.4.2 4-LAYER VECTOR-HELD S H A P IN G
.................................................................... 45
3.5 SUMMARY
.............................................................................................................
48
4 DESIGN OF THE VECTOR-FIELD SHAPER 51
4.1 NUMERICAL CALCULATIONS OF THE 4 / S E T U P
.......................................................... 52
4.2 POLARIZATION SPLITTING AND RE C O M B IN A TIO N
....................................................... 56
4.2.1 WOLLASTON P RIS M
.......................................................................................
56
4.2.2 THIN-FILM P O LA R IZ E R
.................................................................................
58
4.3 TELESCOPE RAY TR A C IN G
..........................................................................................
60
4.4 COMPLETE VECTOR-HELD SHAPER SETUP
................................................................
68
4.5 POSSIBLE IM P RO V EM E N
TS.......................................................................................
70
4.6 SUMMARY
..............................................................................................................
73
5 SOFTWARE IMPLEMENTATION
5.1 PARAMETERIZATIONS FOR PULSE M A N IP U LA TIO N
......................
5.1.1 CALIBRATION B A S I S
...................................................
5.1.2 PIXEL BASIS AND SPECTRAL B A S IS .............................
5.1.3 SPECTRAL TAYLOR B A S I S
.............................................
5.1.4 POLARIZED FOUR-PULSE B A S IS
...................................
5.1.5 POSSIBLE EXTENSIONS AND FUTURE PARAMETERIZATIONS
5.2 VFS CONTROL C E N T E R
..........................................................
5.3 PARAMETER S C A N
....................................................................
5.3.1 DATA ACQUISITION: VECTOR-FIELD SHAPER .............
5.3.2 DATA ACQUISITION: F T SI P H A S E .............................
5.4 SUMMARY
.............................................................................
6 EXPERIMENTAL RESULTS
6.1 LASER SYSTEM AND PULSE CHARACTERIZATION..........................
6.2 FREQUENCY D IS TR IB U TIO N
.......................................................
6.3 PULSE COM PRESSION
................................................................
6.4 INTERFEROMETRIC STABILITY
...................................................
6.5 OPRAS
VERIFICATION.............................................................
6.6 GENERATION OF POLARIZATION-SHAPED P U L S E S
......................
6.6.1 SINGLE P U
LSES.............................................................
6.6.2 DOUBLE-PULSE SEQUENCES..........................................
6.6.3 THREE- AND FOUR-PULSE SEQ U EN CES..........................
6.7 SUMMARY
.............................................................................
7 SUMMARY AND OUTLOOK
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
LIST OF ABBREVIATIONS
BIBLIOGRAPHY
ACKNOWLEDGEMENTS
75
75
76
77
79
80
84
86
88
89
91
94
97
97
98
99
103
106
108
108
109
114
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125
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