Coherent attosecond light sources based on high-order harmonic generation: influence of the propagation effects

[ES]Durante las ultimas dos decadas, el avance en el campo de los laseres ultraintensos y ultracortos ha mejorado nuestra comprension de la materia sometida a campos laser intensos. A diferencia de otros campos no perturbativos de la fisica, la disponibilidad de la tecnologia de laseres intensos en laboratorios de tamano medio a nivel mundial ha proporcionado una fructifera interaccion entre la teoria y los experimentos. Esta tesis es un ejemplo de esta interaccion. La radiacion electromagnetica intensa induce una fuerte respuesta no lineal en la materia. Los electrones atomicos adquieren energia del campo laser, que puede ser posteriormente liberada en forma de radiacion coherente de alta frecuencia, en un proceso conocido como generacion de armonicos de orden elevado (HHG, procedente de sus siglas en ingles). La ausencia de laseres convencionales a estas frecuencias elevadas ha impulsado el interes tecnologico en el desarrollo de HHG como herramienta para conseguir fuentes coherente de luz de longitud de onda corta. Hasta hace muy poco, la tecnologia de laseres ultraintensos se limitaba a longitudes de onda del infrarrojo cercano (alrededor de 800 nm) y la conversion en armonicos de orden elevado se limitaba a la region del ultravioleta lejano (XUV). Actualmente, con la mejoria de las tecnicas de inversion parametrica, este limite se encuentra en los rayos X blandos. Sin embargo, desde el inicio se reconocieron las aplicaciones potenciales del proceso HHG, mas alla de las naturales de una radiacion coherente de alta frecuencia. El espectro de HHG consiste en un peine de armonicos que se extienden hasta la denominada frecuencia de corte. En la region espectral cercana a este corte, los armonicos tienen intensidades similares y, lo que es mas interesante aun, su distribucion de fase espectral es suave. Con estas dos premisas, tras filtrar el espectro de baja frecuencia, la radiacion resultante se corresponde a un tren de pulsos ultracortos en la region XUV, con duraciones en torno a unos cuantos centenares de attosegundos (1 attosegundo = 10-18 segundos), espaciadas regularmente cada medio ciclo del laser incidente. Tras su confirmacion experimental a comienzos del siglo XXI, estos son considerados los pulsos de luz coherente mas cortos jamas creados. Esta tecnologia esta dando sus primeros frutos, pues ya se han identificado distintas aplicaciones para discriminar procesos ultrarrapidos (en el regimen de los attosegundos) en la dinamica de sistemas fisicos, quimicos y biologicos. El objetivo de esta tesis es realizar una contribucion novedosa y original en este campo. El nucleo principal de este estudio consiste en el desarrollo de metodos teoricos para simular los experimentos. Esta estrategia contiene una vertiente doble. En primer lugar, la teoria se utiliza para comprender los resultados obtenidos experimentalmente. Para ello hemos desarrollado nuestros propios experimentos, que contrastamos directamente con los resultados teoricos y, ademas, hemos colaborado con dos grupos experimentales a nivel internacional con el objetivo de simular sus experimentos. En segundo lugar, hemos aplicado nuestra teoria para predecir nuevos procesos fisicos y, de este modo servir de guia para la realizacion de nuevos experimentos. El punto de partida de esta tesis se basa en la teoria SFA+, desarrollada previamente en el area de optica de la Universidad de Salamanca, para el calculo del proceso de generacion de armonicos de orden elevado en un solo atomo, a nivel microscopico. Este metodo, asi como una extensa introduccion al proceso HHG, se expone a lo largo del capitulo 1. Nuestro primer objetivo ha sido desarrollar un esquema de propagacion de los armonicos de orden elevado que permite la simulacion del proceso a escala macroscopica, de manera que la teoria sea comparable a los experimentos. Para ello, hemos implementado una nueva tecnica de propagacion basada en la aproximacion dipolar discreta. Esta tecnica, asi como los fundamentos para la comprension de la propagacion de armonicos de orden elevado, se desarrollan en el capitulo 2. En el capitulo 3 estudiamos la propagacion de armonicos de orden elevado generados por campos laser de longitud de onda en el infrarrojo cercano, focalizados en chorros o celdas de gas de baja densidad. Como primer test, hemos analizado teorica 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 propagacion. Una vez validado nuestro metodo teorico experimentalmente, proponemos una alternativa para acortar los pulsos de attosegundo, mediante su deteccion bajo distintos angulos desde el eje de propagacion. Posteriormente presentamos un estudio de la longitud de coherencia transversal, comparando nuestros resultados teoricos y experimentales. Finalmente, hemos implementado la geometria de una celda de gas semi-infinita en nuestro codigo de propagacion, con el objetivo de comprender los resultados experimentales obtenidos por el grupo de M. Kovacev, en la Universidad de Hannover (Alemania). En el capitulo 4 hemos modificado nuestro metodo para estudiar la generacion armonicos de orden ultra-elevado, producidos utilizando laseres de longitud de onda en el infrarrojo medio (aproximadamente de 4 µm), en colaboracion con el grupo teorico de A. Becker y A. Jaron-Becker, del JILA, en la Universidad de Colorado (EEUU). El resultado principal de este trabajo consiste en la demostracion de la coherencia temporal de los rayos X con energia de kiloelectronvoltio obtenidos en el grupo experimental de M. Murnane y H. Kapteyn en el JILA, Universidad de Colorado (EEUU), que lidero una colaboracion internacional en la que tambien participaron la Universidad Tecnica de Viena (Austria), la Universidad de Cornell (EEUU) y nuestro grupo. Como continuacion a este trabajo, y gracias al desarrollo de nuestros metodos teoricos, hemos derivado un camino para obtener pulsos de luz de rayos X en el regimen de los zeptosegundos (1 zeptosegundo=10-21 segundos).