Advanced experimental and computational methods for ultrashort laser pulse characterization

用于超短激光脉冲表征的先进实验和计算方法

基本信息

项目摘要

As recently shown, it is possible to characterize the complete temporal waveform of octave-spanning ultrashort laser pulses using an all-optical, all-solid-state, dispersion-scan device based only on second-harmonic generation (SHG). The accuracy of d-scan and similar pulse characterization methods (PC) is practically relevant in many areas of nonlinear optics. The simple experimental setup (pair of glass wedges, SHG crystal, spectrometer) reduces systematic errors and enables high sensitivity. Standard optimization solvers are used to retrieve the pulse shape from a d-scan spectrogram. The Newton Solver I recently developed can refine the solution of any other solver if noise is the dominant source of error. Therefore, it is beneficial for PCs with a simple experimental setup and, thus, minor systematic errors.Therefore, one focus of this project is to extend the Newton Solver to the sensitive PC d-scan and a-swing. The solver is then GPU-accelerated and made publicly controllable on a web server without local software installation.The second focus is developing a PC with no optical components other than the SHG crystal, further boiling down systematic errors and very easy to implement. Rotating the crystal around the beam axis tunes the SH process itself and parametrizes the spectrogram. I will extend the Newton Solver to solve the associated more complex integral equation, make it numerically accessible, and find a suitable material, cutting plane, and thickness. Finally, test and apply the technique.The third focus is the development of a high-speed PC and solver for broadband pulses compatible with FROG, CRAB, and d-scan. Two similar spectrograms are measured instead of one. Their slight difference is input for the solver. As the equation to be solved is significantly simplified, the retrieval takes only a few ms. For the second measurement, the pulse passes through a dispersive medium before SHG. This so-called simplified tomographic method originates from signal processing.The main reason tomographic methods are not well-known and not yet widely used is that simplification only works if the dispersion introduced can be assumed to be the quadratic over the pulse bandwidth. I will remove this limitation, derive the generalized equations, select favorable numerical methods and apply the technique.In the future, GPU accelerated solvers can quickly retrieve several different pulses from a sum of spectrograms (mixed-state retrieval). Extending the developed PC to characterize a single pulse of a pulse train (single-shot) seems possible. Tomographic methods could enable fast Spatio-temporal PC in the future (analogous to SPIDER).
如最近所示,它是可能的,使用一个全光学,全固态,色散扫描设备的基础上,只有二次谐波产生(SHG)的倍频程跨越超短激光脉冲的完整的时间波形的特征。在非线性光学的许多领域,d扫描和类似的脉冲表征方法(PC)的准确性实际上是相关的。简单的实验装置(一对玻璃楔、SHG晶体、光谱仪)减少了系统误差,实现了高灵敏度。标准优化求解器用于从d扫描频谱图中检索脉冲形状。如果噪声是主要的误差源,我最近开发的牛顿求解器可以改进任何其他求解器的解决方案。因此,它是有益的PC与一个简单的实验设置,因此,较小的系统误差。因此,本项目的一个重点是扩展牛顿解算器的敏感PC的d-扫描和a-摆动。该求解器经过GPU加速,无需安装本地软件即可在Web服务器上公开控制。第二个重点是开发一台除了SHG晶体之外没有任何光学元件的PC,进一步降低系统误差,非常容易实现。围绕光束轴旋转晶体调整SH过程本身并使光谱图参数化。我将扩展Newton解算器来求解相关的更复杂的积分方程,使其在数值上可访问,并找到合适的材料、切割平面和厚度。最后,测试和应用该技术。第三个重点是开发一个高速PC和解算器的宽带脉冲兼容的FROG,CRAB,和d扫描。测量到两个相似的光谱图,而不是一个。它们之间的微小差异是求解器的输入。由于要求解的方程被大大简化,检索只需要几个毫秒。对于第二次测量,脉冲通过色散介质之前SHG。这种所谓的简化层析成像方法起源于信号处理,层析成像方法不为人所知且尚未被广泛使用的主要原因是,简化仅在引入的色散可以被假设为在脉冲带宽上的二次方时才起作用。我将消除这一限制,推导广义方程,选择有利的数值方法和应用技术。在未来,GPU加速求解器可以快速检索几个不同的脉冲从频谱图的总和(混合状态检索)。扩展所开发的PC来表征脉冲序列的单个脉冲(单次激发)似乎是可能的。层析成像方法可以在未来实现快速时空PC(类似于SPIDER)。

项目成果

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