Towards an Ytterbium based optical waveform synthesizer

Molecular and atomic structures and dynamics have been unraveled with the development of ultrafast, high-energy optical lasers, delivering pulses from the infra-red to the X-rays. Soft X-Rays attosecond pulses can be generated via high-harmonic generation from an optical high-energy, single-cycle laser. Coherent pulse synthesis of few-cycle, high-energy pulses is a promising technique to generate isolated attosecond pulses for its scalability in spectral bandwidth and energy. Here we consider pulse synthesizer based on OPCPAs. Four major parts compose a waveform synthesizer: first a pump line scalable to high energies, second a broadband carrier-envelope phase (CEP) stable front-end, third a sequence of parametric amplification stages to amplify the front-end pulses to high energies, and fourth synchronization and stabilization of the pulses. The state of the art waveform synthesizers rely on Ti:sapphire pump lasers, which are advantageous for the mature technology and the ultrashort pulses, but are intrinsically limited in achievable average power. This limitation in the waveform synthesizer pump line can be overcome by using alternative laser materials, like ytterbium doped hosts. In this thesis, the developments toward an ytterbium based waveform synthesizer are presented. The pump line of the synthesizer realized in this work consists of a seed oscillator with chirped fiber Bragg grating pulse stretcher and two main amplifiers. The pulse energy of the regenerative amplifier reaches 6.5~mJ at 1~kHz repetition rate. Its output is split in two: one part is compressed to 615~fs transform-limited pulses to drive the front-end. The second part seeds a multi-pass amplifier based on composite thin-disk technology, which boosts the energy up to 72~mJ. With the compressed pulses of the regenerative amplifier, the front-end based on white-light generation is demonstrated with a passive CEP stability of 90~mrad over 11~h. The best adapted parameters for white-light supercontinuum generation with sub-picosecond long pulses were found after an experimental study. A narrow-band fraction of the super-continuum is parametrically amplified. The complete electric field of the amplified signal was retrieved from a FROG measurement. The smooth and well-behaved phase is a proof that the broadband pulse generated by white-light continuum remains a single, compressible pulse. The corresponding CEP stable idler generates a CEP stable supercontinuum, which is split in the channels of the waveform synthesizer. These broadband pulses are then amplified to the textmu J level with parametric amplifiers. The pulse synthesis and the dispersion management is discussed. Die Struktur der Materie auf der molekularen und atomaren Skala und ihre Dynamik wurde durch die Entwicklung von ultrakurzen, hoch-energetischen Lasern, die vom infrarotem bis im EUV-Bereich Spektren aufweisen, aufgelost. Die Erzeugung von weichen Rontgen, attosekunden-Pulsen wer-den durch die Konversion von hoch-energetischen, Einzel-Zyklus optischen Impulsen durch die Erzeugung von hohen Harmonischen ermoglicht. Die koharente Pulssynthese von hochenergetischen Pulsen mit wenigen Zyklen ist aufgrund der Skalierbarkeit der spektralen Bandbreite und der Energie eine vielversprechende Technologie, um isolierte attosekunden-Pulse zu erzeugen. Ein Frequenzsynthesizer besteht aus vier Haupt-bestand-teilen: erstens aus zu hohen Energien skalierbaren Pumplasern, zweitens einem breitbandigen Front-end mit stabiler Trager-Einhullenden Phase, drittens einer Folge von hochenergetischen Verstarkungsstufen, und viertens einem Pulssynchronisations- und Stabilisierungssystem. Die Ti:Sapphir Laser, worauf die gegenwartigen Frequenzsynthesizer typischerweise basieren, sind in der erreichbaren Durchschnittsleistung begrenzt. Diese Begrenzung kann mit alternativen Lasermaterialien, wie Ytterbium dotierten Grundmaterialien, uberwunden werden. Diese Dissertation stellt die Architektur sowie die Implementierung eines skalierbaren Ytterbium-basierten Frequenzsynthesizers und den ''Synthesizer Front-ends'' dar. Der in dieser Arbeit vorgestellte Pumplaser des Synthesizers besteht aus einem Seedoszillator mit frequenz-verschobenen Faser Bragg Gitter Strecker und zwei Hauptverstarkern, einen regenerativen Verstarker sowie einen mutipass Verstarker. Die aus dem regenerativen Verstarker extrahierte Pulsenergie erreicht 6.5 mJ bei 1 kHz Pulswiederholungsrate. Der Ausgang ist in zwei Pfade aufgeteilt: ein Teil wurde auf 615 fs transformationslimitierte Pulslange komprimiert, um das "Front-End" anzutreiben. Der zweite Teil wird in einem Multi-pass-Verbundscheiben-verstarker auf 72 mJ erhoht. Das auf Weislichtsuperkontinuum basierende und mit dem Ausgang des regenerativen Verstarkers angetriebene Front-end demonstriert eine passive CEP Stabilitat von 90 mrad uber 11 Stunden Dauer. Eine experimentelle Studie hat die fur die Weislichterzeugung mit sub-pikosekunden langen Pulsen am besten angepassten Laser-Parameter bestimmt. Ein schmallbandiger spektraler Anteil des Super-kontinuums wird parametrisch verstarkt. Das komplette elektrische Feld des verstarkten Signals wird aus einer FROG-Messung erfasst. Die gleichmasige Phase beweist, dass sich der breitbandige, durch Weislichtkontinuum erzeugte Puls wie ein einzelner und komprimierbarer Puls verhalt. Der entsprechende CEP stabile Idler erzeugte ein weiteres CEP stabiles Superkontinuum, das zwischen den Armen des Synthesizers aufgeteilt wird. Diese breitbandigen Pulse werden anschliesend durch parametrische Verstarkung auf das textmu J Niveau gebracht. Die Pulssynthese und das Dispersions-management wird diskutiert.