This dissertation details the development of the world’s first cryogenically cooled Fe:ZnSe-based chirped pulse amplifier, a mid-wave infrared source for strong-field physics experimentation. The long upper-state lifetime provided by cryogenically cooling the Fe:ZnSe gain medium allows free-running, diode-pumped Er:YAG lasers to be used as pump lasers. The amplifier is seeded by a novel two-stage optical parametric amplifier pumped at 1 μm, which is potentially carrier-envelope phase-stable. The system is capable of producing 247-fs pulses at 333 Hz and 4.6 mJ with a center wavelength of 4.07 μm, although exact characteristics vary for different repetition rates and arrangements. The spectral bandwidth avoids strong atmospheric CO2 absorption centered around 4.3 μm, allowing operation in ambient air with good beam quality. The laser is simple, stable, reliable, and boasts a high repetition rate and average power compared to other systems. By focusing the 18-GW beam in air, harmonics up to the ninth order were observed indicating its potential for use in strong-field experimentation. Few-cycle pulses were generated by passing the beam, at a repetition rate of 400 Hz, through a large-diameter gas-filled hollow-core fiber followed by dispersion compensating bulk CaF2. A krypton-filled fiber at 370 kPa yielded 1.14-mJ, 42-fs pulses centered at 4.07-μm, while an oxygen-filled fiber at 310 kPa delivered 0.78-mJ, 39-fs pulses spanning 3 to 5.5 μm. This work is a step toward a high repetition rate mid-wave infrared driver of isolated attosecond, keV-level, X-ray pulses. Fe:ZnSe is a unique gain medium with potential to become a disruptive technology across a variety of fields, especially in strong-field science, in which many physical phenomena are enhanced at longer wavelengths.

Disertacija yra skirta išnagrinėti ir paaiškinti impulsinių šviesos pluoštų parametrinio stiprinimo metu vykstančius reiškinius. Ypatingas dėmesys yra skiriamas erdvinei-laikinei impulsinio šviesos pluošto dinamikai stiprinimo metu. Visi nagrinėjamų reiškinių tyrimai buvo atliekami taikant skaitmeninio modeliavimo metodus. Modelyje panaudotos lygtys buvo išvestos iš Maksvelo lygčių, išsamiai aptariant lygčių išvedimo metu daromas prielaidas. Naudojantis pateiktu modeliu buvo gauti skaitmeniniai rezultatai, kurie parodė, jog nekolineariame parametriniame stiprintuve, kuomet kaupinimo ir signalinio impulsų frontai nėra sutapatinti, signalinis impulsas tampa pakrypęs ir be kampinės dispersijos taip pat įgyja ir erdvinį čirpą. Nustatyta, kad indukuotų erdvinės ir kampinės dispersijų mažėjimo sparta, didinant signalinio impulso laikinį čirpą, yra skirtinga. Pagrindiniai šio teorinio tyrimo rezultatai buvo patvirtinti eksperimentiškai. Taip pat šioje disertacijoje yra pristatomas naujas ir universalus impulsinių kūginių bangų parametrinio stiprinimo metodas, kuriame sustiprinti impulsai patys susispaudžia laike ir erdvėje paprasčiausiai sklisdami laisvoje erdvėje. Šis metodas leidžia formuoti didelio smailinio intensyvumo invariantiškus bangų paketus, galinčius nusklisti daugelį Relėjaus nuotolių norimoje medžiagoje. Priešingai nei įprastame čirpuotų impulsų stiprinimo metode, šis metodas nereikalauja impulsų spaustuvo, o tai žymiai palengvina parametrinį kelių optinių ciklų... [toliau žr. visą tekstą] / This thesis is aimed to provide an extensive picture of the phenomena encountered in optical parametric amplification of pulsed light beams. The particular attention is paid for the spatio-temporal dynamics of the pulsed light beams being amplified. All the research has been done by means of numerical methods. The equations used in the model were derived from the Maxwell’s equations and the assumptions made along the derivation of equations were discussed. Using the presented model it has been numerically demonstrated, that in noncollinear optical parametric amplifier, when pulse fronts of pump and signal are not matched, the signal pulse becomes tilted and aside from angular dispersion acquires a spatial chirp. It has been shown, that the magnitudes of the induced spatial and angular dispersions decrease at different rates with the increase of the signal pulse temporal chirp. The main results of this study were verified experimentally. Additionally, in this thesis we have proposed a novel and versatile method for pulsed conical wave parametric amplification with subsequent spatio-temporal compression during propagation in free space. It allows to form ultra-intense and propagation invariant wave-packets capable to propagate over many Rayleigh range in the desired material. In contrast to ordinary chirped-pulse amplification technique it does not require a pulse compressor, thus greatly facilitates the parametric amplification of few-cycle light pulses.

This thesis is aimed to provide an extensive picture of the phenomena encountered in optical parametric amplification of pulsed light beams. The particular attention is paid for the spatio-temporal dynamics of the pulsed light beams being amplified. All the research has been done by means of numerical methods. The equations used in the model were derived from the Maxwell’s equations and the assumptions made along the derivation of equations were discussed. Using the presented model it has been numerically demonstrated, that in noncollinear optical parametric amplifier, when pulse fronts of pump and signal are not matched, the signal pulse becomes tilted and aside from angular dispersion acquires a spatial chirp. It has been shown, that the magnitudes of the induced spatial and angular dispersions decrease at different rates with the increase of the signal pulse temporal chirp. The main results of this study were verified experimentally. Additionally, in this thesis we have proposed a novel and versatile method for pulsed conical wave parametric amplification with subsequent spatio-temporal compression during propagation in free space. It allows to form ultra-intense and propagation invariant wave-packets capable to propagate over many Rayleigh range in the desired material. In contrast to ordinary chirped-pulse amplification technique it does not require a pulse compressor, thus greatly facilitates the parametric amplification of few-cycle light pulses. / Disertacija yra skirta išnagrinėti ir paaiškinti impulsinių šviesos pluoštų parametrinio stiprinimo metu vykstančius reiškinius. Ypatingas dėmesys yra skiriamas erdvinei-laikinei impulsinio šviesos pluošto dinamikai stiprinimo metu. Visi nagrinėjamų reiškinių tyrimai buvo atliekami taikant skaitmeninio modeliavimo metodus. Modelyje panaudotos lygtys buvo išvestos iš Maksvelo lygčių, išsamiai aptariant lygčių išvedimo metu daromas prielaidas. Naudojantis pateiktu modeliu buvo gauti skaitmeniniai rezultatai, kurie parodė, jog nekolineariame parametriniame stiprintuve, kuomet kaupinimo ir signalinio impulsų frontai nėra sutapatinti, signalinis impulsas tampa pakrypęs ir be kampinės dispersijos taip pat įgyja ir erdvinį čirpą. Nustatyta, kad indukuotų erdvinės ir kampinės dispersijų mažėjimo sparta, didinant signalinio impulso laikinį čirpą, yra skirtinga. Pagrindiniai šio teorinio tyrimo rezultatai buvo patvirtinti eksperimentiškai. Taip pat šioje disertacijoje yra pristatomas naujas ir universalus impulsinių kūginių bangų parametrinio stiprinimo metodas, kuriame sustiprinti impulsai patys susispaudžia laike ir erdvėje paprasčiausiai sklisdami laisvoje erdvėje. Šis metodas leidžia formuoti didelio smailinio intensyvumo invariantiškus bangų paketus, galinčius nusklisti daugelį Relėjaus nuotolių norimoje medžiagoje. Priešingai nei įprastame čirpuotų impulsų stiprinimo metode, šis metodas nereikalauja impulsų spaustuvo, o tai žymiai palengvina parametrinį kelių optinių ciklų... [toliau žr. visą tekstą]