Fortgeschrittene experimentelle und numerische Methoden für die Charakterisierung von ultrakurzen Laserpulsen

• Antragsteller: Dr. Michael Jasiulek
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500576754

Wie kürzlich gezeigt, ist es mit möglich, die genaue zeitliche Pulsform eines oktaven-spannenden ultrakurzen Laserpulses mit einem rein optischen, Dispersions-Scan Aufbau basierend auf Second-Harmonic Generation (SHG) zu bestimmen. Die Genauigkeit von D-Scan und ähnlichen Puls-Charakterisierungsverfahren (PC) ist praktisch relevant in vielen Bereichen der Nichtlinearen Optik. Der einfache experimentelle Aufbau reduziert systematische Fehler und ermöglicht hohe Sensitivität (zwei Glaskeile, SHG Kristall, Spektrometer).Für die Rekonstruktion der Pulsform aus einem d-scan Spektrogramme werden Standard-Optimierungs-Solver eingesetzt. Der kürzlich von mir entwickelte Newton Solver kann die Lösung jedes anderen Verfahrens verfeinern, wenn Rauschen die dominante Fehlerquelle ist. Der Solver ist daher besonders für PCs nützlich mit einfachem experimentellen Aufbau und daher kleinen systematischen FehlernEin Schwerpunkt dieses Projekts ist daher, den Newton Solver auf die sensitiven Verfahren d-scan und a-swing zu erweitert. Der Solver wird dann GPU-beschleunigt und auf einem Webserver öffentlich steuerbar gemacht, ohne lokale Softwareinstallation.Der zweite Schwerpunkt ist die Entwicklung eines PC, dass keine optischen Komponenten mehr vor dem Kristall benötigt, daher Fehler weiter reduziert und sehr einfach zu realisieren ist. Der SH Prozess selbst im Kristall wird durch Drehung um die Strahlachse durch gestimmt und dabei ein parametrisiertes Spektrogramm gemessen. Ich werde den Newton Solver erweitern, um die Pulsform daraus rekonstruieren zu können. Die zugehörige komplexere Integralgleichung wird numerische zugänglich gemacht und dann ein geeignetes Material, Schnittfläche und Dicke für eine Messung gefunden.Der dritte Schwerpunkt ist die Entwicklung eines besonders schnellen PC für breitbandige Pulse kompatibel mit FROG, CRAB und d-scan. Es werden zwei ähnliche statt einem Spektrogramm gemessen und aus deren kleiner Differenz die Pulsform algorithmisch rekonstruiert, was in wenigen ms möglich ist, weil sich die zu lösende Gleichung dabei stark vereinfacht. Für die zweite Messung wird der Puls vorab durch ein dispersives Medium geschickt. Diese sog. tomographische Methode hat ihren Ursprung in der Signalverarbeitung.Derartige Verfahren haben bis jetzt keine breite Anwendung gefunden und sind kaum bekannt, da die Vereinfachung nur funktioniert, wenn die eingeführte Dispersion als quadratisch über die Bandbreite des Pulses angenommen werden kann. Diese Beschränkung wird hier behoben, die verallgemeinerten Gleichungen abgeleitet, günstige numerische Methoden gewählt und das Verfahren angewendet.Zukünftig können GPU beschleunigte Solver verschiedene Pulse aus einer Summe von Spektrogrammen schnell rekonstruieren (mixed-state retrieval). Es scheint aussichtsreich, dass das entwickelte PC zukünftig auf Single-shot erweitert werden kann. Tomographische Verfahren könnten für schnelle raumzeitliche Pulse Retrieval verwendet werden (analog SPIDER).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen