P20293 Nonlinear dynamics and noises of the chirped-pulse oscillators: from visible to mid-IR ranges
 
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Abstract English

Femtosecond pulses in the microjoule energy range, which are available directly from an oscillator without additional amplification, are of interest for a number of applications ranging from medicine and micro-machining to fundamental physics of light-matter interaction. The most promising approach to this aim is based on using a chirped-pulse solid-state oscillator in the positive dispersion regime providing the pulse energy scalability within a wide range of energy. The project aim is to develop a complete theory of the chirped-pulse oscillators concerning both classical and quantum aspects. It is planned to take into account the full set of factors affecting the ultrashort pulse dynamics in the positive dispersion regime: higher-order dispersion and dispersion distribution, dynamic gain saturation, time-resolved dynamics in the semiconductor saturable absorber and quantum noises of the entire oscillator. The wide range of the chirped-pulse oscillator characteristics will be explored: stability, energy scalability, chirped-pulse compressibility and coherence. The new infrared solid-state sources of the over-µJ femtosecond pulses based on Cr:Zinc-chalcogenide and Yb:YAG chirped-pulse oscillators will be developed. Both fundamental and practical output of penetration in the infrared range for such high-energy systems promises the break-through in semiconductor micro-machining, 3D photonic-crystal fabrication, high-order harmonics generation, metrology, femtosecond electron and attosecond optical pulse generation. The project implementation will be based on the combination of the modern computational techniques and the powerful analytical modeling with experimental verification in three different laser systems in the near- and mid-infrared. The analytical and numerical approach is based on the study of the generalized complex nonlinear Ginzburg-Landau equation outside the solitonic limit. The accumulated knowledge promises real break-through in the field of nonlinear and quantum optics as well as solid-state laser technology. The developed methods will be also applicable in the different branches of physics: quantum optics and laser physics, Bose-Einstein condensation, condensate-matter physics, non-equilibrium phenomena and nonlinear dynamics, quantum mechanics of self-organizing dissipative systems and quantum field theory.

 

Abstract German

Femtosekundenimpulse mit der Energie im Mikrojoule-Bereich, die man direkt aus einem Oszillator ohne Nachverstärkung gewinnen kann, sind für viele Fachgebiete sehr interessant – vom Medizin und Mikromaterialbearbeitung bis hin zur fundamentalen Physik von Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Eine erfolgsversprechende Strategie basiert auf einem kürzlich entdeckten Festkörperlaser mit gechirpten Impulsen (CPO, chirped pulse oscillator), der in einem positiven Dispersionsbereich arbeitet und eine breite Energieskalierung erlauben soll. Das Projekt hat das Ziel, eine komplette theoretische Beschreibung dieses neuen Objektes auszuarbeiten, die sowohl klassische, als auch Quantenaspekte eingehen soll. Es sollen alle Faktoren einbezogen werden: Dispersion höherer Ordnungen und Dispersionverteilung, dynamische Verstärkungssättigung, ultraschnelle Dynamik des sättigbaren Absorbers sowie der Quantenrauschen des gesamten Oszillators. Es sollen alle wichtigen Parameter erfasst werden: Stabilität, Energieskalierungsmöglichkeiten, Impulskompression und Kohärenz. Es werden infrarote Festkörperquellen in µJ-Bereich entwickelt, basierend auf Cr:Zink-Chalkogeniden sowie Yb:YAG CPOs. Das Eindringen ins Infrarote Bereich verspricht einen Durchbruch bei Halbleiter-Mikrobearbeitung, Erzeugung von dreidimensionalen photonischen Kristallen, Generation höheren Harmonischen, Metrologie und Erzeugung von femtosekunden Elektronenimpulse und attosekunden Lichtimpulse. Methodologisch setzt die Verwirklichung des Vorhabens auf Kombination von analytischen Modelling, modernen Rechentechniken und experimentellen Verifikation in drei verschiedenen Lasersystemen im nahen und mittleren Infrarotbereich. Die analytischen und rechnerischen Methoden basieren auf einer verallgemeinten komplexen nichtlinearen Ginzburg-Landau Gleichung, die außerhalb der Solitonannäherung untersucht wird. Die zu entwickelten Techniken sind auf die Fachgebiete von nichtlinearer Optik und Lasertechnologie keineswegs begrenzt, sondern können auch in anderen Physikbereichen wie Quantenoptik, Bose-Einsteinkondensation, Ungleichgewichtsphänomene und nichtlineare Dynamik, Quantenmechanik von selbst-organisierenden dissipativen Systemen und Quantenfeldtheorie einsetzbar.

 
 
 

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