Mελέτη υψηλών αρμονικών σε ημιάπειρο κελί αερίων, από υπερβραχείς παλμούς laser.

Abstract

Το αντικείμενο το οποίο πραγματεύεται η συγκεκριμένη μεταπτυχιακή εργασία είναι η <<Mελέτη υψηλών αρμονικών σε ημιάπειρο κελί αερίων, από υπερβραχείς παλμούς laser>>, δηλ. παλμούς χρονικής διάρκειας λίγων femtosecond. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο παραγωγής αρμονικών υψηλής τάξης. Ειδικότερα γίνεται αναφορά στο Μοντέλο των Τριών Βημάτων (Three Step Model). Στη συνέχεια παρατίθενται οι παράγοντες που επηρεάζουν τη συμφωνία φάσης μεταξύ του παλμού της θεμελιώδους δέσμης laser και των παλμών των παραγόμενων αρμονικών (Phase Matching Theory ). Επιπρόσθετα εισάγεται η έννοια της διάταξης του ημιάπειρου κελιού αερίου(Semi Infinite Gas Cell ) και των παραγόντων που επηρεάζουν την παραγωγή αρμονικών σε αυτό, όπως είναι η διάμετρος της δέσμης και η θέση εστίασης της, αλλά και η πίεση του αερίου που εισάγεται στο κελί. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η πειραματική διάταξη και διαδικασία που απαιτείται για την παραγωγή των αρμονικών και την ανίχνευση τους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται φάσματα του πλάτους της δευτερογενώς εκπεμπόμενης ακτινοβολίας υπεριώδους κενού συναρτήσει του μήκους κύματος. Αρχικά, παρατίθενται φάσματα για τα αέρια Αργό, Νέο και Άζωτο σε συνθήκες ίδιας πίεσης και έντασης της δέσμης laser. Έπειτα, για το αέριο Αργό διερευνάται η συμπεριφορά του φάσματος των παραγόμενων αρμονικών για συνθήκες διαφορετικής πίεσης του αερίου στο κελί και μεταβολής της θέσης εστίασης της δέσμης μέσα στο μέσο στο οποίο παράγονται οι αρμονικές, σχετικά με την οπή εξόδου στο κενό. Στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας αναφέρονται τα συμπεράσματα στα οποία οδηγεί η επεξεργασία και η ανάλυση των φασμάτων. Τα πειράματα για την ύπαρξη των πειραματικών δεδομένων, απαραίτητων για τη συγγραφή της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας διεξήχθησαν την Άνοιξη του 2020, στο Ινστιτούτο Φυσικής Πλάσματος και Λέιζερ (IPPL), του Πανεπιστημιακού Ερευνητικού Κέντρου (ΠΕΚ), του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου, στα Τρία Μοναστήρια Ρεθύμνου.

The topic that is investigated in this Master Thesis is related with the “Study of High Harmonic Generation in Semi-Infinite Gas cell by ultrashort laser pulses”. The time duration of these pulses is about of few femtoseconds. In the first chapter, the theoretical background of High Harmonic Generation (HHG) is presented. More specifically there is a description of a semi-classical model, in order to explain how higher harmonics occur, called the “Three Step Model’’. Afterwards, the factors that affect the phase matching between the fundamental laser pulse and each harmonic (qth order) pulse are adduced (Phase Matching Theory). In addition, the experimental concept of Semi-Infinite Gas Cell is presented and the parameters that can play a major role in the generation of higher harmonics, such as the aperture of the fundamental beam, its focus conditions and the pressure of the gas in the cell. In the second chapter, the essential experimental equipment and the procedure followed, in order to generate and detect higher order harmonics, are analytically described. In the third chapter, the diagrams of Vacuum Ultraviolet radiation amplitude versus wavelength for three different gases media: Argon (Ar), Neon (Ne) and Nitrogen (N) are presented. In the first experiments the pressure of the gases media and the intensity of the fundamental laser beam are kept constant in order to study the effect of gas nature to the HHG. Later, for the case of Argon, we investigate the behavior of the spectrum of the generated harmonics for varying the pressure of the gas in the cell and the focus position of the fundamental beam in respect to the semi-level between gas and vacuum. In the last chapter of this thesis, the conclusions are presented after the analysis of the detected HHG spectra. The experiments for the thesis were carried out in spring 2020, in the Institute of Plasma Physics and Lasers (IPPL) of Hellenic Mediterranean University, in Tria Monastiria Rethymno.