Towards the generation of isolated attosecond pulses in the water window

Abstract

Attosecond science investigates the realm of processes that happen in fleetingly short passages of time. One attosecond to one second, is what one second is to the age of the universe! Advances in lasers and specifically ultra-short pulsed lasers have opened the door to this extreme frontier of physics. In this thesis I will describe what is required from a laser system in order to access these time scales. The stringent requirements needed motivated us to extensively study, model, redesign and then finally rebuild our laser system making it capable of delivering the necessary laser pulses. Characterisation of these types of laser pulses is essential in making them usable in the pursuit of a fundamental understanding of ultrashort physical processes. Two new characterisation techniques have been developed to add to the suite of tools available to the scientific community to achieve the complicated goal of characterising femtosecond laser pulses. To jump from the femtosecond regime to the attosecond regime, high harmonic generation is currently the defacto method of getting there. I will give a detailed description of our high harmonic beamline, which ultimately is used to perform the first water-window radiation range spectroscopy from a high harmonic source. Intrinsic to the radiation generated for spectroscopy is the sub-femtosecond temporal structure of the radiation. Temporal characterisation of attosecond pulses is traditionally done using the attosecond streaking technique however until now, this technique has not been used in the water-window. X-ray pulses possessing our ultra-broad bandwidth and central photon energy are unprecedented, making this the first time that a streaking experiment is done in this regime.

La ciencia de attosegundos investiga el campo de los procesos que ocurren en pasajes de tiempos fugazmente cortos. Un attosegundo en relación a un segundo es lo que es un segundo en relación a la edad del universo! Avances en láseres y específicamente en láseres de pulsos ultracortos han abierto la puerta a esta frontera extrema de la física. En esta tesis describo que es lo que se requiere de un sistema láser para poder acceder a estas escalas de tiempo. Los rigurosos requisitos que se necesitan nos han motivado a estudiar, modernizar, rediseñar y finalmente reconstruir extensamente nuestro sistema láser haciéndolo capaz de generar los pulsos de láser necesarios. La caracterización de estos tipos de pulsos de láser es esencial para hacerlos útiles en la búsqueda del entendimiento fundamental de procesos físicos ultracortos. Dos caracterizaciones nuevas han sido desarrolladas para añadir al conjunto de herramientas disponibles a la comunidad científica para lograr el objetivo de caracterizar pulsos de láser de femtosegundos. Para saltar desde el régimen de femtosegundos al régimen de attosegundos, la generación de armónicos de alto orden es actualmente el método factible para conseguirlo. Daré una descripción detallada de nuestra línea experimental de generación de armónicos de orden alto, que por último fue usada para realizar por primera vez espectroscopia con radiación en el rango de la ventana de agua utilizando una fuente de generación de armónicos de alto orden. La caracterización temporal de pulsos de attosegundos es tradicionalmente hecha usando una técnica llamada attosecond streaking, aunque hasta ahora esta técnica no se había utilizado en la ventana de agua. Rayos X poseyendo nuestro extenso ancho de banda y energía de fotón central no tienen precedentes, conllevando a ser la primera vez que un experimento de streaking se ha hecho en este régimen.