Óptica no lineal en nanosistemas y su aplicación a la caracterización temporal de pulsos laser ultracortos
- Rosa María Weigand Talavera Director
Defence university: Universidad Complutense de Madrid
Fecha de defensa: 08 March 2024
- Óscar Martínez Matos Chair
- Sonia Marggi Poullain Secretary
- Íñigo Juan Sola Larrañaga Committee member
- Miguel Á. Porras Borrego Committee member
- Rebeca de Nalda Mínguez Committee member
Type: Thesis
Abstract
Los pulsos ultracortos desempeñan un papel fundamental en diversas áreas, y a medida que se logra la capacidad de generar pulsos láser cada vez más cortos, las técnicas de medición se vuelven más exigentes, y surgen complicaciones adicionales. En particular, los pulsos de pocos ciclos ópticos presentan espectros amplios, y la respuesta de los materiales no lineales a un rango extenso de longitudes de onda requiere diseños y cortes precisos y complejos de los materiales responsables de la generación de SHG. En esta tesis, se han empleado diversos nanomateriales para estudiar su viabilidad para caracterizar pulsos láser, incluyendo nanopartículas dieléctricas y un semiconductor bidimensional como el WS2. Estos nanosistemas se han utilizado como materiales no lineales en la técnica de dispersion scan (d-scan), una técnica que es especialmente adecuada para caracterizar pulsos ultracortos de pocos ciclos ópticos (~2) generados por un oscilador de Titanio:Zafiro (Ti:Sa). Inicialmente se han utilizado conjuntos de nanopartículas dieléctricas, (concretamente perovskitas), y han revelado que, la propagación de la luz a través de estas partículas discretas introduce una componente incoherente en la señal de SH, dificultando la reconstrucción de los pulsos a través de medidas de d-scan. Sin embargo, mediante el desarrollo de un nuevo algoritmo que tiene en cuenta esta componente incoherente, se ha logrado reconstruir satisfactoriamente los pulsos a través de medidas obtenidas conjuntos de nanopartículas. Además, se ha demostrado la generalidad de este método a través de experimentos con diversas nanopartículas (diferentes composiciones, tamaños y estructuras cristalinas) y simulaciones numéricas. Posteriormente se ha estudiado el comportamiento del semiconductor bidimensional WS2 como material no lineal en la técnica d-scan. Los resultados indican que, independientemente del número de capas de WS2 utilizadas, es posible reconstruir el pulso incidente utilizando algoritmos estándar de d-scan, a diferencia de los conjuntos de nanopartículas. Las nanopartículas dieléctricas ofrecen la posibilidad de ser dopadas con otros elementos. En este contexto, se ha estudiado el comportamiento de la fluorescencia por conversión ascendente (UCF) en perovskitas dopadas con Er3+. Estas partículas generan simultáneamente SHG y UCF, y ambas señales han resultado ser dependientes del chirp de los pulsos. Adicionalmente se ha podido modelizar cualitativamente el comportamiento del UCF con el chirp y además la propia emisión de SHG de las nanopartículas permite caracterizar los pulsos que excitan el Er3+, sin la necesidad de modificar el montaje experimental. Los experimentos con conjuntos de nanopartículas pusieron de manifiesto que, al ser muestras formadas por cristales orientados arbitrariamente, las señales de SH generadas estaban despolarizadas. Esto condujo al desarrollo de una técnica novedosa llamada D-TURTLE, que combina d-scan y tomographic ultrafast retrieval of transverse light E fields (TURTLE) para medir el estado de polarización de pulsos ultracortos en función del tiempo. Esta técnica se ha validado tanto con un cristal de SHG estándar como con conjuntos de nanopartículas, demostrando prestaciones equivalentes al cristal macroscópico. Finalmente, los conjuntos de nanopartículas, dado su gran rendimiento en d-scan, se han utilizado en la técnica FROG para pulsos de decenas de femtosegundos, revelando su utilidad para caracterizar estos pulsos sin necesidad de tener en cuenta la componente incoherente en la reconstrucción.