Design and engineering of structured light tailored for materials science applications

Abstract

The generation of custom light fields, often described as structured light, is a topic of wide interest in optics. Structured light provides a significant advantage compared to non-structured light, by enabling us to control the intensity distribution and the focus position in both linear and non-linear propagation regimes. Such a control is challenging for high-power beams, since as one increases the beam's power, nonlinear effects inevitably take place and as a result the beam's spatial structure is dynamically altered. Although a plethora of structured optical beams have been introduced to address this problem, their generation is not trivial. Their complexity challenges our current state of the art techniques for light structuring and has urged us to exploit, among others, unconventional approaches like the use of optical aberrations or spatial multiplexing. This thesis is focused on theoretical and experimental design techniques for materializing structured optical wave packets, with higher efficiency and power and at broad spectral range, tailored for materials science applications. These novel techniques include among others the use of reflecting optics as broadband continuous phase masks, which allowed us to experimentally study the effect of spatiotemporal coherence on the propagation of accelerating wave packets and to generate curved plasma channels for THz generation in air. Likewise, using rotationally symmetric accelerating beams as a template, we introduce a toolbox of versatile light scalpels, and demonstrate the generation of Tornado waves, an exciting new type of spiralling light that combines radial and angular acceleration with a precisely tuned focal distribution.

Η δημιουργία ειδικά σχεδιασμένου φωτός, ή όπως συχνά αναφέρεται διαμορφωμένο φως, είναι ένα πεδίο ευρέως ενδιαφέροντος στην οπτική. Διαμορφωμένο φως προσδίδει ένα σημαντικό πλεονέκτημα σε σύγκριση με μη διαμορφωμένο φως, επιτρέποντας τον έλεγχο της κατανομής της έντασης και την θέση της εστίας στη γραμμική και μη-γραμμική περιοχή. Ένας τέτοιος έλεγχος είναι αρκετά απαιτητικός για δέσμες με μεγάλη ισχύ, εφόσον όσο η ισχύς της δέσμης αυξάνεται τόσο τέτοια μη γραμμικά φαινόμενα εμφανίζονται με αποτέλεσμα να αλλάζουν δυναμικά την χωρική κατατομή της δέσμης. Αν και πρόσφατα υπάρχει μια πληθώρα από διαμορφωμένες δέσμες φωτός για λύση αυτού του προβλήματος, ωστόσο η δημιουργία τους δεν είναι απλή. Η πολυπλοκότητά τους είναι πρόκληση για τις υπάρχουσες τεχνικές διαμόρφωσης φωτός και μας ωθεί σε μη συνήθεις προσεγγίσεις όπως την χρήση οπτικών σφαλμάτων ή της χωρικής πολυπλεξίας. Αυτή η διατριβή επικεντρώνεται σε θεωρητικές και πειραματικές τεχνικές σχεδιασμού για την δημιουργία διαμορφωμένων οπτικών κυματοπακέτων, με μεγαλύτερη απόδοση και ισχύ καθώς και σε ευρύ φάσμα, ειδικά σχεδιασμένων για την εφαρμογές στην επιστήμη των υλικών. Σε αυτές τις καινοτόμες τεχνικές, συγκαταλέγονται, μεταξύ άλλων, η χρήση ανακλαστικών οπτικών ως συνεχείς φασικές μάσκες που λειτουργούν σε ευρύ φάσμα, επιτρέποντάς μας την πειραματική μελέτη της επίδρασης της χωρικής και χρονικής συμφωνίας κατά την διάδοση επιταχυνόμενων κυματοπακέτων καθώς και την δημιουργία καμπυλωμένου πλάσματος για την δημιουργία THz στον αέρα. Επίσης, χρησιμοποιώντας περιστροφικά συμμετρικές επιταχυνόμενες δέσμες ως μια παλέτα, εισάγουμε μία νέα εργαλειοθήκη οπτικών δεσμών και επιτυγχάνουμε την δημιουργία των Tornado waves, μια καινούργια κατηγορία δεσμών με σπειροειδή τροχιά που συνδυάζει ακτινική και γωνιακή επιτάχυνση, διαμορφώνοντας με ακρίβεια την κατανομή στην εστία.