Fiber Oscillators, Regenerative Amplifiers, Simulations on White-Light Generation

Compact and stable ultrafast laser sources for electron diffraction experiments are the first step in accomplishing the dream experiment of producing a molecular movie. This thesis work focuses on developing new robust laser sources to enable arbitrary scaling in laser repetition rate, pulse energy, duration and stability as needed to provide sufficient integrated detected electrons for high quality diffraction patterns that can be inverted to real space movies. In chapter 2, the construction of a novel stable and high power stretched pulse fiber oscillator outputting 300mW at 31 MHz and compressible pulses to below 90fs will be described. Chapter 3 will describe the construction of a solid-state regenerative amplifier that was developed to achieve pulse energies above 1mJ with 0.40 mJ already achieved at 1 kHz. Novel simulation techniques were explored that aided the construction of the amplifier. Chapter 4 derives a new, fast and powerful numerical theory that is implemented for generalized non-linear Schrodinger equations in all spatial dimensions and time. This new method can model complicated terms in these equations that outperforms other numerical methods with respect to minimizing numerical error and increased speed. These advantages are due to this method’s Fourier nature. A simulation tool was created, employing this numerical technique to simulate white-light generation in bulk media. The simulation matches extremely well with published experimental data, and is superior to the original simulation method used to match the experiment. The use of this tool enables accurate calculations of continuum or white light generation as needed for different experimental protocols and serves as the primary input to generate wide bandwidth coherent light. This work has solved the problem of predictably designing continuum generation within targeted wavelength ranges. This information is needed as part of an overall scheme in laser source development to coherently control molecules in the IR region to provide a new photo trigger source for molecular reaction dynamics that will be essential to explore chemical reaction dynamics in general.Kompakte und stabile ultraschnelle Laserquellen für Elektronenbeugungsexperimente sind der erste Schritt um den molecular movie, das Wunschexperiment der Moleküldynamik schlechthin, zu erreichen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger, robuster Laserquellen mit frei skalierbarer Wiederholungsrate, Pulsenergie und – dauer, sowie Stabilität. Solche Quellen sind wichtig um hochwertige Elektronenbeugungsbilder zu erzeugen, wobei die Intensität ausreichend sein muss um durch Invertierung den Ortsraum zeitabhängig darstellen zu können. Das zweite Kapitel beschreibt die Konstruktion eines neuartigen pulsstreckenden Hochleistungsfaseroszillators mit einer Ausgangsleistung von 300 mW bei 31 MHz, dessen Pulse bis unterhalb 90 fs komprimiert werden können. Im dritten Kapitel wird die Konstruktion eines regenerativen Festkörperverstärkers beschrieben, der für Pulsenergien über 1 mJ entwickelt wurde, wobei bereits 0.4 mJ erreicht werden konnten. Neuartige Simulationstechniken wurden untersucht, um die Konstruktion des Verstärkers zu unterstützen. In Kapitel 4 wird eine neue, schnelle und mächtige Theorie hergeleitet, die auf mehrdimensionale zeitabhängige nichtlineare Schrödingergleichungen in einer verallgemeinerten Form angewandt wird. Die neue Methode kann komplizierte Terme innerhalb dieser Gleichungen modellieren, wobei sie andere Methoden in ihrer Leistungsfähigkeit bezüglich numerischen Fehlern und Geschwindigkeit übertrifft. Diese Vorteile werden durch die Anwendung von Fourier Methoden erreicht. Damit wurde ein Hilfsmittel für die Simulation von Weißlichterzeugung mit Hilfe dieser Numerik erstellt. Die Simulation stimmt außerordentlich gut mit publizierten experimentellen Daten überein, und ist eine Verbesserung im Vergleich zur herkömmlichen Methoden. Die Verwendung des Hilfsmittels ermöglicht genaue Berechnungen von Kontinuums- oder Weißlichterzeugung, wie sie für verschiedene experimentelle Protokolle benötigt wird und als Einspeisung für die Erzeugung von breitbandigem kohärentem Licht dient. Diese Arbeit löst das Problem, innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs die Erzeugung von Kontinuumslicht vorhersagbar zu konzipieren. Diese Information wird im Gesamtzusammenhang der Laserentwicklung für die kohärente Kontrolle von Molekülen im Infrarotbereich benötigt, um neue lichtinduzierte Quellen für molekulare Dynamik zur Verfügung zu stellen. Diese werden essentiell sein, um chemische Reaktionsdynamik zu erforschen