Efficient control of quantum paths via dual-gas high harmonic generation

The accurate control of the relative phase of multiple distinct sources of radiation produced by high harmonic generation is of central importance in the continued development of coherent extreme UV (XUV) and attosecond sources. Here, we present a novel approach which allows extremely accurate phase control between multiple sources of high harmonic radiation generated within the Rayleigh range of a single-femtosecond laser pulse using a dualgas, multi-jet array. Fully ionized hydrogen acts as a purely passive medium and allows highly accurate control of the relative phase between each harmonic source. Consequently, this method allows quantum path selection and rapid signal growth via the full coherent superposition of multiple HHG sources (the so-called quasi-phase-matching). Numerical simulations elucidate the complex interplay between the distinct quantum paths observed in our proof-of-principle experiments.

A review on the use of corneal implants for the treatment of presbyopia

In recent years there has seen an increased interest in refractive surgery for the correction of presbyopia. This can be attributed to a number of factors such as the increased demand from patients to have perfect vision without the need for glasses, spurred on by the success of high street refractive laser surgery. Also the World Health Organisation (WHO) estimated in 2005 that over a 1.04 billion people worldwide are affected by presbyopia (Holden et al. 2008). This vast number of people is valued as a potential market and is a huge enticement to the ophthalmic industry to try and develop devices and products to treat this condition. Recent advances in technology have renewed interest in the implantation of corneal inlays for surgical treatment of presbyopia. Dexl et al. (2011) suggest that the reason for this is the further development of biomaterial technology, advances in femtosecond laser and the need for a reversible presbyopic treatment.

Detection Limits of Organic Compounds Achievable with Intense, Short-Pulse Lasers

Many organic molecules have strong absorption bands which can be accessed by ultraviolet short pulse lasers to produce efficient ionization. This resonant multiphoton ionization scheme has already been exploited as an ionization source in time-of-flight mass spectrometers used for environmental trace analysis. In the present work we quantify the ultimate potential of this technique by measuring absolute ion yields produced from the interaction of 267 nm femtosecond laser pulses with the organic molecules indole and toluene, and gases Xe, N2 and O2. Using multiphoton ionization cross sections extracted from these results, we show that the laser pulse parameters required for real-time detection of aromatic molecules at concentrations of one part per trillion in air and a limit of detection of a few attomoles are achievable with presently available commercial laser systems. The potential applications for the analysis of human breath, blood and tissue samples are discussed.

Réduction de la durée de vie des porteurs de charge dans le silicium noir par implantation ionique

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal.

An Optical limiter based on Ferrofluids

We report an optical limiter based on ferrofluids which has a very high shelf life and remarkable thermal stability, which are important requirements for sustainable use with intense lasers. The colloidal suspensions contain nanosized particles of approximately 80 Å diameter, with a number density of the order of 1022 /m3. The nonlinear optical transmission of the samples is studied using nanosecond and femtosecond laser pulses. Excited state absorption phenomena contribute to enhanced limiting in the nanosecond excitation regime. An advantageous feature of ferrofluids in terms of device applications is that their optical properties are controllable by an external magnetic field.

Squeezed thermal phonons precurse nonthermal melting of silicon as a function of fluence

A femtosecond-laser pulse can induce ultrafast nonthermal melting of various materials along pathways that are inaccessible under thermodynamic conditions, but it is not known whether there is any structural modification at fluences just below the melting threshold. Here, we show for silicon that in this regime the room-temperature phonons become thermally squeezed, which is a process that has not been reported before in this material. We find that the origin of this effect is the sudden femtosecond-laser-induced softening of interatomic bonds, which can also be described in terms of a modification of the potential energy surface. We further find in ab initio molecular-dynamics simulations on laser-excited potential energy surfaces that the atoms move in the same directions during the first stages of nonthermal melting and thermal phonon squeezing. Our results demonstrate how femtosecond-laser-induced coherent fluctuations precurse complete atomic disordering as a function of fluence. The common underlying bond-softening mechanism indicates that this relation between thermal squeezing and nonthermal melting is not material specific.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Exploring NOy chemistry in levitated aqueous aerosol droplets

Chemistry of reactive nitrogen oxides, NOy, is crucial for our understanding of composition and properties of the Earth’s atmosphere. The proof-of-principle experiments demonstrated that we are able to study the atmospheric fate of nitrogen oxides that has significant impact on global climate and hydrological cycle, thus affecting the likelihood of local floods and acid rain.

Dinitrogen release from arylpentazole: A picosecond time-resolved infrared, spectroelectrochemical, and DFT computational study

p-(Dimethylamino)phenyl pentazole, DMAP-N5 (DMAP = Me2N−C6H4), was characterized by picosecond transient infrared spectroscopy and infrared spectroelectrochemistry. Femtosecond laser excitation at 310 or 330 nm produces the DMAP-N5 (S1) excited state, part of which returns to the ground state (τ = 82 ± 4 ps), while DMAP-N and DMAP-N3 (S0) are generated as double and single N2-loss photoproducts with η ≈ 0.14. The lifetime of DMAP-N5 (S1) is temperature and solvent dependent. [DMAP-N3]+ is produced from DMAP-N5 in a quasireversible, one-electron oxidation process (E1/2 = +0.67 V). Control experiments with DMAP-N3 support the findings. DFT B3LYP/6-311G** calculations were used to identify DMAP-N5 (S1), DMAP-N3 +, and DMAP-N in the infrared spectra. Both DMAP-N5 (S1) and [DMAP-N5]+ have a weakened N5 ring structure.

Excited-state absorption spectroscopy in oxidized Cytochrome c

This work reports on the excited-state absorption spectrum of oxidized Cytochrome c (Fe(3+)) dissolved in water, measured with the Z-scan technique with femtosecond laser pulses. The excited-state absorption cross-sections between 460 and 560 nm were determined with the aid of a three-energy-level model. Reverse saturable absorption was observed below 520 nm, while a saturable absorption process occurs in the Q-band, located around 530 nm. Above 560 nm, a competition between saturable absorption and two-photon absorption was inferred. These results show that Cytochrome c presents distinct nonlinear behaviors, which may be useful to study electron transfer chemistry in proteins by one- and two-photon absorption. In addition, owing to these nonlinear optical features, this molecule may be employed in applications involving photodynamics therapy and saturable absorbers. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nonlinear refractive index of RECOB (RE = Gd and La) crystals

The Z-scan technique is employed to obtain the nonlinear refractive index (n (2)) of the Ca(4)REO(BO(3))(3) (RECOB, where RE = Gd and La) single crystals using 30 fs laser pulses centered at 780 nm for the two orthogonal orientations determined by the optical axes (X and Z) relative to the direction of propagation of the laser beam (k//Y// crystallographic b-axis). The large values of n (2) indicate that both GdCOB and LaCOB are potential hosts for Yb:RECOB lasers operating in the Kerr-lens mode locking (KLM) regime.

Two-photon absorption in perylene derivatives

This work reports on the two-photon absorption (2PA) cross-section for bis (n-butylimido) perylene (BuPTCD), bis (benzimidazo) perylene (AzoPTCD), bis (benzimidazo) thioperylene (Monothio BZP), bis (phenethylimido) perylene (PhPTCD), bis (benzylimido) perylene (BePTCD) and n-pentylimido-benzimidazo perylene (PAzoPTCD) solutions measured using the Z-scan technique with femtosecond laser pulses at 775 nm. All perylene derivatives studied present large 2PA cross-sections, only comparable to the best ones reported in the literature. The experimental 2PA cross-sections obtained for each PTCD compound are in good agreement with a simplified sum-over-state calculation. The results of the present work indicates perylene derivatives as promising materials for two-photon applications. (C) 2003 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

NIR luminescent Er3+/Yb3+ co-doped SiO2-ZrO2 nanostructured planar and channel waveguides: Optical and structural properties

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Bulk photochromism in a tungstate-phosphate glass: A new optical memory material?

In this work, we present a new photochromic tungstate based glass which have both absorption coefficient and refractive index modified under laser exposure. The photosensitive effect is superficial under ultraviolet (UV) irradiation but occurs in the entire volume of the glass under visible irradiation. The effect can be obtained in any specific point inside the volume using an infrared femtosecond laser. In addition, the photosensitive phenomenon can be erased by specific heat treatment. This glass can be useful to substitute actual data storage supports and is a promising material for 3-dimensional (3D) and holographic optical storage.

Broadband NIR Emission in Sol-Gel Er(3+)-Activated SiO(2)-Ta(2)O(5) Glass Ceramic Planar and Channel Waveguides for Optical Application

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)