EDP Sciences 1775641518 20260408 fre

laboutique.edpsciences.fr-R001724 03 01 01 R001724 00 ED E107 00 01 01 Ultrafast Laser Technologies and Applications Femto-UP 2020 01 eng 08 272 03 22 22583893 17 01 P1 EDP Sciences 01 01 P1 EDP Sciences 17 avenue du Hoggar - PA de Courtaboeuf - 91944 Les Ulis cedex A http://publications.edpsciences.org/ 11 00 20220728 02 01 002117 03 9782759827206 15 9782759827206 03 01 D1 EDP Sciences 29 https://laboutique.edpsciences.fr/open_access_download/2117/1724 45 03 laboutique.edpsciences.fr-002117 03 01 01 002117 03 9782759827206 15 9782759827206 10 EA E107 10 00 01 R001724 ED E107 1 10 01 02 Hors Collection - 01 01 Ultrafast Laser Technologies and Applications Femto-UP 2020 1 B15 01 A2072 Jérémie Léonard Léonard, Jérémie Jérémie Léonard Jérémie LÉONARD est directeur de recherche CNRS à l'IPCMS (Strasbourg, France). Il a présidé l'école Femto-UP 2020. Jérémie LÉONARD is CNRS directeur derecherche at IPCMS (Strasbourg, France). He chaired the Femto-UP 2020 School.<o:p></o:p> 2 B15 01 A2073 Charles Hirlimann Hirlimann, Charles Charles Hirlimann Charles HIRLIMANN est directeur de recherche émérite du CNRS à l'IPCMS (Strasbourg, France). Charles HIRLIMANN is CNRS directeur derecherche émérite at IPCMS (Strasbourg, France).<o:p></o:p> 01 eng 08 268 03 01 24 Izibook:Subject Physique Générale 24 Izibook:Subject Ondes / optique 24 Izibook:SubjectAndCategoryAndTags |Physique Générale| 24 Izibook:SubjectAndCategoryAndTags |Ondes / optique| 20 Ultrafast laser;ultrashort laser pulses;laser technology;laser applications 10 2011 BISACSCI055000 01 530 05 06 06 03 00 This book gathers original tutorials delivered as lectures by the authors at the international Femto-UP 2020 School, which took place online from 8th to 29th of March 2021 and gathered 600participants worldwide. Like the previous occurrences of the Femto-UP School,the 2020 edition and this book do target a multidisciplinary public of scientists at various points of their carrier from undergraduate and graduate students to senior researchers and technical staff. The aim is to provide generic scientific knowledge on ultrafast laser technologies including generation,amplification, manipulation and characterization of ultrashort laser pulses, and pedagogical accounts of a selection of state-of-the-art applications of ultrashort laser pulses.<o:p></o:p>The Femto-UP 2020 School comprised numerical practical sessions using original pedagogical or technical numerical tools (based on the Python programming language) also included to this Book as supplementary electronic material.<o:p></o:p> This book gathers original tutorials delivered as lectures by the authors at the international Femto-UP 2020 School, which took place online from 8th to 29th of March 2021 and gathered 600participants worldwide. Like the previous occurrences of the Femto-UP School, the 2020 edition and this Book do target a multidisciplinary public of scientists at various points of their carrier from undergraduate and graduate students to senior researchers and technical staff. The aim is to provide generic scientific knowledge on ultrafast laser technologies including generation, amplification, manipulation and characterization of ultrashort laser pulses, and pedagogical accounts of a selection of state-of-the-art applications of ultrashort laser pulses.<o:p></o:p>The Femto-UP 2020 School comprised numerical practical sessions using original pedagogical or technical numerical tools (based on the Python programming language) also included to this book as supplementary electronic material.<o:p></o:p> 02 00 ThisBook provides generic scientific knowledge on ultrafast laser technologies including generation, amplification, manipulation and characterization of ultrashort laser pulses, and pedagogical accounts of a selection of state-of-the-art applications of ultrashort laser pulses.<o:p></o:p> This book provides generic scientific knowledge on ultrafast laser technologies including generation, amplification, manipulation and characterization of ultrashort laser pulses, and pedagogical accounts of a selection of state-of-the-art applications of ultrashort laser pulses.<o:p></o:p> 04 00 Contents<o:p></o:p>Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . III<o:p></o:p>Authors List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . VII<o:p></o:p>CHAPTER 1<o:p></o:p>Around the Genesis of Femto-Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 1<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 16<o:p></o:p>CHAPTER 2<o:p></o:p>Generation of Femtosecond Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 19<o:p></o:p>2.2 Description of Ultrashort Light Pulses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 19<o:p></o:p>2.2.1 Real and Complex Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 19<o:p></o:p>2.2.2 Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 21<o:p></o:p>2.2.3 Temporal and Spectral Widths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 22<o:p></o:p>2.2.4 Case of a Gaussian Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 22<o:p></o:p>2.2.5 Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.6 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 25<o:p></o:p>2.3 Generation of Femtosecond Pulses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 26<o:p></o:p>2.3.1 Fundamental of Mode-Locking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 26<o:p></o:p>2.3.2 Group Velocity Dispersion Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<o:p></o:p>2.3.3 Oscillator Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 32<o:p></o:p>2.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 35<o:p></o:p>CHAPTER 3<o:p></o:p>Trends, Challenges and Applications of High-Average Power Ultrafast Lasers. . . . . . .. . 37<o:p></o:p>3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 37<o:p></o:p>3.2 Summary of Important Ultrashort Pulse Parameters . . . . . . . . . . . . . . 38<o:p></o:p>3.3 High Average Power Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 41<o:p></o:p>3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 41<o:p></o:p>3.3.2 Example: The Thin-Disk Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42<o:p></o:p>3.3.3 State of the Art of the Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 45<o:p></o:p>3.3.4 Applications Driving These Advances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46<o:p></o:p>3.4 Ongoing Challenge for High-Power Ultrafast Laser Technology: Pulse Duration. . .. . .. . . . .. . . . . . 47<o:p></o:p>3.4.1 Self-Phase Modulation and Self-Focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . 48<o:p></o:p>3.4.2 State-of-the-Art Pulse Compression of High-Average Power UltrafastLasers . . . . .. . . . .. . . . . . . . . 52<o:p></o:p>3.5 Conclusion and Outlook Towards Future Directions . . . . . . . . . . . . . . 54<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 54<o:p></o:p>CHAPTER 4<o:p></o:p>Basics of Femtosecond Pulse Manipulation: Simple Numerical Tools . . . . . . . 57<o:p></o:p>4.1 Presentation of Useful Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 58<o:p></o:p>4.1.1 Travelling Between Time and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<o:p></o:p>4.1.2 Fourier Transform and Inverse Fourier Transform . . . . . . . . . . . 60<o:p></o:p>4.1.3 Definition of Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 62<o:p></o:p>4.1.4 Pulse Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 65<o:p></o:p>4.1.5 Time–FrequencyRepresentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<o:p></o:p>4.2 Influence of the Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.1 Effect of a Linear Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 71<o:p></o:p>4.2.2 Quadratic Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 72<o:p></o:p>4.2.3 Cubic Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 75<o:p></o:p>4.3 Linear Dispersion in Different Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 77<o:p></o:p>4.3.1 Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 78<o:p></o:p>4.3.2 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 78<o:p></o:p>4.3.3 Definition of Input Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 79<o:p></o:p>4.3.4 Propagation in Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 80<o:p></o:p>4.3.5 Propagation in SiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 84<o:p></o:p>4.3.6 Temporal Broadening vs. Duration of the Input Pulse . . . . . . . 84<o:p></o:p>4.3.7 Compensation of Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 86<o:p></o:p>4.4 Self-Phase Modulation (SPM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 88<o:p></o:p>4.4.1 Influence of Self-Phase Modulation on a Gaussian Pulse . . . . . . 89<o:p></o:p>4.4.2 When Does Self-Phase Modulation Become a Problem? . . . . . . 92<o:p></o:p>4.4.3 Compensation of Self-Phase Modulation by a Quadratic Phase . 93<o:p></o:p>4.4.4 Post-Compression of Femtosecond Laser Pulses . . . . . . . . . . . . 96<o:p></o:p>4.5 Influence of Mirrors on Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 100<o:p></o:p>4.5.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 100<o:p></o:p>4.5.2 Reflectivity in Amplitude in S and P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101<o:p></o:p>4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 107<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 108<o:p></o:p>CHAPTER 5<o:p></o:p>Femtosecond Pulse Shaping and Characterization: From Simulation to ExperimentalPulse Retrieval Using a Python-Based User Friendly Interface.111<o:p></o:p>5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 111<o:p></o:p>5.2 Simulation and Retrieval of Synthetic Laser Pulses . . . . . . . . . . . . . . . 113<o:p></o:p>5.2.1 Pulse Shaping and Field Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113<o:p></o:p>5.2.2 Simulation Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.2.3 Retrieving Traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 117<o:p></o:p>5.3 Implementation in the Laboratory and Retrieval of Experimental Data . .. . . . . . . . . . 118<o:p></o:p>5.3.1 Experimental Pulse Retrieval: The Example of Post-Compression in aHollow-Core Fiber.. . . . 118<o:p></o:p>5.3.2 Interfacing a Dispersion Scan Measurement in PyMoDAQ . . . . 120<o:p></o:p>5.3.3 Retrieving the Temporal Profile of Few-Cycle Pulses Using PyMoDAQ-Femto. . . .. . . . . .. . . . . 121<o:p></o:p>5.3.4 Examples of Retrieved Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 127<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 127<o:p></o:p>CHAPTER 6<o:p></o:p>High-Order Harmonic Generation (HHG): From Concept to Applications . . . 129<o:p></o:p>6.1 Basic Characteristics of a HHG Source and Historical Context . . . . . . 130<o:p></o:p>6.2 Semi-Classical Model for HHG: From Three-Step Model to SFA byLewenstein . . . .. . . . . .. . . . 133<o:p></o:p>6.3 Macroscopic Study of HHG: The Problem of Phase-Matching andRe-Absorption Limit . . .. . . . . . . . . 138<o:p></o:p>6.4 The Attosecond Structure of HHG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 147<o:p></o:p>6.5 New Trends in HHG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 153<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 154<o:p></o:p>Bonus: The Lewenstein Model for Dummies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 156<o:p></o:p>CHAPTER 7<o:p></o:p>Ultra-Intense Laser Pulses and the High Power Laser System at Extreme LightInfrastructure – Nuclear Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 165<o:p></o:p>7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 166<o:p></o:p>7.2 From Fundamental Forces to the Technology for Producing the HighestIntensities. . . .. . . . . 166<o:p></o:p>7.2.1 Laser Beam and Laser Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 166<o:p></o:p>7.2.2 Why Does Intensity Matter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 171<o:p></o:p>7.2.3 Temporal Contrast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 174<o:p></o:p>7.2.4 Chirped Pulse Amplification (CPA) Architecture . . . . . . . . . . . 175<o:p></o:p>7.3 The ELI-NP HPLS Laser System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 176<o:p></o:p>7.3.1 The HPLS Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 176<o:p></o:p>7.3.2 HPLS Compliance with Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180<o:p></o:p>7.3.3 Beam Transport to the Experimental Areas . . . . . . . . . . . . . . . 182<o:p></o:p>7.4 Extreme Light Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 183<o:p></o:p>7.4.1 ELI-Beamlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 184<o:p></o:p>7.4.2 ELI-ALPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 184<o:p></o:p>7.4.3 ELI-NP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 186<o:p></o:p>7.4.4 ELI Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 186<o:p></o:p>7.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 187<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 187<o:p></o:p>CHAPTER 8<o:p></o:p>Coherent Multidimensional Spectroscopies: Advanced Spectroscopic Techniquesto Unveil Complex Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191<o:p></o:p>8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 191<o:p></o:p>8.2 Electronic Transitions in 2DES Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 194<o:p></o:p>8.2.1 How a 2DES Map is Built . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194<o:p></o:p>8.2.2 Third-Order Signal in a 2DES Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 196<o:p></o:p>8.2.3 Diagonal and Off-Diagonal Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 198<o:p></o:p>8.2.4 Signal as a Function of t2: Population and Coherence Decay . . . 200<o:p></o:p>8.3 Experimental Considerations and Implementations . . . . . . . . . . . . . . . 202<o:p></o:p>8.4 Application to Complex Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 203<o:p></o:p>8.4.1 Biological Light Harvesting and Photosynthesis . . . . . . . . . . . . 204<o:p></o:p>8.4.2 Artificial Molecular Nano-Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 204<o:p></o:p>8.4.3 Colloidal Semiconductor Nanocrystals (Quantum Dots) . . . . . . 206<o:p></o:p>8.4.4 Solid-State Materials Based on Semiconductor Nanocrystals . . . 208<o:p></o:p>8.4.5 Operating Devices and Chemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . 208<o:p></o:p>8.5 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 209<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 210<o:p></o:p>CHAPTER 9<o:p></o:p>Nonlinear Optical Imaging at the Nanoscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 221<o:p></o:p>9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 221<o:p></o:p>9.2 Principles of Nonlinear Optical Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 224<o:p></o:p>9.2.1 One- and Two-Photon Fluorescence Microscopy . . . . . . . . . . . . 224<o:p></o:p>9.2.2 Second-Order Coherent Nonlinear Microscopy . . . . . . . . . . . . . 229<o:p></o:p>9.2.3 Practical Aspects of Nonlinear Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 231<o:p></o:p>9.2.4 Third-Harmonic Generation and Four-Wave Mixing . . . . . . . . . 235<o:p></o:p>9.2.5 Coherent Anti-Stokes Raman Scattering and Stimulated RamanScattering . . . . .. . . . .. . . . . . . . . 236<o:p></o:p>9.3 Polarized Nonlinear Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 236<o:p></o:p>9.3.1 Molecular Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 237<o:p></o:p>9.3.2 Polarized Two-Photon Fluorescence Microscopy . . . . . . . . . . . . 238<o:p></o:p>9.3.3 Polarized Second Harmonic Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241<o:p></o:p>9.3.4 Polarized FWM and CARS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244<o:p></o:p>9.3.5 Sub-Diffraction Vectorial Imaging in Metal Nanostructures. . . . 245<o:p></o:p>9.4 In Depth Nonlinear Microscopy in Complex Media . . . . . . . . . . . . . . . 247<o:p></o:p>9.4.1 Nonlinear Microscopy in the Presence of Aberrations: AdaptiveOptics . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . 247<o:p></o:p>9.4.2 Nonlinear Microscopy in Scattering Media . . . . . . . . . . . . . . . . 247<o:p></o:p>9.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 252<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 252<o:p></o:p>  Contents<o:p></o:p>Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . III<o:p></o:p>Authors List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . VII<o:p></o:p>CHAPTER 1<o:p></o:p>Around the Genesis of Femto-Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 1<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 16<o:p></o:p>CHAPTER 2<o:p></o:p>Generation of Femtosecond Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 19<o:p></o:p>2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 19<o:p></o:p>2.2 Description of Ultrashort Light Pulses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 19<o:p></o:p>2.2.1 Real and Complex Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 19<o:p></o:p>2.2.2 Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 21<o:p></o:p>2.2.3 Temporal and Spectral Widths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 22<o:p></o:p>2.2.4 Case of a Gaussian Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 22<o:p></o:p>2.2.5 Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 23<o:p></o:p>2.2.6 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 25<o:p></o:p>2.3 Generation of Femtosecond Pulses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 26<o:p></o:p>2.3.1 Fundamental of Mode-Locking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 26<o:p></o:p>2.3.2 Group Velocity Dispersion Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29<o:p></o:p>2.3.3 Oscillator Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 32<o:p></o:p>2.4 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 34<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 35<o:p></o:p>CHAPTER 3<o:p></o:p>Trends, Challenges and Applications of High-Average Power Ultrafast Lasers. . . . . . .. . 37<o:p></o:p>3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 37<o:p></o:p>3.2 Summary of Important Ultrashort Pulse Parameters . . . . . . . . . . . . . . 38<o:p></o:p>3.3 High Average Power Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 41<o:p></o:p>3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 41<o:p></o:p>3.3.2 Example: The Thin-Disk Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42<o:p></o:p>3.3.3 State of the Art of the Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 45<o:p></o:p>3.3.4 Applications Driving These Advances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46<o:p></o:p>3.4 Ongoing Challenge for High-Power Ultrafast Laser Technology: Pulse Duration. . .. . .. . . . .. . . . . . 47<o:p></o:p>3.4.1 Self-Phase Modulation and Self-Focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . 48<o:p></o:p>3.4.2 State-of-the-Art Pulse Compression of High-Average Power UltrafastLasers . . . . .. . . . .. . . . . . . . . 52<o:p></o:p>3.5 Conclusion and Outlook Towards Future Directions . . . . . . . . . . . . . . 54<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 54<o:p></o:p>CHAPTER 4<o:p></o:p>Basics of Femtosecond Pulse Manipulation: Simple Numerical Tools . . . . . . . 57<o:p></o:p>4.1 Presentation of Useful Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 58<o:p></o:p>4.1.1 Travelling Between Time and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<o:p></o:p>4.1.2 Fourier Transform and Inverse Fourier Transform . . . . . . . . . . . 60<o:p></o:p>4.1.3 Definition of Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 62<o:p></o:p>4.1.4 Pulse Duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 65<o:p></o:p>4.1.5 Time–FrequencyRepresentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66<o:p></o:p>4.2 Influence of the Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 70<o:p></o:p>4.2.1 Effect of a Linear Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 71<o:p></o:p>4.2.2 Quadratic Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 72<o:p></o:p>4.2.3 Cubic Spectral Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 75<o:p></o:p>4.3 Linear Dispersion in Different Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 77<o:p></o:p>4.3.1 Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 78<o:p></o:p>4.3.2 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 78<o:p></o:p>4.3.3 Definition of Input Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 79<o:p></o:p>4.3.4 Propagation in Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 80<o:p></o:p>4.3.5 Propagation in SiO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 84<o:p></o:p>4.3.6 Temporal Broadening vs. Duration of the Input Pulse . . . . . . . 84<o:p></o:p>4.3.7 Compensation of Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 86<o:p></o:p>4.4 Self-Phase Modulation (SPM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 88<o:p></o:p>4.4.1 Influence of Self-Phase Modulation on a Gaussian Pulse . . . . . . 89<o:p></o:p>4.4.2 When Does Self-Phase Modulation Become a Problem? . . . . . . 92<o:p></o:p>4.4.3 Compensation of Self-Phase Modulation by a Quadratic Phase . 93<o:p></o:p>4.4.4 Post-Compression of Femtosecond Laser Pulses . . . . . . . . . . . . 96<o:p></o:p>4.5 Influence of Mirrors on Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 100<o:p></o:p>4.5.1 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 100<o:p></o:p>4.5.2 Reflectivity in Amplitude in S and P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101<o:p></o:p>4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 107<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 108<o:p></o:p>CHAPTER 5<o:p></o:p>Femtosecond Pulse Shaping and Characterization: From Simulation to ExperimentalPulse Retrieval Using a Python-Based User Friendly Interface..111<o:p></o:p>5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 111<o:p></o:p>5.2 Simulation and Retrieval of Synthetic Laser Pulses . . . . . . . . . . . . . . . 113<o:p></o:p>5.2.1 Pulse Shaping and Field Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113<o:p></o:p>5.2.2 Simulation Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 114<o:p></o:p>5.2.3 Retrieving Traces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 117<o:p></o:p>5.3 Implementation in the Laboratory and Retrieval of Experimental Data . .. . . . . . . . . . 118<o:p></o:p>5.3.1 Experimental Pulse Retrieval: The Example of Post-Compression in aHollow-Core Fiber.. . . . 118<o:p></o:p>5.3.2 Interfacing a Dispersion Scan Measurement in PyMoDAQ . . . . 120<o:p></o:p>5.3.3 Retrieving the Temporal Profile of Few-Cycle Pulses Using PyMoDAQ-Femto. . . .. . . . . .. . . . . 121<o:p></o:p>5.3.4 Examples of Retrieved Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 125<o:p></o:p>5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 127<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 127<o:p></o:p>CHAPTER 6<o:p></o:p>High-Order Harmonic Generation (HHG): From Concept to Applications . . . 129<o:p></o:p>6.1 Basic Characteristics of a HHG Source and Historical Context . . . . . . 130<o:p></o:p>6.2 Semi-Classical Model for HHG: From Three-Step Model to SFA byLewenstein . . . .. . . . . .. . . . 133<o:p></o:p>6.3 Macroscopic Study of HHG: The Problem of Phase-Matching andRe-Absorption Limit . . .. . . . . . . . . 138<o:p></o:p>6.4 The Attosecond Structure of HHG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 147<o:p></o:p>6.5 New Trends in HHG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 153<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 154<o:p></o:p>Bonus: The Lewenstein Model for Dummies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 156<o:p></o:p>CHAPTER 7<o:p></o:p>Ultra-Intense Laser Pulses and the High Power Laser System at Extreme LightInfrastructure – Nuclear Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 165<o:p></o:p>7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 166<o:p></o:p>7.2 From Fundamental Forces to the Technology for Producing the HighestIntensities. . . .. . . . . 166<o:p></o:p>7.2.1 Laser Beam and Laser Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 166<o:p></o:p>7.2.2 Why Does Intensity Matter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 171<o:p></o:p>7.2.3 Temporal Contrast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 174<o:p></o:p>7.2.4 Chirped Pulse Amplification (CPA) Architecture . . . . . . . . . . . 175<o:p></o:p>7.3 The ELI-NP HPLS Laser System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 176<o:p></o:p>7.3.1 The HPLS Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 176<o:p></o:p>7.3.2 HPLS Compliance with Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180<o:p></o:p>7.3.3 Beam Transport to the Experimental Areas . . . . . . . . . . . . . . . 182<o:p></o:p>7.4 Extreme Light Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 183<o:p></o:p>7.4.1 ELI-Beamlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 184<o:p></o:p>7.4.2 ELI-ALPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 184<o:p></o:p>7.4.3 ELI-NP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 186<o:p></o:p>7.4.4 ELI Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 186<o:p></o:p>7.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 187<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 187<o:p></o:p>CHAPTER 8<o:p></o:p>Coherent Multidimensional Spectroscopies: Advanced Spectroscopic Techniquesto Unveil Complex Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191<o:p></o:p>8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 191<o:p></o:p>8.2 Electronic Transitions in 2DES Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 194<o:p></o:p>8.2.1 How a 2DES Map is Built . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194<o:p></o:p>8.2.2 Third-Order Signal in a 2DES Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 196<o:p></o:p>8.2.3 Diagonal and Off-Diagonal Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 198<o:p></o:p>8.2.4 Signal as a Function of t2: Population and Coherence Decay . . . 200<o:p></o:p>8.3 Experimental Considerations and Implementations . . . . . . . . . . . . . . . 202<o:p></o:p>8.4 Application to Complex Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 203<o:p></o:p>8.4.1 Biological Light Harvesting and Photosynthesis . . . . . . . . . . . . 204<o:p></o:p>8.4.2 Artificial Molecular Nano-Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 204<o:p></o:p>8.4.3 Colloidal Semiconductor Nanocrystals (Quantum Dots) . . . . . . 206<o:p></o:p>8.4.4 Solid-State Materials Based on Semiconductor Nanocrystals . . . 208<o:p></o:p>8.4.5 Operating Devices and Chemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . 208<o:p></o:p>8.5 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 209<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 210<o:p></o:p>CHAPTER 9<o:p></o:p>Nonlinear Optical Imaging at the Nanoscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 221<o:p></o:p>9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 221<o:p></o:p>9.2 Principles of Nonlinear Optical Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 224<o:p></o:p>9.2.1 One- and Two-Photon Fluorescence Microscopy . . . . . . . . . . . . 224<o:p></o:p>9.2.2 Second-Order Coherent Nonlinear Microscopy . . . . . . . . . . . . . 229<o:p></o:p>9.2.3 Practical Aspects of Nonlinear Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 231<o:p></o:p>9.2.4 Third-Harmonic Generation and Four-Wave Mixing . . . . . . . . . 235<o:p></o:p>9.2.5 Coherent Anti-Stokes Raman Scattering and Stimulated RamanScattering . . . . .. . . . .. . . . . . . . . 236<o:p></o:p>9.3 Polarized Nonlinear Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 236<o:p></o:p>9.3.1 Molecular Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 237<o:p></o:p>9.3.2 Polarized Two-Photon Fluorescence Microscopy . . . . . . . . . . . . 238<o:p></o:p>9.3.3 Polarized Second Harmonic Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241<o:p></o:p>9.3.4 Polarized FWM and CARS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244<o:p></o:p>9.3.5 Sub-Diffraction Vectorial Imaging in Metal Nanostructures. . . . 245<o:p></o:p>9.4 In Depth Nonlinear Microscopy in Complex Media . . . . . . . . . . . . . . . 247<o:p></o:p>9.4.1 Nonlinear Microscopy in the Presence of Aberrations: AdaptiveOptics . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . 247<o:p></o:p>9.4.2 Nonlinear Microscopy in Scattering Media . . . . . . . . . . . . . . . . 247<o:p></o:p>9.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 252<o:p></o:p>References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 252<o:p></o:p>  21 00 06 01 https://laboutique.edpsciences.fr/produit/1283/9782759827206/ultrafast-laser-technologies-and-applications 01 00 03 02 https://laboutique.edpsciences.fr/system/product_pictures/data/009/982/701/original/9782759827190-Femto-UP_couv-sofedis.jpg 17 14 20240913T183439+0200 01 P1 EDP Sciences 01 01 P1 EDP Sciences 17 avenue du Hoggar - PA de Courtaboeuf - 91944 Les Ulis cedex A http://publications.edpsciences.org/ 04 11 00 20220728 01 00 20220728 19 00 20220728 2026 06 3052868830012 01 WORLD 13 03 9782759827190 15 9782759827190 WORLD 08 EDP Sciences 04 01 00 20220728 03 01 D1 EDP Sciences 20 04 05 01 02 1 00 01 EUR