Coherence in ultrashort light pulses and applications in temporal optics.

Abstract

In the last decades, the generation of lasers delivering pulses with durations in the order of femtosecond has constituted an important research topic for the Physics and Engineering communities. The characteristics of this kind of radiation, i.e., broadband spectrum, enormous temporal resolution, high peak-power with low energy average, potentially high repetition rate and high spatial coherence make it an indispensable tool in order to develop many applications in different fields of science and technology. Ultrafast laser technology is ready to offer real world applications ranging from high-tech, such us high-speed circuit testing and biological imaging, to more industrial applications like quality control. The markets that are already or will be influenced in the near future include industries as telecommunications, automotive, electronics, medical and inspection of consumer goods, to name only a few. In this direction, the so-called Space-Time analogy is an important tool for designing new schemes for ultrashort light pulse processing. It is based on the formal similitude between the diffraction of 1D light beams and the distortion of short light pulses in a first-order dispersive medium. <br/><br/>In this Thesis, we have extended this analogy from the fully coherent to the partially coherent and quantum regimes. In the fully coherent regime in particular, we have proposed a new system for the tuning of spectral envelope of a short light pulse without altering the input profile. In addition, we have explained the phenomenon of phase-to-amplitude conversion in terms of the Fresnel images of a phase-only diffraction grating. In the partially coherent regime, we have made use of the optical coherence theory to analyze theoretically the influence of the finite source linewidth optical communication systems, as well as the distortion of optical frequency combs due to the general noise in mode-locked lasers. Alternatively, we have proposed and experimentally verified a technique for arbitrary radio-frequency and microwave waveform generation that operates with incoherent broadband light. Finally, in the quantum regime, we have recognized an analogy between the distortion of entangled photons and partially coherent pulses in dispersive media. This similarity has allowed us to point out that many quantum systems do not really require a two-photon light source, so that their complexity can be greatly reduced.

En las últimas décadas, la generación de haces ópticos pulsados con una duración temporal del orden del pico y femtosegundo ha constituido uno de los temas de investigación más candentes en el ámbito de la Física y la Ingeniería. Los sectores que se benefician o beneficiarán de esta tecnología en un futuro cercano incluyen industrias como telecomunicaciones, automoción, electrónica, diagnóstico médico y control de calidad. Todas las potenciales aplicaciones de los pulsos ultracortos requieren de un procesado y manipulación con extremada precisión en el dominio óptico. En esta dirección, la denominada analogía Espacio-Tiempo constituye una importante herramienta para la adaptación de nuevas técnicas ultrarrápidas, basándose en la similitud formal que existe entre la difracción de haces ópticos y la distorsión de pulsos ultracortos en medios dispersivos.<br/><br/><br/>En esta Tesis, se ha extendido esta analogía del caso puramente coherente hasta los regímenes parcialmente coherente y cuántico. En el régimen coherente en particular, se ha propuesto un nuevo sistema para la sintonización del ancho de banda de un pulso ultracorto sin cambiar el perfil espectral. Asimismo, se ha explicado el efecto de conversión de onda continua a radiación pulsada en términos de las imágenes de Fresnel de una red pura de fase. En el régimen parcialmente coherente, se ha utilizado la teoría de la coherencia óptica para analizar teóricamente la influencia del ancho de línea en sistemas ópticos de comunicaciones, así como la distorsión de peines de frecuencia debido al ruido presente en todos los sistemas láser. Por otro lado, se ha propuesto y verificado experimentalmente una técnica que utiliza luz incoherente de banda ancha para le generación de perfiles arbitrarios de señales de microondas. Finalmente, en el régimen cuántico, se ha reconocido una similitud formal entre la distorsión de luz cuántica entrelazada tipo "dos fotones" y los pulsos parcialmente coherentes. Esto ha permitido destacar que muchos sistemas cuánticos actualmente en estudio no necesitan realmente una fuente de dos fotones, por lo que su complejidad puede ser reducida enormemente.