Impiego dell'ottica non lineare mediante laser ultraveloci nei processi di lavorazione dei materiali e nella diffrazione elettronica ultraveloce

This thesis explores the application of nonlinear optics and ultrafast laser technology in two complementary research activities: industrial material processing and the development of advanced instrumentation for time-resolved electron diffraction. The work is motivated by the ability of ultrashort laser pulses to confine electromagnetic energy both spatially and temporally, enabling access to nonlinear optical regimes where light-matter interactions deviate from conventional linear behavior. The first part of the research, conducted at Bright Solutions, focuses on laser ablation of metallic materials including aluminum alloy, stainless steel, and copper. A two temperature model is developed to simulate the interaction of laser pulses with metals across different temporal regimes, from 250 femtoseconds to 10 nanoseconds. The model treats electrons and the atomic lattice as two coupled subsystems with distinct temperatures, capturing the transient non-equilibrium that occurs when energy is deposited on timescales shorter than the electron-phonon coupling time. Ablation threshold fluences are predicted using a criterion based on the lattice reaching 90% of the thermodynamic critical temperature. These predictions are validated experimentally using the D2-method, which relates crater diameter to incident pulse energy for Gaussian beams. Good agreement between simulation and experiment is obtained for aluminum and stainless steel in the femtosecond regime, while discrepancies observed for copper and for nanosecond pulses highlight the influence of temperature-dependent optical properties and hydrodynamic effects not included in the current model. Incubation effects, where the ablation threshold decreases with increasing number of pulses, are characterized for all materials, providing essential parameters for multi-pulse processing applications. The second part of the research, conducted at the LUXEM laboratories, is dedicated to the design and implementation of a compact ultrafast electron diffraction beamline. This technique enables visualization of structural dynamics in materials by combining an optical pump pulse to initiate excitation with an electron probe pulse that captures snapshots of the atomic arrangement at controlled time delays. A complete beamline layout is designed, incorporating a motorized delay stage for temporal scanning and polarization control elements. Central to this work is the implementation of a third harmonic generation stage for converting near-infrared pulses at 800 nanometers to ultraviolet radiation at 266 nanometers, required for photoemission from a copper cathode. The nonlinear conversion process, realized through consecutive second harmonic generation and sum frequency generation in beta barium borate crystals, is systematically characterized.Complete spatial characterization of both the driver beam and the generated ultraviolet beam is performed, including measurements of divergence and M2 beam quality factor. Temporal characterization of the driver pulses is accomplished using frequency-resolved optical gating, yielding a pulse duration of 34 femtoseconds. Optimization of the conversion stage reveals important trade-offs between crystal thickness, conversion efficiency, and beam quality, with the optimal configuration producing ultraviolet pulses exhibiting a divergence of 0.28 milliradians and a beam quality factor of 1.43, indicating near-diffraction-limited performance essential for generating well-defined electron pulses. The results demonstrate the intrinsic connection between laser-based material processing and fundamental investigations of light-matter interactions. The two-temperature model provides a valuable tool for predicting ablation thresholds across different pulse durations, while the implemented ultrafast electron diffraction beamline establishes a platform for future time-resolved studies of structural dynamics in solids.

Questa tesi esplora l’applicazione dell’ottica non lineare e della tecnologia laser ultraveloce in due attività di ricerca complementari: la lavorazione industriale dei materiali e lo sviluppo di strumentazione avanzata per la diffrazione elettronica risolta temporalmente. Il lavoro è motivato dalla capacità degli impulsi laser ultracorti di confinare l’energia elettromagnetica sia spazialmente che temporalmente, consentendo l’accesso a regimi ottici non lineari in cui le interazioni luce-materia si discostano dal comportamento lineare convenzionale. La prima parte della ricerca, condotta presso Bright Solutions, si concentra sull’ablazione laser di materiali metallici tra cui lega di alluminio, acciaio inossidabile e rame. Viene sviluppato un modello a due temperature per simulare l’interazione di impulsi laser con i metalli in diversi regimi temporali, da 250 femtosecondi a 10 nanosecondi. Il modello tratta gli elettroni e il reticolo atomico come due sottosistemi accoppiati con temperature distinte, catturando il non-equilibrio transitorio che si verifica quando l’energia viene depositata su scale temporali inferiori al tempo di accoppiamento elettrone-fonone. Le fluenze di soglia di ablazione vengono previste utilizzando un criterio basato sul raggiungimento da parte del reticolo del 90% della temperatura critica termodinamica. Queste previsioni sono validate sperimentalmente mediante il metodo D2, che mette in relazione il diametro del cratere con l’energia dell’impulso incidente per fasci gaussiani. Si ottiene un buon accordo tra simulazione ed esperimento per alluminio e acciaio inossidabile nel regime dei femtosecondi, mentre le discrepanze osservate per il rame e per gli impulsi nanosecondi evidenziano l’influenza delle proprietà ottiche dipendenti dalla temperatura e degli effetti idrodinamici non inclusi nel modello attuale. Gli effetti di incubazione, per cui la soglia di ablazione diminuisce all’aumentare del numero di impulsi, vengono caratterizzati per tutti i materiali, fornendo parametri essenziali per applicazioni di lavorazione multi-impulso. La seconda parte della ricerca, condotta presso i laboratori LUXEM, è dedicata alla progettazione e realizzazione di una linea di luce compatta per diffrazione elettronica ultraveloce. Questa tecnica consente la visualizzazione delle dinamiche strutturali nei materiali combinando un impulso ottico di pompa per iniziare l’eccitazione con un impulso elettronico di sonda che cattura istantanee della disposizione atomica a ritardi temporali controllati. Viene progettato uno schema completo della linea di luce, che incorpora uno stadio di ritardo motorizzato per la scansione temporale ed elementi di controllo della polarizzazione. Centrale in questo lavoro è l’implementazione di uno stadio di generazione di terza armonica per convertire impulsi nel vicino infrarosso a 800 nanometri in radiazione ultravioletta a 266 nanometri, necessaria per la fotoemissione da un catodo di rame. Il processo di conversione non lineare, realizzato attraverso la generazione di seconda armonica e la generazione di frequenza somma in cristalli di beta borato di bario, viene sistematicamente caratterizzato. Viene eseguita una completa caratterizzazione spaziale sia del fascio driver che del fascio ultravioletto generato, incluse misure di divergenza e del fattore di qualità M2. La caratterizzazione temporale degli impulsi driver è realizzata mediante gating ottico risolto in frequenza, fornendo una durata d’impulso di 34 femtosecondi. L’ottimizzazione dello stadio di conversione rivela importanti compromessi tra spessore del cristallo, efficienza di conversione e qualità del fascio, con la configurazione ottimale che produce impulsi ultravioletti con una divergenza di 0.28 milliradianti e un fattore di qualità di 1.43, indicando prestazioni vicine al limite di diffrazione, essenziali per generare impulsi elettronici ben definiti.