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Mainz, 17.05.2006 Attosekunden Laserpulse und high harmonics Ein Vortrag im Rahmen des Seminars Moderne Experimente der Quantenoptik und Atomphysik Andreas.

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1 Mainz, Attosekunden Laserpulse und high harmonics Ein Vortrag im Rahmen des Seminars Moderne Experimente der Quantenoptik und Atomphysik Andreas Vogler

2 ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen Grundlagen high harmonics high harmonics Realisierung Realisierung Propagation Propagation Anwendungen Anwendungen

3 ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen Grundlagen high harmonics high harmonics Realisierung Realisierung Propagation Propagation Anwendungen Anwendungen

4 Wozu ultrakurze Lichtpulse? Eröffnet die zeitaufgelöste Spektroskopie atomarer Prozesse im Attosekunden-Bereich: Eröffnet die zeitaufgelöste Spektroskopie atomarer Prozesse im Attosekunden-Bereich: Auger-Effekt Auger-Effekt Elektronenbewegung Elektronenbewegung Untersuchung chemischer Reaktionen Untersuchung chemischer Reaktionen Auger - Effekt

5 Wozu ultrakurze Lichtpulse? T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields

6 Wozu ultrakurze Lichtpulse? T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields

7 Wozu ultrakurze Lichtpulse? Ermöglicht den handlichen Laser im XUV, weichen Röntgenbereich Ermöglicht den handlichen Laser im XUV, weichen Röntgenbereich Bisher: freie-Elektronen-Laser (FEL) Bisher: freie-Elektronen-Laser (FEL) Große Anlagen nötig (Vorteil: Spektrum kontiniuerlich) Große Anlagen nötig (Vorteil: Spektrum kontiniuerlich)

8 Wozu ultrakurze Lichtpulse? Oder noch größere… Oder noch größere… ESRF in Grenoble

9 Wozu ultrakurze Lichtpulse? Die Pulsdauer heutiger Lasersysteme ist auf wenige Femtosekunden limitiert Die Pulsdauer heutiger Lasersysteme ist auf wenige Femtosekunden limitiert Begrenzte Zeitauflösung in Spektroskopie Begrenzte Zeitauflösung in Spektroskopie keine geeigneten Lasermedien (und optischen Elemente) im VUV und Röntgenbereich keine geeigneten Lasermedien (und optischen Elemente) im VUV und Röntgenbereich Herkömmliche Frequenzverdopplung mit Kristallen (z.B. BBO) ist auf geringere Frequenzen begrenzt Herkömmliche Frequenzverdopplung mit Kristallen (z.B. BBO) ist auf geringere Frequenzen begrenzt

10 ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen Grundlagen high harmonics high harmonics Realisierung Realisierung Propagation Propagation Anwendungen Anwendungen

11 Grundlagen Aus Fouriertransformation Pulse aus konstruktiv überlagerten Wellen aufgebaut Aus Fouriertransformation Pulse aus konstruktiv überlagerten Wellen aufgebaut Wichtigste Bedingung: Kohärenz der Teilwellen Wichtigste Bedingung: Kohärenz der Teilwellen schmaler der Puls = großes Spektrum schmaler der Puls = großes Spektrum

12 Grundlagen Pulsbreite – Spektrum Beziehung Pulsbreite – Spektrum Beziehung ZeitraumFrequenzraum Fouriertrans- formaton ZeitFrequenz bel. Einheit

13 Grundlagen Ähnliches Phänomen: freak waves Ähnliches Phänomen: freak waves

14 ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen Grundlagen high harmonics high harmonics Realisierung Realisierung Propagation Propagation Anwendungen Anwendungen

15 high harmonics Woher kommen high harmonics? durch nichtlineare Wechselwirkung Woher kommen high harmonics? durch nichtlineare Wechselwirkung Hier: nichtlineare Reaktion von Atomen auf Laserpuls Hier: nichtlineare Reaktion von Atomen auf Laserpuls Nichtlinearität = Laserfeld + Coulombpotential Nichtlinearität = Laserfeld + Coulombpotential

16 high harmonics Atome können durch starke Lichtfelder ionisiert werden Laserionisation Atome können durch starke Lichtfelder ionisiert werden Laserionisation ~10 9 V/m T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields

17 high harmonics Anregungsprozess Atompotential im Laserfeld T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields

18 high harmonics ħω L n ħω L = ħω H Kontinuum Niveaus IonisationRekombination Multiphotonen – Absorption Multiphotonen – Absorption

19 high harmonics Elektronen werden im Lichtfeld beschleunigt (Absorption von n Photonen)… Elektronen werden im Lichtfeld beschleunigt (Absorption von n Photonen)… …und zur Rekombination gebracht …und zur Rekombination gebracht Aussendung eines Photonen mit E = n ħω Aussendung eines Photonen mit E = n ħω Das sind high harmonics! Das sind high harmonics! Bei Multi – Photonen Absorption ohne Rückbe- schleunigung würde das Atom dauerhaft ionisiert (ATI: Above threshold ionization) Bei Multi – Photonen Absorption ohne Rückbe- schleunigung würde das Atom dauerhaft ionisiert (ATI: Above threshold ionization) Durch geeignete Pulse kann man die release und recollision des Elektrons steuern Durch geeignete Pulse kann man die release und recollision des Elektrons steuern

20 high harmonics Cosinus - förmiger fs-Puls J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740

21 high harmonics Sinus - förmiger fs-Puls J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740

22 high harmonics Eine Berechnung des Spektrums ist durch die QM möglich, ein Beispiel: Eine Berechnung des Spektrums ist durch die QM möglich, ein Beispiel: Beschleunigung der Ladung …... Fourier-transfomieren und falten mit einer Fensterfunktion Gaußförmige Fensterfunktion, a = 260 as und numerisches lösen der Schrödingergleichung für das beschossene Gasatom ergibt...

23 high harmonics... mit den Parametern des Laserfelds:... mit den Parametern des Laserfelds: Pulsdauer 5 fs Pulsdauer 5 fs linear polarisiert mit λ = 800 nm linear polarisiert mit λ = 800 nm Wasserstoffgas Wasserstoffgas Peak – Intensität 5x10 14 W / cm 2 Peak – Intensität 5x10 14 W / cm 2 VORSICHT: Stark vereinfachtes Einteilchen- modell! (Normalerweise: gekoppelte Maxwellgleichungen und Schrö- dingergleichungen lösen viel Spaß!) VORSICHT: Stark vereinfachtes Einteilchen- modell! (Normalerweise: gekoppelte Maxwellgleichungen und Schrö- dingergleichungen lösen viel Spaß!)

24 high harmonics Elektronenenergie Dipolmoment Spektrum cutoff – Frequenz Zustandswahrscheinlichkeit Harm Geert Muller, Armin Scrinzi gering

25 ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen Grundlagen high harmonics high harmonics Realisierung Realisierung Propagation Propagation Anwendungen Anwendungen

26 Realisierung Hohe Intensitäten werden in kurzen Laserpulsen erreicht Hohe Intensitäten werden in kurzen Laserpulsen erreicht Verwendung von fs-Pulslasern Verwendung von fs-Pulslasern Limit: ~5 fs 5x10 14 W / cm 2 Limit: ~5 fs 5x10 14 W / cm 2 Grund: Verstärkungsbandbreite von Ti:Sa λ= 500 – 1000 nm Grund: Verstärkungsbandbreite von Ti:Sa λ= 500 – 1000 nm Bei blauerem Licht wären kürzere Pulse möglich Bei blauerem Licht wären kürzere Pulse möglich

27 Realisierung Zur Erinnerung: fs - Pulse enthalten nur wenige optische Perioden Zur Erinnerung: fs - Pulse enthalten nur wenige optische Perioden Bei 5 fs FWHM sind es lediglich 2 Zyklen Bei 5 fs FWHM sind es lediglich 2 Zyklen

28 Realisierung Hierzu nutzt man den Kerr-Effekt: fokussierendes Element bei hohen Intenstiäten Hierzu nutzt man den Kerr-Effekt: fokussierendes Element bei hohen Intenstiäten Schwingungszustände, die keine ausreichend hohe Spitzenintensitäten produzieren, sterben aus Schwingungszustände, die keine ausreichend hohe Spitzenintensitäten produzieren, sterben aus Der Laser wird zum Pulsbetrieb gezwungnen Der Laser wird zum Pulsbetrieb gezwungnen Ergebnis: Puslszug Ergebnis: Puslszug

29 Realisierung Spiegel Linse Kerr-Linse (meist das aktive Medium selbst)

30 Realisierung Man erzeugt fs-Pulse meist mit mode-locking Man erzeugt fs-Pulse meist mit mode-locking T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields

31 Realisierung fs-Lasersystem J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740

32 Realisierung T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields

33 Realisierung Typischerweise besteht ein high harmonic experiment aus: Typischerweise besteht ein high harmonic experiment aus: fs-Laser fs-Laser Gasjet Gasjet Detektion Detektion J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740

34 Realisierung Die Pulsdauer der HH – Pulse: ~ 250 as (FWHM)

35 Realisierung Kapillarröhrchen: d ~ 0.2 mm

36 Realisierung Typisches high harmonic Spektrum Typisches high harmonic Spektrum Die Ausbeute ist vergleichsweise niedrig Die Ausbeute ist vergleichsweise niedrig harmonic order

37 ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen Grundlagen high harmonics high harmonics Realisierung Realisierung Propagation Propagation Anwendungen Anwendungen

38 Propagation Theoretische Berechnung: Theoretische Berechnung: Propagationssimulation im Vakuum Harm Geert Muller, Armin Scrinzi

39 Propagation Aber: Propagation durch ein Medium Aber: Propagation durch ein Medium Re-Absorption Re-Absorption Streuung Streuung Defokussierung Defokussierung Dispersion: Dispersion: Freie Elektronen Freie Elektronen Fokussierung Fokussierung Intensitätsabnahme entlang des Gases Intensitätsabnahme entlang des Gases Teilweise durch Pulsenergie und Strahlradius kontrollierbar Teilweise durch Pulsenergie und Strahlradius kontrollierbar

40 ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen Grundlagen high harmonics high harmonics Realisierung Realisierung Propagation Propagation Anwendungen Anwendungen

41 Anwendungen Erweiterung des Frequenzkamms auf den XUV – Bereich (1000 fache Verbesserung) Erweiterung des Frequenzkamms auf den XUV – Bereich (1000 fache Verbesserung) UV Frequenzkamm NATURE Vol.436

42 Anwendungen Durch die as – Spektroskopie können auch Mikroprozesse direkt im Zeitbereich beobachtet werden Durch die as – Spektroskopie können auch Mikroprozesse direkt im Zeitbereich beobachtet werden Man verwendet hierzu das Prinzip der Schmierbildkamera (streak cam) Man verwendet hierzu das Prinzip der Schmierbildkamera (streak cam) Vortrag in 2 Wochen Vortrag in 2 Wochen

43 Anwendungen Anwendbar auf den Auger-Effekt: Anwendbar auf den Auger-Effekt: Auger - Effekt

44 Anwendungen Quanten – Interferenz – Messungen: Quanten – Interferenz – Messungen: Anregung eines Atoms mit Breitband Laserpuls Anregung eines Atoms mit Breitband Laserpuls Das Dipolmoment oszilliert mit der Rabi – Frequenz Das Dipolmoment oszilliert mit der Rabi – Frequenz Nach einer Zeit T wird ein Laserpuls mit diesem Zustand überlagert Interferenz Nach einer Zeit T wird ein Laserpuls mit diesem Zustand überlagert Interferenz Je nach Phase und Zeit T erhöht oder erniedrigt dies die Population der Zustände Je nach Phase und Zeit T erhöht oder erniedrigt dies die Population der Zustände Durch Messung der Interferenzamplitude kann die Energiedifferenz genau berechnet werden Durch Messung der Interferenzamplitude kann die Energiedifferenz genau berechnet werden

45 Anwendungen S. Witte, Th. Zinkstok, W. Ubachs, W. Hogervorst, K. Eijkema

46 Anwendungen

47 Anwendungen S. Witte, Th. Zinkstok, et al. A: Ionensignal bei einem (blau), zwei (rot) oder drei (grün) Pulsen B: Ionensignal für verschiedene Phasen zwischen den Ionisationspulsen C: Isotopenverschiebung zwischen Kr-84 (blau) und Kr-86 (gelb)

48 Anwendungen optischer Doppelspalt Optischer Doppelspalt - Experiment Optischer Doppelspalt - Experiment

49 Literaturangaben J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740 Attosecond physics: facing the wave–particle duality, Markus Drescher and Ferenc Krausz T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields Institut für Photonik, Technische Universität Wien Harm Geert Muller, Armin Scrinzi Attosecond Pulses: Generation, Detection and Applications Harm Geert Muller, Armin Scrinzi Attosecond Pulses: Generation, Detection and Applications S. Witte, Th. Zinkstok, W. Ubachs, W. Hogervorst, K. Eijkema: Deep Ultraviolet Metrology with Ultrashort Laser Pulses S. Witte, Th. Zinkstok, W. Ubachs, W. Hogervorst, K. Eijkema: Deep Ultraviolet Metrology with Ultrashort Laser Pulses

50 Mainz, ENDE


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