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

ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen high harmonics Realisierung Propagation Anwendungen

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

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

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

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

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

Wozu ultrakurze Lichtpulse? Oder noch größere… ESRF in Grenoble

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

Grundlagen ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? high harmonics Realisierung Propagation Anwendungen

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

Grundlagen Pulsbreite – Spektrum Beziehung Zeitraum Frequenzraum bel. Einheit Fouriertrans-formaton Zeit Frequenz

Grundlagen Ähnliches Phänomen: „freak waves“

high harmonics ÜBERBLICK Wozu ultrakurze Lichtpulse? Grundlagen Realisierung Propagation Anwendungen

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

high harmonics Atome können durch starke Lichtfelder ionisiert werden  „Laserionisation“ 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields ~109 V/m

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

high harmonics Multiphotonen – Absorption ħωL n ħωL= ħωH Ionisation Rekombination ħωL n ħωL= ħωH Kontinuum Niveaus

high harmonics Elektronen werden im Lichtfeld beschleunigt (Absorption von n Photonen)… …und zur Rekombination gebracht  Aussendung eines Photonen mit E = n ħω Das sind high harmonics! 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

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

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

high harmonics 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 ...

high harmonics ... mit den Parametern des Laserfelds: Pulsdauer 5 fs linear polarisiert mit λ = 800 nm Wasserstoffgas Peak – Intensität 5x1014 W/cm2 VORSICHT: Stark vereinfachtes Einteilchen-modell! (Normalerweise: gekoppelte Maxwellgleichungen und Schrö-dingergleichungen lösen  viel Spaß!)

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

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

Realisierung Hohe Intensitäten werden in kurzen Laserpulsen erreicht  Verwendung von fs-Pulslasern Limit: ~5 fs (FWHM) @ 5x1014 W/cm2 Grund: Verstärkungsbandbreite von Ti:Sa λ= 500 – 1000 nm Bei „blauerem“ Licht wären kürzere Pulse möglich

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

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

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

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

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

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

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

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

Realisierung Kapillarröhrchen: d ~ 0.2 mm

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

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

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

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

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

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

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

Anwendungen Anwendbar auf den Auger-Effekt: Auger - Effekt

Anwendungen Quanten – Interferenz – Messungen: Anregung eines Atoms mit Breitband Laserpuls Das Dipolmoment oszilliert mit der Rabi – Frequenz 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  Durch Messung der Interferenzamplitude kann die Energiedifferenz genau berechnet werden

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

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

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)

Anwendungen „Optischer Doppelspalt“ - Experiment

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 S. Witte, Th. Zinkstok, W. Ubachs, W. Hogervorst, K. Eijkema: Deep Ultraviolet Metrology with Ultrashort Laser Pulses

ENDE Mainz, 17.05.2006