Attosekunden Laserpulse und high harmonics

Präsentation zum Thema: "Attosekunden Laserpulse und high harmonics"—  Präsentation transkript:

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

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

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

4 Wozu ultrakurze Lichtpulse?
Eröffnet die zeitaufgelöste Spektroskopie atomarer Prozesse im Attosekunden-Bereich: Auger-Effekt Elektronenbewegung 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 Bisher: freie-Elektronen-Laser (FEL) Große Anlagen nötig (Vorteil: Spektrum kontiniuerlich)

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

9 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

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

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

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

13 Grundlagen Ähnliches Phänomen: „freak waves“

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

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

16 high harmonics Atome können durch starke Lichtfelder ionisiert werden  „Laserionisation“ T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields ~109 V/m

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

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

19 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

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

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

22 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 ...

23 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!)

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

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

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

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

28 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

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

30 Realisierung 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 fs-Lasersystem

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

33 Realisierung Typischerweise besteht ein high harmonic experiment aus:
fs-Laser Gasjet 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
Die Ausbeute ist vergleichsweise niedrig harmonic order

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

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

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

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

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

42 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

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

44 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

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

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

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

50 ENDE Mainz,