Attosekunden Laserpulse und high harmonics

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

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

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

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

16. 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 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 T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields Atompotential im Laserfeld Anregungsprozess

18. high harmonics • Multiphotonen – Absorption Ionisation Rekombination ħωL nħωL= ħωH Kontinuum Niveaus

19. high harmonics • Elektronen werden im Lichtfeld beschleunigt (Absorption von n Photonen)… • …und zur Rekombination gebracht •  Aussendung eines Photonen mit E = nħω • 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 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740 Cosinus - förmiger fs-Puls

21. high harmonics 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 5x1014W/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. 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 (FWHM) @ 5x1014W/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 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. ÜBERBLICK • Wozu ultrakurze Lichtpulse? • Grundlagen • high harmonics • Realisierung • Propagation • Anwendungen

38. Propagation • Theoretische Berechnung: 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. 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 „optischer“ Doppelspalt

49. Literaturangaben • J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740Attosecond 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