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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-21741
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2174/


Kaminski, Patrick

Untersuchungen der Wellenlängenabhängigkeit von Ionisationsprozessen von Xenon und Krypton in starken ultra-kurzen Laserfeldern

Studies of the wavelength dependence of ionization processes of xenon and krypton in strong ultra-short laser fields

Dokument1.pdf (27.043 KB) (md5sum: 3fb00a57b9056123c829abe20cbdbaef)

Kurzfassung in Deutsch

Die Beobachtung dynamischer Vorgänge steht nach wie vor im Mittelpunkt zahlreicher Forschungen auf vielen,
nicht nur physikalischen, Arbeitsgebieten. Die Beobachtung der
Dynamik eines Prozesses trägt oft wesentlich mehr zum Verständnis
der Physik bei als ausschließlich die Messung eines Endzustands
nach einer Wechselwirkung. Die zeitliche Auflösung, mit der ein
Prozess studiert werden kann, hängt sowohl von der Geschwindigkeit
ab, mit welcher der Prozess abläuft, als auch von den zur
Verfügung stehenden experimentellen Methoden, um den Vorgang zu
beobachten. Eine besondere Herausforderung an die Beobachter
stellt die atomare Bewegung in z.B. chemischen Reaktionen dar. Um
eine solche Dynamik auf atomaren Skalen über eine Distanz von
1 Angström zu verfolgen wird eine Zeitauflösung von circa 100 fs (=
10^-15 s benötigt. Die Wechselwirkung
von solch ultra-kurzen fs-Laserpulsen bei hohen Intensitäten
(10^12-10^15 W/cm^2) mit einzelnen Atomen, insbesondere
den Edelgasen, ist seit mehreren Jahrzehnten Gegenstand
zahlreicher experimenteller und theoretischer Untersuchungen. Bei
diesen hohen Intensitäten kann ein Atom durch Absorption mehrerer
Photonen ionisiert werden (MPI) bzw. das Coulomb-Potential wird
durch das starke Laserfeld so verbogen, dass ein Potentialwall
entsteht, durch den ein Elektron tunneln kann (TI). Die einfache
Ionisation eines Atoms kann sehr gut durch theoretische Modelle
beschrieben werden. Die Dynamik der Doppelionisation (DI) von
Atomen in ultrakurzen intensiven Laserpulsen stellt jedoch eine
besondere Herausforderung sowohl für experimentelle als auch
theoretische Zugänge dar. Erste Messungen der DI an Xenon von A.
L'Huillier et
al. haben gezeigt, dass die experimentellen Ergebnisse theoretisch
nicht mit zwei sequentiellen MPI- oder TI-Prozessen verstanden
werden können. Theorien, welche die experimentellen Daten
reproduzieren, berücksichtigen entweder die elektronische Struktur
des Atoms bzw. Ions oder beinhalten eine Korrelation der beiden
Elektronen, die als Rückstreuung betrachtet werden kann. Letzteres
Modell geht zunächst von der Befreiung eines Elektrons durch den
intensiven Laserpuls aus. Anschließend oszilliert dieses Elektron
im elektrischen Feld des Lasers und kann durch einen Rückstoß das
zweite Elektron befreien. Einige Experimente bei relativ hohen
Intensitäten unterstützen dieses Modell. Bisher konnte allerdings
nicht geklärt werden, warum selbst bei kleinen Intensitäten
doppelt geladene Ionen beobachtet werden, obwohl die
Rückstreuenergie nicht für einen Ionisationsprozess ausreicht.
Bisher wurden noch keine systematischen Studien über einen
größeren Wellenlängenbereich bei fester Intensität durchgeführt.
Durch solche Studien ist es jedoch möglich, den Einfluss von
Resonanzen auf die Ionisationsprozesse zu untersuchen.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Untersuchung der
Frequenzabhängigkeit der Einfachionisation von Xenon in intensiven
ultrakurzen Laserfeldern im sichtbaren Bereich und das Studium der
nicht-sequentiellen Doppelionisation (NSDI) von Xenon und Krypton
bei verschiedenen Wellenlängen im nahen Infrarot.

Das erste Kapitel der Arbeit führt in die Physik der
Wechselwirkung von Atomen mit starken Laserfeldern ein und
diskutiert die wichtigsten Theorien und experimentellen Ergebnisse
aus diesem Gebiet.

Kapitel 2 gibt einen Überblick über die Doppelionisaiton (DI) von
Atomen in starken Laserfeldern. Dabei werden sowohl experimentelle
Untersuchungen vorgestellt, als auch verschiedene Theorien
erörtert.

Die experimentellen Techniken, die eingesetzt wurden um die
intensiven ultrakurzen Laserpulse zu erzeugen, die Flugzeit der
Ionen zu messen und die Impulsverteilung der Elektronen zu
bestimmen, werden in Kapitel 3 erläutert.

Das 4. Kapitel beschreibt, wie aus den gemessenen Rohdaten für die
Photoelektronen, die in Form von CCD Bildern vorliegen, mit Hilfe
der sogenannten Abeltransformation
die Impulsverteilung
der Elektronen gewonnen werden kann.

Kapitel 5 stellt die Untersuchung der Wellenlängenabhängigkeit der
MPI von Xenon in 160 fs Laserpulsen bei 13 und 5 TW/cm^2 vor.
Erstmals wurde bei diesen Pulslängen und Intensitäten systematisch
die Wellenlängenabhängigkeit der MPI über einen Bereich von 505
bis 636 nm untersucht.

Die Wellenlängenabhängigkeit der NSDI von Xenon und Krypton ist
Schwerpunkt des 6. Kapitels. Durch Untersuchungen bei Wellenlängen
zwischen 790 und 815 nm sowie 1150 und 1560 nm wurden deutliche
Indizien für den starken Einfluss einer Innerschalenresonanz auf
den DI-Prozess gefunden. Ein kombiniertes Modell aus Rückstreuung
und Innerschalenanregung kann zum Verständnis der NSDI beisteuern.


Kurzfassung in Englisch

The interaction of ultra-short fs laser pulses at high intensities (10^12-10^15 W/cm^2) with atoms is an active topic of experimental and theoretical research in physics. At this high intensities an atom can be ionized via absorption of several photons (MPI) or the Coulomb-potential is influenced by the external laser field and an electron can escape by tunneling through the potential barrier (TI). The single ionization of atoms can be described well by theoretical models. However the dynamics of double ionization (DI) of atoms in ultra-short laser pulses is still a challeging task in experimental and theoretical research. A. L'Huillier et al. made first measurements of the DI of xenon and showed, that sequential MPI- or TI-processes could not reproduce the experimental data. Theories which reproduce the experimental results take in to account a correlation between the electrons (rescattering) or the electronic structure of the atom and ion. The rescattering model describes the DI process in the following way: First an electron escapes by a field driven process. Then the freed electron oscillates in the external field and can finally free a second electron by a rescattering process. Some experiments at high intensities confirm this model. Upto date it is still unknown why doubly charged ions are observed even at low intensities, when the rescattering energy is not sufficient for an ionization process. No studies have been made so far which study the wavelength dependence of the DI process at a fixed intensity. We have studied the multiphoton ionization of xenon atoms by 160
fs pulses at intensities of 5*10^12 and 1.3*10^13 W/cm^2 and present photoelectron kinetic energy and
angular distribution spectra measured with a photoelectron imaging
spectrometer. A non-collinear optical parametric amplifier
allows us to tune the wavelength of the laser pulse over a range
between 500 and 700 nm.
Also the wavelength dependence of double ionization
of xenon and krypton in a 100 fs laser pulse (2-4*10^13 W/cm^2) has been studied using photoelectron
imaging and ion time-of-flight spectrometry.
In the wavelength ranges between 1150 and 1560 nm and 790 and 815 nm
a pronounced variation of the ratio of ion yields
Xe2+/Xe+ and Kr2+/Kr+ is observed.
We attribute this variation to the strong influence of an inner shell
transition on the dynamics of double ionization.


SWD-Schlagwörter: Ionisation , Xenon , Krypton , Mehrphotonenionisation , Femtosekundenbereich , Femtosekundenlaser , MPI
Freie Schlagwörter (deutsch): Multiphotonenionisation , ATI , Wellenlängenabhängigkeit , Laserpulse , starke Laserfelder , ultrakurz , fs
Freie Schlagwörter (englisch): wavelength dependence , strong fields , multiphoton ionization , tunneling ionization , above-threshold ionization
PACS Klassifikation 32.80.Fb , 32.90.+a , 32.80.Rm
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Helm, Hanspeter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 31.10.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 08.12.2005
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