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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-21913
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2191/


Staudt, Andreas

Atomare Zweielektronensysteme in intensiven Laserpulsen

Atomic two-electron systems in intense laser pulses

Dokument1.pdf (2.192 KB) (md5sum: 88f3e4aca688d02be9a15b06719a93ab)

Kurzfassung in Deutsch

Durch die stetige Weiterentwicklung der Lasertechnologie ist es in den
letzten Jahren möglich geworden, die fundamentale Wechselwirkung
hochintensiver Lichtfelder mit komplexen Atomen und Molekülen zu untersuchen.
Dabei haben Experimente im Tunnelbereich gezeigt,
daß die ungewöhnlich hohen Doppelionisationsraten dieser Systeme nicht
durch einen sequentiellen Ionisationsmechanismus erklärt werden können,
da die Wechselwirkung der Photoelektronen untereinander für die
Ionisation von entscheidender Bedeutung ist.
Interessant ist es nun, zu untersuchen, wie Doppelionisationsvorgänge
in hochfrequenten Feldern bei Wellenlängen unter 50 nm ablaufen,
einem Frequenzbereich, der vor allem durch die Entwicklung
Freier-Elektronen-Laser (FEL) in naher Zukunft experimentell zugänglich
sein dürfte.
Bei solch hohen Frequenzen sind die bislang vorgeschlagenen
Doppelionisationsmechanismen wie etwa das Rescattering-Modell nicht gültig;
darüber hinaus kann es zur Stabilisierung kommen, die die Ionisation
unterdrückt.
Hierbei handelt es sich um einen Effekt, bei dem das Kernpotential
durch das rapide oszillierende Laserfeld derart überlagert wird,
daß es effektiv gebundene Zustände besitzt;
dadurch besteht die Möglichkeit, daß die Ionisationswahrscheinlichkeit
des Atoms mit steigender Laserintensität stagnieren oder sogar abnehmen kann.
Gleichzeitig gewinnt die Magnetfeldkomponente des Laserpulses bei diesen
Frequenzen und Intensitäten eine stärkere Rolle, die aufgrund
der Lorentzkraft zu einer Drift der Elektronen in die Propagationsrichtung
des Laserpulses führt.
Diese Nichtdipoleffekte können sowohl die Doppelionisation als auch die
Stabilisierung des Atoms im Laserfeld beeinflussen.

In der vorliegenden Arbeit wird das Ionisationsverhalten
eines Zweielektronenatoms bzw. -ions mittels eines Modellatoms
untersucht, welches die numerische Integration der zeitabhängigen
Schrödingergleichung jenseits der Dipolnäherung ermöglicht.
Aufgrund der massiven Anforderungen an die Rechenkapazität werden im Rahmen
dieses Modells die Wellenfunktionen der beiden Elektronen auf jeweils zwei
Dimensionen eingeschränkt, da das Laserfeld keine effektive Kraft
in die dritte Raumrichtung ausübt;
als Anfangszustand wird eine angeregte Konfiguration gewählt, in der beide
Elektronen unterschiedliche Orbitale besetzen.
Die Gesamtwellenfunktion, die sich innerhalb der hier vorgenommenen
Näherungen durch einen Produktansatz darstellen läßt, wird mit Hilfe
des Split-Operator-Verfahrens in Kombination mit Fouriertransformationen
bezüglich der Zeit propagiert.
Eine Analyse relevanter Beobachtungsgrößen wie der Schwerpunktsbahnen
der Elektronen, der Wellenpaketsdichten sowie der
Ionisationswahrscheinlichkeiten ermöglicht Einblicke in die Ionisationsdynamik
des Heliumatoms.

Für den Bereich hoher Laserfrequenzen wird der "quasi-simultane"
Ionisationsmechanismus identifiziert, bei dem beide Elektronen bei
etwa der gleichen Phase des Laserpulses ionisieren, um dann kollektiv
vom Laserfeld getrieben zu werden.
Die wechselseitige Coulombabstoßung führt zu Modifikationen in den
Schwerpunktsbahnen sowie in den Winkelverteilungen der Elektronen.
Der Stabilisierungseffekt ist im Zweielektronenatom trotz der Magnetfelddrift
und der wechselseitigen Abstoßung der Elektronen untereinander beobachtbar.
Für bestimmte Pulslängen tritt ein zusätzlicher Effekt der
Ionisationsunterdrückung jenseits der Stabilisierung auf.
Wie eine zeitunabhängige Abschätzung sowie eine Analyse der Wellenpaketsdynamik
ergeben haben, läßt sich dieser Effekt im Rahmen einer Einelektronennäherung
durch einen Populationstransfer der ursprünglich angeregten Wellenfunktion in
den Grundzustand des Systems erklären.
Schließlich wird das Modellatom für Helium auf den Fall der beiden
einfach- bzw. doppeltgeladenen Zweielektronenione Lithium und Beryllium erweitert.
Aufgrund der verschiedenen elektronischen Kopplungsstärken in diesen Systemen
ergeben sich deutliche Unterschiede der Ionisationswahrscheinlichkeiten
im Vergleich zum Helium.


Kurzfassung in Englisch

Throughout the last years steady progress in laser technology
has enabled the research on the fundamental interaction between
highly intense laser fields and complex atoms and molecules.
Experiments in the tunneling regime have shown that the high double ionization
rates of these systems can not be explained by a sequential ionization
mechanism, but the repulsion between the photoelectrons is of utmost
importance for this process.
It is of general interest how double ionization proceeds at wave lengths
of less than 50 nm,
since with the advent of novel light sources such as Free Electron Lasers (FEL)
this regime will soon be available to experimentalists.

At these short wavelengths double ionization mechanisms like rescattering fail,
while the so-called stabilization effect may come into play:
at high laser frequencies the rapidly oscillating
laser field modifies the atomic potential to form stable states,
such that with increasing laser intensity the ionization probabilities
must not necessarily rise but even may decrease.
Concomitantly, the magnetic field component of the laser pulse
in this parameter regime has a great impact on the atomic dynamics,
such that the Lorentz force leads to a displacement of the electrons
in the laser propagation direction.
Both double ionization of the atom as well as stabilization
can be altered by these non-dipole effects.

In this thesis, the ionization behaviour of two-electron atoms and ions
is investigated by employing a model atom which allows for the
numerical integration of the time-dependent Schrödinger equation.
Because fully three-dimensional computations are too demanding,
the wave functions of both electrons are restricted to two spatial
dimensions each, since no net force is acting on them into the third direction.
The initial state is chosen to be excited, such that both electrons occupy
different orbitals.
A product ansatz then is sufficient to describe the total wave function
which is propagated with respect to time using the split-operator method
with Fourier transforms.
Observables of interest such as the center-of-mass positions of the electrons,
the wave packet densities and ionization probabilities reveal insight
into the ionization dynamics of the helium atom.

For high laser frequencies the "quasi-simultaneous" ionization mechanism is
identified, where both electrons ionize at nearly the same phase of the laser
pulse to be collectively driven by the laser field.
The mutual Coulomb repulsion leads to modifications both of the center-of-mass
motions as well as of the angular distributions of the electrons.
Even though both electrons interact with each other and non-dipole effects
are clearly present, the atom nevertheless may stabilize against ionization.
At specific durations of the pulse an additional effect of ionization
suppression beyond the stabilization regime is found to occur.
A time-independent calculation as well as an analysis of the wave packet
evolution show that this effect can be understood in terms of a single active
electron approximation,
where population is transferred from the initially excited state to the
atomic ground state.
Finally, the model atom is extended to the case of the singly charged lithium
ion and the doubly charged beryllium ion.
Due to the varying coupling strengths with increasing nuclear charge
significant differences arise in the ionization probabilities compared
to the helium atom.


SWD-Schlagwörter: Laserionisation , Heliumatom , Zeitabhängige Schrödinger-Gleichung , Atom-Photon-Wechselwirkung , Atomphysik , Mehrphotonenionisation
Freie Schlagwörter (deutsch): Stabilisierung , Doppelionisation , Zweielektronenione
Freie Schlagwörter (englisch): stabilization , double ionization , two-electron ions
PACS Klassifikation 42.50.Hz , 32.80.Rm
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Keitel, Christoph H. (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.11.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 13.12.2005
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