Mainz, 17.05.2006
Attosekunden Attosekunden Laserpulse und Laserpulse und high harmonicshigh harmonics
Ein Vortrag im Rahmen des Seminars Ein Vortrag im Rahmen des Seminars
„Moderne Experimente der Quantenoptik „Moderne Experimente der Quantenoptik und Atomphysik“und Atomphysik“
Andreas Vogler Andreas Vogler
ÜBERBLICKÜBERBLICK
Wozu ultrakurze Lichtpulse?Wozu ultrakurze Lichtpulse? GrundlagenGrundlagen high harmonicshigh harmonics RealisierungRealisierung PropagationPropagation AnwendungenAnwendungen
ÜBERBLICKÜBERBLICK
Wozu ultrakurze Wozu ultrakurze Lichtpulse?Lichtpulse?
GrundlagenGrundlagen high harmonicshigh harmonics RealisierungRealisierung PropagationPropagation AnwendungenAnwendungen
Wozu ultrakurze Wozu ultrakurze Lichtpulse?Lichtpulse?
Eröffnet die zeitaufgelöste Eröffnet die zeitaufgelöste Spektroskopie atomarer Prozesse im Spektroskopie atomarer Prozesse im Attosekunden-Bereich:Attosekunden-Bereich: Auger-Effekt Auger-Effekt ElektronenbewegungElektronenbewegung Untersuchung Untersuchung
chemischer Reaktionenchemischer Reaktionen
Auger - EffektAuger - Effekt
Wozu ultrakurze Wozu ultrakurze Lichtpulse?Lichtpulse?
T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields
Wozu ultrakurze Wozu ultrakurze Lichtpulse?Lichtpulse?
T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields
Wozu ultrakurze Wozu ultrakurze Lichtpulse?Lichtpulse?
Ermöglicht den „handlichen“ Laser im Ermöglicht den „handlichen“ Laser im XUV, weichen RöntgenbereichXUV, weichen Röntgenbereich
Bisher: freie-Elektronen-Laser (FEL) Bisher: freie-Elektronen-Laser (FEL) Große Anlagen nötig (Vorteil: Spektrum Große Anlagen nötig (Vorteil: Spektrum
kontiniuerlich)kontiniuerlich)
Wozu ultrakurze Wozu ultrakurze Lichtpulse?Lichtpulse?
Oder noch größere…Oder noch größere…
ESRF in GrenobleESRF in Grenoble
Wozu ultrakurze Wozu ultrakurze Lichtpulse?Lichtpulse?
Die Pulsdauer heutiger Lasersysteme ist Die Pulsdauer heutiger Lasersysteme ist auf wenige Femtosekunden limitiertauf wenige Femtosekunden limitiert Begrenzte Zeitauflösung in SpektroskopieBegrenzte Zeitauflösung in Spektroskopie
keine geeigneten Lasermedien (und keine geeigneten Lasermedien (und optischen Elemente) im VUV und optischen Elemente) im VUV und Röntgenbereich Röntgenbereich
Herkömmliche Frequenzverdopplung Herkömmliche Frequenzverdopplung mit Kristallen (z.B. BBO) ist auf mit Kristallen (z.B. BBO) ist auf geringere Frequenzen begrenzt geringere Frequenzen begrenzt
ÜBERBLICKÜBERBLICK
Wozu ultrakurze Lichtpulse?Wozu ultrakurze Lichtpulse?
GrundlagenGrundlagen high harmonicshigh harmonics RealisierungRealisierung PropagationPropagation AnwendungenAnwendungen
GrundlagenGrundlagen
Aus Fouriertransformation Aus Fouriertransformation Pulse Pulse aus konstruktiv überlagerten Wellen aus konstruktiv überlagerten Wellen aufgebautaufgebaut
Wichtigste Bedingung: Wichtigste Bedingung: KohärenzKohärenz der der TeilwellenTeilwellen
schmaler der Puls = großes schmaler der Puls = großes Spektrum Spektrum
GrundlagenGrundlagen
Pulsbreite – Spektrum BeziehungPulsbreite – Spektrum Beziehung
-4 -2 2 4
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1
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0.6
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ZeitraumZeitraum FrequenzraumFrequenzraum
Fouriertrans-Fouriertrans-formatonformaton
ZeitZeit FrequenzFrequenz
bel
. Ein
heit
bel
. Ein
heit
GrundlagenGrundlagen
Ähnliches Phänomen: „freak waves“ Ähnliches Phänomen: „freak waves“
ÜBERBLICKÜBERBLICK
Wozu ultrakurze Lichtpulse?Wozu ultrakurze Lichtpulse? GrundlagenGrundlagen
high harmonicshigh harmonics RealisierungRealisierung PropagationPropagation AnwendungenAnwendungen
high harmonicshigh harmonics
Woher kommen high harmonics?Woher kommen high harmonics? durch durch nichtlinearenichtlineare Wechselwirkung Wechselwirkung
Hier: Hier: nichtlinearenichtlineare Reaktion von Reaktion von Atomen auf Laserpuls Atomen auf Laserpuls
Nichtlinearität = Laserfeld + Nichtlinearität = Laserfeld + Coulombpotential Coulombpotential
high harmonicshigh harmonics
Atome können durch starke Atome können durch starke Lichtfelder ionisiert werden Lichtfelder ionisiert werden „Laserionisation“„Laserionisation“
I c0E2
~~10109 9 V/mV/m
1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019
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AnregungsprozessAnregungsprozess
Atompotential im LaserfeldAtompotential im Laserfeld
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high harmonicshigh harmonics
ħωL n ħωL= ħωH
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Ionisation Rekombination
Multiphotonen – Absorption Multiphotonen – Absorption
high harmonicshigh harmonics Elektronen werden im Lichtfeld Elektronen werden im Lichtfeld
beschleunigt (Absorption von n Photonen)… beschleunigt (Absorption von n Photonen)… ……und zur Rekombination gebrachtund zur Rekombination gebracht Aussendung eines Photonen mit E = Aussendung eines Photonen mit E = nn ħħωω Das sind high harmonics!Das sind high harmonics! Bei Multi – Photonen Absorption ohne Bei Multi – Photonen Absorption ohne
Rückbe-schleunigung würde das Atom Rückbe-schleunigung würde das Atom dauerhaft ionisiert (ATI: Above threshold dauerhaft ionisiert (ATI: Above threshold ionization)ionization)
Durch geeignete Pulse kann man die release Durch geeignete Pulse kann man die release und recollision des Elektrons steuernund recollision des Elektrons steuern
high harmonicshigh harmonics
Cosinus - förmiger fs-PulsCosinus - förmiger fs-PulsJ. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740
high harmonicshigh harmonics
Sinus - förmiger fs-PulsSinus - förmiger fs-PulsJ. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740
high harmonicshigh harmonics
Eine Berechnung des Spektrums ist Eine Berechnung des Spektrums ist durch die QM möglich, ein Beispiel: durch die QM möglich, ein Beispiel:
Beschleunigung der Ladung …Beschleunigung der Ladung …
... Fourier-transfomieren und ... Fourier-transfomieren und falten mit einer falten mit einer „Fensterfunktion“„Fensterfunktion“
Gaußförmige Fensterfunktion, a = 260 asGaußförmige Fensterfunktion, a = 260 as
und numerisches lösen der Schrödingergleichung für das beschossene und numerisches lösen der Schrödingergleichung für das beschossene Gasatom ergibt ...Gasatom ergibt ...
high harmonicshigh harmonics
... mit den Parametern des Laserfelds: ... mit den Parametern des Laserfelds: Pulsdauer 5 fsPulsdauer 5 fs linear polarisiert mit linear polarisiert mit λλ = 800 nm = 800 nm WasserstoffgasWasserstoffgas Peak – Intensität 5x10Peak – Intensität 5x101414 WW//cmcm
22
VORSICHT:VORSICHT: Stark vereinfachtes Stark vereinfachtes Einteilchen-modell! Einteilchen-modell! (Normalerweise: gekoppelte Maxwellgleichungen (Normalerweise: gekoppelte Maxwellgleichungen und Schrö-dingergleichungen lösen und Schrö-dingergleichungen lösen viel Spaß!) viel Spaß!)
high harmonicshigh harmonics
ElektronenenergieElektronenenergie
DipolmomentDipolmoment
SpektrumSpektrum
„„cutoff“ – cutoff“ – FrequenzFrequenz
ZustandswahrscheinlichkeitZustandswahrscheinlichkeit
Har
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geringgering
ÜBERBLICKÜBERBLICK
Wozu ultrakurze Lichtpulse?Wozu ultrakurze Lichtpulse? GrundlagenGrundlagen high harmonicshigh harmonics
RealisierungRealisierung PropagationPropagation AnwendungenAnwendungen
RealisierungRealisierung
Hohe Intensitäten werden in kurzen Hohe Intensitäten werden in kurzen Laserpulsen erreicht Laserpulsen erreicht
Verwendung von fs-PulslasernVerwendung von fs-Pulslasern Limit: ~5 fs (FWHM) @ 5x10Limit: ~5 fs (FWHM) @ 5x101414 WW//cmcm
22
Grund: Verstärkungsbandbreite von Grund: Verstärkungsbandbreite von Ti:Sa Ti:Sa λλ= 500 – 1000 nm= 500 – 1000 nm
Bei „blauerem“ Licht wären kürzere Bei „blauerem“ Licht wären kürzere Pulse möglichPulse möglich
RealisierungRealisierung
Zur Erinnerung: fs - Pulse enthalten Zur Erinnerung: fs - Pulse enthalten nur wenige optische Periodennur wenige optische Perioden
Bei 5 fs FWHM sind es lediglich 2 Bei 5 fs FWHM sind es lediglich 2 ZyklenZyklen
RealisierungRealisierung
Hierzu nutzt man den Kerr-Effekt: Hierzu nutzt man den Kerr-Effekt: fokussierendes Element bei hohen fokussierendes Element bei hohen IntenstiätenIntenstiäten
Schwingungszustände, die keine Schwingungszustände, die keine ausreichend hohe Spitzenintensitäten ausreichend hohe Spitzenintensitäten produzieren, sterben ausproduzieren, sterben aus
Der Laser wird zum Pulsbetrieb Der Laser wird zum Pulsbetrieb gezwungnengezwungnen
Ergebnis: PuslszugErgebnis: Puslszug
RealisierungRealisierung
SpiegelSpiegel
LinseLinse
Kerr-Linse (meist das aktive Medium selbst)Kerr-Linse (meist das aktive Medium selbst)
RealisierungRealisierung
Man erzeugt fs-Pulse meist mit Man erzeugt fs-Pulse meist mit mode-lockingmode-locking
T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields
RealisierungRealisierung
fs-Lasersystemfs-LasersystemJ. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740
RealisierungRealisierung
T. Brabec and F. Krausz: Intense few-cycle laser fields
Realisierung Realisierung
Typischerweise besteht ein high Typischerweise besteht ein high harmonic experiment aus:harmonic experiment aus: fs-Laserfs-Laser GasjetGasjet DetektionDetektion
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S727–S740
RealisierungRealisierung
Die Pulsdauer der HH – Pulse: ~ 250 as (FWHM)Die Pulsdauer der HH – Pulse: ~ 250 as (FWHM)
RealisierungRealisierung
Kapillarröhrchen: d ~ 0.2 mm Kapillarröhrchen: d ~ 0.2 mm
RealisierungRealisierung
Typisches high harmonic SpektrumTypisches high harmonic Spektrum Die Ausbeute ist vergleichsweise Die Ausbeute ist vergleichsweise
niedrigniedrig
harmonic orderharmonic order
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Wozu ultrakurze Lichtpulse?Wozu ultrakurze Lichtpulse? GrundlagenGrundlagen high harmonicshigh harmonics RealisierungRealisierung
PropagationPropagation AnwendungenAnwendungen
PropagationPropagation
Theoretische Berechnung: Theoretische Berechnung:
Propagationssimulation im VakuumPropagationssimulation im Vakuum
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Har
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PropagationPropagation
Aber:Aber: Propagation durch ein Medium Propagation durch ein Medium Re-AbsorptionRe-Absorption StreuungStreuung Defokussierung Defokussierung Dispersion:Dispersion:
Freie ElektronenFreie Elektronen FokussierungFokussierung Intensitätsabnahme entlang des GasesIntensitätsabnahme entlang des Gases
Teilweise durch Pulsenergie und Teilweise durch Pulsenergie und Strahlradius kontrollierbarStrahlradius kontrollierbar
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Wozu ultrakurze Lichtpulse?Wozu ultrakurze Lichtpulse? GrundlagenGrundlagen high harmonicshigh harmonics RealisierungRealisierung PropagationPropagation
AnwendungenAnwendungen
AnwendungenAnwendungen
Erweiterung des Frequenzkamms Erweiterung des Frequenzkamms auf den auf den XUV – Bereich (1000 fache XUV – Bereich (1000 fache Verbesserung) Verbesserung)
UV FrequenzkammUV Frequenzkamm NA
TU
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Vol
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AnwendungenAnwendungen
Durch die as – Spektroskopie können Durch die as – Spektroskopie können auch Mikroprozesse direkt im auch Mikroprozesse direkt im Zeitbereich beobachtet werdenZeitbereich beobachtet werden
Man verwendet hierzu das Prinzip Man verwendet hierzu das Prinzip der Schmierbildkamera („streak der Schmierbildkamera („streak cam“)cam“)
Vortrag in 2 WochenVortrag in 2 Wochen
AnwendungenAnwendungen
Anwendbar auf den Auger-Effekt: Anwendbar auf den Auger-Effekt:
Auger - EffektAuger - Effekt
AnwendungenAnwendungen Quanten – Interferenz – Messungen:Quanten – Interferenz – Messungen: Anregung eines Atoms mit Breitband LaserpulsAnregung eines Atoms mit Breitband Laserpuls Das Dipolmoment oszilliert mit der Rabi – Das Dipolmoment oszilliert mit der Rabi –
Frequenz Frequenz Nach einer Zeit T wird ein Laserpuls mit diesem Nach einer Zeit T wird ein Laserpuls mit diesem
Zustand überlagert Zustand überlagert Interferenz Interferenz Je nach Phase und Zeit T erhöht oder erniedrigt Je nach Phase und Zeit T erhöht oder erniedrigt
dies die Population der Zustände dies die Population der Zustände Durch Messung der Interferenzamplitude Durch Messung der Interferenzamplitude
kann die Energiedifferenz genau berechnet kann die Energiedifferenz genau berechnet werdenwerden
AnwendungenAnwendungen
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AnwendungenAnwendungen
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A: Ionensignal bei einem (blau), zwei (rot) oder drei (grün) PulsenA: Ionensignal bei einem (blau), zwei (rot) oder drei (grün) Pulsen
B: Ionensignal für verschiedene Phasen zwischen den IonisationspulsenB: Ionensignal für verschiedene Phasen zwischen den Ionisationspulsen
C: Isotopenverschiebung zwischen Kr-84 (blau) und Kr-86 (gelb)C: Isotopenverschiebung zwischen Kr-84 (blau) und Kr-86 (gelb)
AnwendungenAnwendungen
„„optischer“ Doppelspaltoptischer“ Doppelspalt
„„Optischer Doppelspalt“ - Optischer Doppelspalt“ - ExperimentExperiment
LiteraturangabenLiteraturangaben 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 Harm Geert Muller, Armin Scrinzi Attosecond Pulses: Generation, Detection and Applicationsand Applications
S. Witte, Th. Zinkstok, W. Ubachs, W. Hogervorst, K. Eijkema: Deep S. Witte, Th. Zinkstok, W. Ubachs, W. Hogervorst, K. Eijkema: Deep Ultraviolet Metrology with Ultrashort Laser PulsesUltraviolet Metrology with Ultrashort Laser Pulses
Mainz, 17.05.2006
ENDE ENDE
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