Kontrolle und Analyse von photoinduzierten Prozessen mit kohärenter Ultrakurzpulsstrahlung im nahen Infrarot- und XUV-Bereich

Abstract

Die Dynamik photoinduzierter atomarer und molekularer Prozesse wurde durch kohärente Ultrakurzpulsstrahlung im nahen infraroten und extremen ultravioletten (XUV) Spektralbereich untersucht. Diese Prozesse konnten mit Hilfe von geformten ultrakurzen Pulsen kontrolliert werden.

Durch kohärente Anregung der Rydbergzustände 2s22p5(2P3/2) 3d[1/2]1 und 2s22p5(2P3/2) 3d[3/2]1 von Neon mit Hilfe der 13. Harmonischen eines 804-nm- Laserpulses wurde erstmalig ein elektronisches Wellenpaket im XUV-Bereich durch Einphotonenanregung erzeugt. Der Nachweis dieses Wellenpakets gelang durch Anregung mit einem zeitverzögerten 804-nm-Laserpuls ins ionische 2P3/2-Kontinuum und energieaufgelöster Detektion der Photoelektronen.Die 13. Harmonische konnte durch Wechselwirkung mit einem resonanten Gasfilter phasen- und amplitudenmoduliert werden. Durch diese geformten XUV-Pulse wurden zum einen kohärente Transienten in Neon angeregt werden, zum anderen ermöglichte die Kontrolle über die Phasenfunktion des XUV-Pulses auch eine Kontrolle über die Phase des erzeugten Wellenpakets.

Molekularer Stickstoff wurde mit gechirpten Femtosekundenlaserpulsen ionisiert und die schwingungs- und rotationsaufgelöste Fluoreszenz des Übergangs N2+ (B 2Σu+) → N2+ (X 2Σg+) untersucht.Aus der Schwingungsverteilung im angeregten B 2Σu+-Zustand konnte abgeleitet werden, dass der neutrale a 1Πg-Zustand als angeregter Zwischenzustand im Ionisationsprozess involviert ist. Durch die Variation des linearen Chirps ließ sich die Rotationsverteilung im ionischen B 2Σu+-Zustand gezielt einstellen. Dabei ließ sich die durch nicht resonante Raman-Prozesse verursachte hohe Rotationsanregung durch einen negativen Chirp effizient in den Endzustand übertragen. Dies korreliert mit der Beobachtung, dass auch die maximale Fluoreszenzintensität durch negativ gechirpte Laserpulse erreicht wird. Die zugrunde liegenden Mechanismen werden detailliert erörtert.

Brom-Chlor-Alkane wurden durch geformte Femtosekundenlaserpulse ionisiert. Das Fragmentationsmuster der erzeugten Ionen wurde mit Hilfe von rückgekoppelten genetischen Algorithmen hinsichtlich vorgegebener Fitnesskriterien optimiert.Dabei ließen sich Pulsformen finden, die das Verhältnis von unfragmentiertem Ion und bestimmten Fragmenten massiv beeinflussen. Die optimierten Pulsformen wurden mit Kreuzkorrelationsmessungen charakterisiert.Die Ergebnisse dieser Optimierungsexperimente wurden durch zeitaufgelöste Anregungs-Nachweis-Messungen ergänzt. Beide Experimente zeigen übereinstimmend, dass ein auf der ionischen Potenzialhyperfläche angeregtes vibratorisches Wellenpaket nach einer Zeit von etwa 0.5 ps durch einen weiteren Laserpuls effizient in höher liegende repulsive Zustände angeregt werden kann.

This work investigates the dynamics of photon-induced processes in atoms and molecules and in particular the control of these processes using coherent, ultrashort pulses in the near infrared and the extreme ultraviolet (XUV) spectral range.

An electronic wave packet was prepared for the first time by coherent single photon excitation in the XUV spectral regime of the Rydberg states 2s22p5(2P3/2) 3d[1/2]1 and 2s22p5(2P3/2) 3d[3/2]1 of neon using radiation of the 13th harmonics of an 804 nm laser pulse. The wave packet was probed by excitation into the ionic 2P3/2 continuum with a time-delayed 804 nm laser pulse and energy-resolved detection of the photoelectrons.Furthermore, both amplitude and phase of the 13th harmonic were modulated by interaction with a resonant filter gas. On the one hand these shaped XUV pulses excited coherent transients in neon, on the other hand controlling the phase allowed also control over the phase of the prepared wave packet.

The vibrational and rotational resolved fluorescence of the N2+ (B 2Σu+) → N2+ (X 2Σg+) transition was analyzed after ionization of molecular nitrogen by chirped femtosecond laser pulses.From the vibrational distribution of the ionic B 2Σu+ state one can infer, that the neutral a 1Πg state is involved in the ionization process as an excited intermediate state. The rotational distribution of the ionic B 2Σu+ state can be sensitively tuned by variation of the linear chirp. Non-resonant Raman processes lead to a high rotational excitation that can be efficiently transferred by negatively chirped laser pulses. This correlates with the observation that also a maximum fluorescence intensity is obtained for a negative chirp. The underlying mechanisms are discussed in detail.

Bromochloroalkanes were ionized using shaped femtosecond laser pulses. The ionic fragmentation pattern was optimized by closed-loop genetic algorithms in terms of predefined fitness criteria.Specific pulse shapes were found that strongly manipulate the signal ratio of the parent ion and particular fragments. The optimized pulse shapes were characterized by means of cross correlation measurements.The results from these experiments were supplemented by one-color pump-probe measurements. Both experiments suggest consistently that a vibrational wave packet that is propagating on the energy surface of the parent ion can be efficiently transferred into higher-lying repulsive states after a time delay of 0.5 ps.