Femtosecond Analysis and Feedback Control of Molecular Processes in Organometallic and Alkaline Systems

Abstract

The goal of this work was to analyze and control ultrafast laser-induced processes occurring in model species, like the organometallic molecule CpMn(CO)3 and alkali systems. The control experiments were performed by employing the adaptive feedback-loop scheme. The analysis of the optimal pulses demonstrated that intrinsic information about the control process itself can be gained. The pump-probe experiments on CpMn(CO)3 together with ab initio quantum mechanical analysis allowed us to explain for the first time the ionization mechanism performed by the optimal pulse obtained for maximization of CpMn(CO)3+. The optimized laser field avoided intelligently any fragmentation channels favorizing exclusively the ionization pathway. A method of producing sodium-fluoride clusters in a molecular beam was elaborated, as well. For the Na2F trimer, geometric rearrangement between the linear and triangular configurations with a period of 185 fs was successfully observed. Characteristic motions of the involved wave packets were proposed as an attempt to explain the optimized dynamics in NaK. The proposed scheme is in good agreement with the developed theoretical model for the ionization mechanism. Furthermore, a technique advanced in this work allowed the control of isotope ionization ratio. This approach was first demonstrated for the potassium dimer isotopes. One was able to learn about the optimized process (the transitions involved on the way to the ion states) from the acquired optimal pulses, in particular their spectra. The studies were extended to the comparison between phase and amplitude modulation and phase-only or amplitude- only modulation. he control of isotope ratio demonstrated for K2 can be very well seen as a new spectroscopic approach of a distinct frequency pattern on femtosecond time scales due to the superposition of the spectral components.

Das Ziel dieser Arbeit war die Analyse und Steuerung ultraschneller photoinduzierter molekularer Prozesse in Modellsystemen, wie dem organometallischen Molekül CpMn(CO)3 und Alkali Systemen. Die Kontrollexperimente wurden unter Anwendung des Schemas der adaptiven Rückkopplungsschleife durchgeführt. Die Analyse der optimalen Pulsformen hat gezeigt, dass intrinsische Informationen über den Kontrollprozess selbst gewonnen werden können. Die Pump-Probe Experimente an CpMn(CO)3 zusammen mit der ab initio quantenmechanischen Analyse haben erstmalig den Ionisierungsmechanismus erklärt, der von der optimalen Pulsform für die Maximierung des CpMn(CO)3+ Ionensignals durchgeführt worden ist. Das optimierte Laserfeld vermeidet intelligent jeden Fragmentationskanal und nur der Ionisationspfad wird favorisiert. Eine Methode zur Erzeugung von Natriumfluorid-Clustern in Molekularstrahlen wurde ebenfalls entwickelt. Für das Na2F Trimer wurde mit Hilfe der Pump-Probe Spektroskopie die geometrische Veränderung zwischen linearer und gewinkelter Struktur mit einer Periode von 185 fs erfolgreich aufgelöst. Charakteristische Bewegungen von Wellenpaketen wurden vorgeschlagen als ein Erklärungsversuch für die optimierte Dynamik in NaK. Das vorgeschlagene Schema stimmt mit dem theoretischen Modell für den Ionisierungsmechanismus überein. Darüber hinaus hat eine während dieser Arbeit entwickelte Technik die Steuerung des Isotopenionisierungsverhältnisses ermöglicht. Diese Vorgehensweise wurde für die Kaliumdimer Isotope gezeigt. Die optimierten Pulsspektren haben es ermöglicht, über den optimierten Prozess (die Übergänge, die vom Grundzustand bis zum Ionenzustand involviert sind) zu lernen. Die Untersuchungen wurden um einen Vergleich zwischen Phasen- und Amplitudenmodulation mit reiner Phasen-, bzw. reiner Amplitudenmodulation erweitert. Die Steuerung des Isotopenverhältnisses für K2 könnte als ein neuer spektroskopischer Ansatz angesehen werden von eindeutigen Frequenzmustern auf einer Femtosekundenzeitskala, aufgrund der Überlagerung der Spektralkomponenten.