Coherence in a thermal ensemble: Creation and decay of laser-induced alignment in nitrogen

Abstract

The non-adiabatic alignment of diatomic molecules is examined in experiment and numerical simulations using as an example the nitrogen molecule. Numerical simulations are carried out to elucidate alignment of rotationally excited molecules, in particular for laser pulse duration and in the transition region between the non-adiabatic and adiabatic regimes. Depending on the M quantum number, the interaction with the laser field can involve emission of energy as well as absorption, and these two processes lead to opposite motion of the molecular axis with respect to the laser polarization direction. For a moderately strong laser pulse with a duration comparable to the molecular rotational period, we show that the crossover from non-adiabatic to adiabatic limits is well described by a convolution of excitation pulse envelope and sinusoidal molecular response and it takes place in a uniform way in the region between 0.1 and 1 for the ratio of pulse duration to rotational period. For higher intensities, the rotational wave packet contains a greater manifold of coupled rotational levels, for which the degree of adiabaticity varies. Differences in the rotational period in the excited transitions for appropriate laser pulse parameters lead to the formation of a region in which anti-alignment, or rotational cooling, dominates over alignment, or rotational heating. Based on the dependence of post-pulse alignment on the ratio of rotational time and pulse duration, a method for controlling the J composition of a rotational wave packet is proposed. The laser pulse duration is used as parameter to achieve selective non-adiabatic interaction in the rotationally cold part of the thermal distribution. By optimizing the duration of a single pulse, arbitrarily narrow distributions at low J levels can be formed. A double pulse excitation, where a longer second pulse acts as a selective dump pulse, allows to prepare non-thermal distributions centered at high J values. Experimentally, the decay of alignment in nitrogen and mixtures of nitrogen with hydrogen and several noble gases was investigated using ultrafast optical Kerr effect spectroscopy. The very high sensitivity of a collinear modification of the standard setup is quantitatively determined, and it provides a large dynamic range for decay studies. It is demonstrated that the analysis of the shape of the homodyne alignment signal contains information on the ratio of population and coherence parts of alignment, and that thus the small population part can be quantified even at moderate laser power. The integrated area of the homodyne detected alignment revivals is shown to be a robust measure of the degree of coherence in the rotational wave packet even in the presence of centrifugal distortion. Experiments at different temperatures display long-lived coherences at high temperature. The cross section for decoherence in pure nitrogen is measured in a temperature range from at 80 K to room temperature. At room temperature, the cross section for decoherence is equal to the gas-kinetic cross section and to the cross section for rotational depopulation. In this case, pure dephasing does not occur in the decay of rotational coherence. This is also confirmed for mixtures of nitrogen with hydrogen, helium and argon. For nitrogen and nitrogen-foreign gas mixtures, the cross sections for decoherence grow stronger with atomic mass than the geometric size of the particles.

In dieser Arbeit wird das nicht-adiabatische Alignment von zweiatomigen Molekülen am Beispiel von Stickstoff experimentell und mittels numerischer Simulationen untersucht. Die numerischen Simulationen beleuchten das Alignment von Molekülen in angeregten Rotationszuständen, besonders für Laserpulse im Bereich des Übergangs vom nicht- adiabatischen zum adiabatischen Grenzfall. Die Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld des Lasers kann, abhängig von der magnetischen Quantenzahl M, sowohl durch Absorption als auch durch induzierte Emission erfolgen. Diese Prozesse führen zu entgegengesetzten Bewegungen der Molekülachse relativ zur Polarisationsrichtung des Feldes. Wir zeigen, dass für einen Laserpuls von moderater Intensität, dessen Dauer vergleichbar zur molekularen Rotationsperiode ist, der Übergang vom nicht-adiabatischen zum adiabatischen Grenzfall durch eine Faltung von Pulsform und sinusförmiger molekularer Antwort beschrieben wird, und dass er in einheitlicher Weise im Bereich von 0.1 und 1 für das Verhältnis von Pulsdauer zu Rotationsperiode stattfindet. Ein Rotationswellenpaket, das mit höherer Laserintensität angeregt wird, enthält eine große Zahl von gekoppelten Rotationszuständen. Höher angeregte Rotationszustände werden dabei aufgrund ihrer schnellen Rotationsperiode bei wachsender Pulsdauer stärker unterdrückt. Für geeignete Laserpulsparameter entsteht eine Region, in der Anti-Alignment, und damit die Abkühlung der Rotationsfreiheitsgrade, über Alignment, gleichbedeutend mit dem Heizen der Rotation, dominiert. Die Abhängigkeit der Amplitude des feldfreien Alignments vom Verhältnis von Rotationsperiode und Pulslänge wird dazu benutzt, eine Methode zur Kontrolle der J- Zusammensetzung eines Rotationswellenpakets zu entwickeln. Die Pulsdauer wird als Kontrollparameter eingesetzt, um gezielt kohärente nicht-adiabatische Wechselwirkung im kalten Teil der Rotationsverteilung zu erzielen. Mit optimierter Pulsdauer kann eine beliebig schmale J-Verteilung am kalten Ende des Spektrums erzeugt werden. Nicht-thermische Verteilungen in bezug auf die Rotation können durch eine Doppelpulsstrategie, in der der zweite Puls als selektiver Dump-Puls fungiert, erreicht werden. Im experimentellen Teil der Arbeit wurde das Abklingen des Alignments in Stickstoff und Gemischen von Stickstoff und Wasserstoff sowie verschiedenen Edelgasen mittels optischer Kerr-Effekt Spektroskopie untersucht. Die extrem gute Empfindlichkeit, die durch kolineare Propagation von Pump- und Probestrahl in einer Abwandlung des Standardaufbaus erreicht wird, kann quantitativ bestimmt werden. Es kann damit ein großer Messbereich für die Bestimmung der Abklingzeiten der Kohärenz erreicht werden. Eine Analyse der Kurvenform des homodyn detektierten Alignmentsignals zeigt, dass die Größe des Populationsbeitrags zum Alignment relativ zum kohärenten Beitrag aus dem Kurvenverlauf bestimmt werden kann. Der kleine Populationsbeitrag kann damit auch für mäßig intensive Anregungspulse bestimmt werden. Wir zeigen weiterhin, dass die integrierte Fläche der homodyn detektierten Stickstoff- Revivals trotz der durch Zentrifugalkräfte verursachten Änderungen der Form ein stabiles Maß für den Kohärenzgrad des Rotationswellenpakets darstellt. Experimente über einen großen Temperaturbereich zwischen 80 K und 300 K zeigen langlebige Kohärenzen auch bei hohen Temperaturen. Bei Raumtemperatur entspricht der Querschnitt dem gaskinetischen Querschnitt und dem Querschnitt für Depopulation. Reine Dephasierung spielt damit in diesem Fall keine Rolle für den Abfall der Kohärenz. Das wird auch für Gemische von Stickstoff mit Wasserstoff, Helium und Argon bestätigt. Sowohl für reinen Stickstoff als auch für die Gasgemische wachsen die Dekohärenzquerschnitte stärker mit der molekularen Masse als der geometrische Querschnitt der Teilchen.