Podcasts about femtosekunden

Die grundlegenden Funktionsprinzipien der Natur zu verstehen, ist seit jeher Antrieb der Naturwissenschaften. Verhalten und Eigenschaften von Festkörpern werden dabei häufig von dynamischen Prozessen auf atomarer Skala (< 10^-10 m) bestimmt, welche typischerweise auf Zeitskalen im Bereich von zehn Femtosekunden (10^-15 s) bis hin zu vielen Picosekunden (10^-12 s) ablaufen. Zeitaufgelöste Elektronenbeugung an kristallinen Festkörpern ermöglicht die direkte Beobachtung solcher Prozesse in Raum und Zeit. Die bislang mit diesem Verfahren erreichte Zeitauflösung von etwa 100 fs eignet sich jedoch nicht zur Beobachtung der schnellsten Prozesse in Festkörpern. Auch die, zur zuverlässigen Auflösung von großen Elementarzellen molekularer Kristalle erforderliche, transversale Kohärenz ist unzureichend. Eine wesentliche Ursache für diese beiden Probleme liegt in der gegenseitigen Coulomb-Abstoßung der Elektronen innerhalb eines Pulses und den daraus resultierenden Veränderungen der Geschwindigkeitsverteilungen in radialer und longitudinaler Richtung. Während erstere zu verringerter transversaler Kohärenz führt, hat letztere längere Elektronenpulsdauern und damit eine begrenzte Zeitauflösung zur Folge. In dieser Arbeit wird ein Messaufbau zur zeitaufgelösten Elektronenbeugung vorgestellt, welcher auf der Erzeugung von nur einem Elektron pro Puls basiert. Aufgrund der Vermeidung von Coulomb-Abstoßung innerhalb der Pulse ist dieser Ansatz eine vielversprechende Basis zur konzeptionell nahezu unbegrenzten Verbesserung der Zeitauflösung. Eine hier eigens entwickelte, thermisch stabilisierte Elektronenquelle garantiert einen hohen Grad an Kohärenz bei gleichzeitig hervorragender Langzeitstabilität der Photoelektronenausbeute. Insbesondere letzteres ist für zeitaufgelöste Beugungsexperimente mit Einzeleelektronen aufgrund der längeren Integrationszeit unerlässlich, konnte jedoch durch vorhergehende Quellen nicht erreicht werden. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit die besonderen Ansprüche der Einzelelektronenbeugung an die zu untersuchenden Materialien diskutiert und Strategien zur Vermeidung von Schäden an der Probe durch akkumulierte Anregungsenergie entwickelt. Diese erfordern neue Schwerpunkte bei der Probenpräparation, welche entwickelt und diskutiert werden. Die Beobachtung der komplexen Relaxationsdynamik in Graphit-Dünnfilmen mit zeitaufgelöster Einzelelektronenbeugung demonstriert abschließend die generelle Eignung dieses Verfahrens als zuverlässige Methodik zur Untersuchung von reversibler, struktureller Dynamik in Festkörpern mit atomarer Auflösung. Nicht-relativistische Einzelelektronenpulse können mit Hilfe von zeitabhängigen Feldern bei Mikrowellenfrequenzen bis in den 10 fs-Bereich komprimiert werden, eventuell sogar bis in den Attosekundenbereich. Die hier demonstrierte langzeitstabile und hochkohärente Elektronenquelle, sowie die Methodiken zur Probenpräparation und zeitaufgelösten Beugung mit Einzelelektronenpulsen liefern die Basis für zukünftige Experimente dieser Art.

Durch moderne Laserspektroskopie ist es mittlerweile möglich, chemische Reaktionen mit einer Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden zu untersuchen. Auf der anderen Seite kann die Molekülstruktur mithilfe von Röntgenstrukturanalyse sehr exakt bestimmt werden. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich damit, diese beiden Gebiete zusammenzubringen. Der erste Teil der Dissertation beschreibt den Aufbau einer Laserplasmaquelle am Lehrstuhl für BioMolekulare Optik. Ein hochenergetischer Laserimpuls wird in einer Vakuumkammer auf ein Kupferband fokussiert. Dabei entsteht charakteristische Kupfer-K-alpha-Strahlung, die auf die kristalline Probe abgebildet wird. Ein zweiter Laserimpuls induziert in der Probe eine chemische Reaktion, die die Kristallstruktur ändert. Mit diesem Aufbau sind Röntgenbeugungsmessungen mit einer Zeitauflösung von wenigen hundert Femtosekunden möglich. An einem möglichen Probenkristall, DIABN, wurden zudem Transmissionsmessungen mit einer Röntgen-Streak-Kamera durchgeführt. Dieses Molekül zeigt einen Ladungstransferzustand auch in der kristallinen Phase, welcher mit einer Strukturänderung einhergeht. Der Ladungstransfer beeinflusst aber auch die Ausrichtung der umgebenden Moleküle, was die Extinktion des Kristalls stark verändert. Dieser Effekt kann mit zeitaufgelösten Transmissionsmessungen untersucht werden, bevor Röntgenbeugungsexperimente durchgeführt werden. Der Hauptteil der Dissertation handelt von der Excimerbildung in 9,10-Dichloroanthrazen (DCA). Mit zeitaufgelöster Emissions- und Absorptionsspektroskopie wurde zunächst das Verhalten in Lösung beobachtet. Hier konnte erstmals eine detaillierte Studie zur Konzentrationsabhängigkeit der Excimerbildung von DCA erstellt werden. Mit den dabei gewonnen Erkenntnissen konnte eine vergleichende Untersuchung der beiden Kristallformen, alpha und beta, durchgeführt werden. Entgegen andersartigen Darstellungen in der Literatur konnte gezeigt werden, dass in der alpha-Form keine Excimerbildung stattfindet, während für die beta-Form die Bildungsrate bei Raumtemperatur bestimmt werden konnte. Die experimentellen Befunde lassen sich wie folgt erklären: Während in Lösung die Bildungsrate mit der Konzentration steigt, da es ein diffusionskontrollierter Prozess ist, sind im Kristall die beteiligten Moleküle relativ starr im Kristallgitter fixiert. In der beta-Form verhindert die relative Anordnung der Moleküle eine Excimerbildung, wohingegen in der alpha-Form die Moleküle fast perfekt parallel ausgerichtet sind und innerhalb kürzester Zeit ein Excimer bilden. Dieses System ist eine ideale Probe für die neu aufgebaute Laserplasmaquelle.

Thu, 28 Jun 2012 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/14592/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/14592/2/Haiser_Karin.pdf Haiser, Karin ddc:530, ddc:500, Fakult

Die Steuerung von photochemischen Reaktionen durch die gezielte Kontrolle von elektronischen Wellenpaketen mit ultrakurzen Pulsen im Femtosekunden- oder Attosekundenbereich ist Gegenstand von zahlreichen theoretischen und experimentellen Forschungsprojekten. Im ersten Teil dieser Dissertation werden drei molekulare Reaktionen theoretisch untersucht, die durch die gezielte Steuerung der Elektronendynamik kontrolliert werden. Die zeitliche Entwicklung dieser Systeme wird mit einem Ansatz zur Berechnung einer gekoppelten Kern- und Elektronendynamik beschrieben. Die Elektronenlokalisierung in den dissoziativen Ionisation der Modellsysteme D2 und CO wird durch die absolute Phase des Laserfeldes (Phase zwischen Trägerfrequenz und Einhüllenden) gesteuert. Ein Vergleich der beiden Mechanismen zeigt wesentliche Unterschiede zwischen dem homonuklearen Molekül D2 und dem heteronuklearen Molekül CO. Diese Unterschiede treten sowohl in der Präparation des elektronischen Wellenpaketes und in der Rolle der absoluten Phase des Laserfeldes in der Kontrolle, als auch im Stopp der induzierten Dynamik Elektronenbewegung zu Tage. Durch die selektive Population von lichtbekleideten Zuständen, die durch die relative Phase zweier Pulse in einer Pulssequenz gesteuert wird, lassen sich im Kalium-Dimer zwei unterschiedliche, elektronisch angeregte Zustände kontrolliert besetzen. Diese dritte Reaktion wird zunächst mit einer Doppelpulssequenz implementiert und die Effizienz durch Variation der beiden Parameter Verzögerungszeit zwischen den beiden Subpulsen und Intensität des zweiten Hauptpulses optimiert. Für beide Zustände wurde eine maximale Effizienz von 66% erreicht. Eine Verlängerung der Verzögerungszeit zwischen den beiden Subpulsen führt zu einer signifikanten Abnahme der Effizienz. Eine Analyse dieses Effekts zeigt, dass dieser Verlust der Kontrolleffizienz durch die Kopplung zwischen Kern-- und Elektronendynamik verursacht wird. OCT-Optimierungen an diesem System führen zu einer erheblichen Steigerung der Kontrolleffizienz und erlauben den Rückschluss, dass dieser Starkfeld-Mechanismus im OCT-Suchraum liegt und somit robust und effizient ist. Aufbauend auf diesen Untersuchungen werden die Faktoren identifiziert, welche ausschlaggebend für das optimale Zeitfenster der Kontrolle der Elektronendynamik sind. Mit diesen Erkenntnissen wird eine neue Kontrollstrategie für Photoreaktionen, die über konische Durchschneidungen verlaufen, entwickelt. Das vorgeschlagene Reaktionsschema wird an einem Modellsystem mit experimentell realisierbaren Pulsen getestet. Die kontrollierbaren Populationsverhältnisse bewegen sich in den Grenzen zwischen 24:76 und 74:26%. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden theoretische Methoden zur Beschreibung der Starkfeld-Ionisationen von Molekülen neu entwickelt bzw. existierende Methoden modifiziert. Die Starkfeld-Ionisation ist in vielen Experimenten der erste Teilschritt, auf dem alle folgenden aufbauen. Daher ist eine exakte Berechnung dieses Prozesses für eine genaue Beschreibung der Experimente ausschlaggebend. Der Fokus der Untersuchungen liegt vor allem auf der Winkelabhängigkeit des Ionisationsprozesses und auf dem Ionisationszeitpunkt. Für die Berechnung der winkelabhängigen Ionisationswahrscheinlichkeiten wird ein neu entwickelter, quantenmechanischer Ansatz vorgestellt und an der dissoziativen Ionisation der Moleküle D2, N2, O2 und CO getestet. Für die Berechnung des Ionisationszeitpunktes wird der Monte-Carlo-Wellenpaket-Ansatz verwendet und für die Beschreibung zweiatomiger Moleküle verallgemeinert. Sowohl die ursprüngliche Methode als auch die Erweiterung werden an der Doppelionisation des H2-Moleküls als Modellsystem getestet.

Femtosecond stimulated Raman microscopy (FSRM) is an upcoming technique in vibrational microscopy that combines optical imaging with the chemical sensitivity of Raman scattering. It allows for the quantitative, space resolved representation of microscopic samples. In FSRM, chemical contrast relies on femtosecond stimulated Raman scattering (FSRS), a nonlinear Raman process providing signal levels, that are strongly amplified with respect to spontaneous Raman scattering. Therefore, FSRM benefits from shortened exposure times and improved signal/noise-ratios. Even though FSRS is an optically nonlinear effect, its spectral signature resembles the (polarised) spontaneous Raman spectra. Autofluorescence of the sample does not contribute to the FSRS signature. FSRM turns out to be suitable for chemical imaging of biological systems, as cells and tissues. Since their signal strengths are quite low, data with high signal/noise-ratios is essential for the specific analysis of the sample. These requirements can be provided by FSRM. Moreover, the linear dependency of the FSRS signal on the sample concentration facilitates the quantitative analysis of its molecular composition. Given that tissue shows a wide heterogeneity on the molecular level, spectrally broad information, which is indeed provided by FSRM, is indispensable for chemically sensitive imaging. The intention of the present work was to establish FSRM as a tool for biological and medical imaging. FSRM is a scanning technique that relies on the nonlinear interaction of two ultrashort laser pulses with a Raman active medium. One of them is a spectrally narrow and intense picosecond pulse (Raman pump pulse), the other a spectrally broad and weak femtosecond pulse (Raman probe pulse). Both pulses are coupled collinearly into a scanning microscope where stimulated Raman scattering occurs in the sample positioned at the focus. This interaction leads to a spectral modification of the Raman probe pulse, which is recorded by the aid of a multi-channel detector. Its FSRS spectrum can be obtained by referencing the femtosecond pulse in presence of the Raman pump pulse to the one in absence. By raster-scanning the sample space-resolved FSRS spectra are retrieved. In the first FSRM setup a laser/amplifier system served as laser source. Its peak intensities are not compatible with the requirements of biological systems. Therefore a new light source has been developed for FSRM. It is based on a laser oscillator running at high repetition rate, which provides ultrashort femtosecond pulses with a spectral width over more than 3000 cm-1. These serve directly as Raman probe pulses. The Raman pump pulse is generated out of the laser spectrum by means of a ytterbium based fiber amplifier. Stimulated Raman microscopy is considered as a disturbance-free, nonlinear microscopy technique. In the context of this work, a further nonlinear contribution to the FSRS signal is reported for the first time. It shows up as a strong oscillation of the baseline in the spectrum and deteriorates the signal/noise-ratio as well as the spectral selectivity. This background can be identified as a spectral interference between the Raman probe pulse and an additional electric field, which is generated by a four-wave-mixing process between the Raman pump and Raman probe pulse. Properties and methods to suppress the spectral interferences are presented.

Die schnellsten bekannten lichtinduzierten Prozesse in der Natur treten auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden (fs) oder sogar auf einigen hundert Attosekunden (as) auf. Um diese ultraschnellen Licht-Materie-Wechelwirkungen aufzulösen und zu erforschen, sind Lichtpulse von wenigen optischen Zyklen vom extrem Ultravioletten (XUV) bis hin zum Infraroten (IR) erforderlich. Deren Erzeugung stellt schon seit Jahren eine Herausforderung dar und stößt auf breites Interesse für Anwendungen in Physik, Chemie und Medizin. Im ersten Teil dieser Dissertation wird die vielversprechende Methodik der nichtkollinearen optisch parametrischen Verstärkung gestreckter Lichtpulse (NOPCPA) für die Generierung von „few-cycle“ Lichtpulsen im Sichtbaren (Vis) und nahen IR (NIR) mit Pulsdauern von 5- 8 fs Halbwertsbreite erheblich weiterentwickelt. Grundlegende parametrische Einflüsse, wie die Existenz einer parametrisch induzierten Phase und die Generierung von optisch parametrischer Fluoreszenz (OPF), werden sowohl durch theoretische Analysen und numerische Simulationen, als auch durch konkrete Experimente erforscht. Experimentell werden im Rahmen dieser Arbeit „few-cycle“ Lichtpulse mit einer Pulsdauer von 7.9 fs, 130 mJ Energie, bei 805 nm Zentralwellenlänge und einem sehr hohen, „seed“-Puls limitierten Vorpuls-Kontrast von 11 und 8 Größenordnungen bei 30 ps und ca. 3 ps erzielt. Diese stellen derzeit die leistungsstärksten „few-cycle“ Lichtpulse weltweit dar und es werden durch diese Arbeit und Kooperationen neue Experimente in der Hochfeld-Physik realisiert. Zum Einen, ist es mit dem hier beschriebenen Breitbandpulsverstärker gelungen, "quasimonoenergetische" Elektronen mit Energien mit bis zu 50 MeV zu beschleunigen. Dazu wird der Lichtpuls zu relativistischen Intensitäten von mehreren 1019 W/cm2 in einen Helium- Gasjet fokussiert. Die Elektronen zeigen einen stark reduzierten niederenergetischen Elektronenhintergrund, verglichen mit Beschleunigung durch längere Lichtpulse. Zum Anderen, wurde XUV-Licht bis zur 20. Harmonischen des generierten Lichtpulses aus dem Breitbandpulsverstärker durch dessen „sub-cycle“ Wechselwirkung mit Festkörperoberflächen erzeugt. Die Erzeugung von solchen kohärenten hohen Harmonischen verspricht den Bau von kompakteren XUV-Strahlungsquellen, die as-Pulsdauern mit hohen Photonenflüssen XUVAnrege/ XUV-Abfrage Experimente kombinieren würden. Im Rahmen dieser Arbeit werden darüber hinaus neue, erweiterte Konzepte für noch breitbandigeres NOPCPA über eine Oktave entwickelt und charakterisiert, die die Verwendung von zwei Pumppulsen in einer NOPCPA Stufe und die Verwendung von zwei verschiedenen Pumpwellenlängen in zwei aufeinanderfolgenden NOPCPA Stufen beinhalten. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden breitbandige Weißlicht-Spektren und mittels NOPCPA spektral abstimmbare, ultrakurze Lichtpulse verwendet um ein weltweit einzigartiges transientes Absorptionsspektrometer mit Vielkanaldetektion zu realisieren. Dieser neue Anrege-Abfrage Aufbau kombiniert eine sehr breitbandige UV-Vis-NIR Abfrage mit einer hohen Zeitauflösung von 40 fs und hoher Sensitivität für die transiente Änderung der optischen Dichte von weniger als 10-4. Damit ist es in dieser Dissertation zum ersten Mal gelungen den photoinduzierten Ladungstransfer im konjugierten Polymer Polythiophen und in hybriden Polythiophen/Silizium Solarzellen in Echtzeit aufzulösen. Dabei wird eine seit mehreren Dekaden geführte kontroverse Debatte über die Natur der primären Photoanregung in organischen Halbleitern aufgelöst: Exzitonen dissoziieren mit 140 fs Zeitkonstante zu Polaronen (Ladungsträger). Entscheidende Parameter (z.B. strukturelle Ordnung, Ladungsträgermobilität) für die Effizienz der Generierung und Extraktion von freien Ladungsträgern können bestimmt werden, was fundamentales Verständnis für die Optimierung von organischer und hybrider Photovoltaik für zukünftige nachhaltige Energiequellen beisteuert. Weitere Ultrakurzzeit-Experimente an neuartigen organischen Solarzellen sind hier begonnen und aufgezeigt.

Tue, 23 Mar 2010 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/11430/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/11430/1/Haertel_Ursula.pdf Haertel, Ursula ddc:610, ddc:600, Medizinische

Aufgrund ihrer kleinen De-Broglie-Wellenlänge sind Elektronen sehr gut für die Strukturanalyse mit einer Auflösung im atomaren Bereich geeignet. Die Synchronisation von ultrakurzen Elektronenpulsen mit ultrakurzen Laserpulsen bietet weiterhin die Möglichkeit, Vorgänge wie Konformationsänderungen von Molekülen oder Phasenübergänge in Festkörpern mit präziser Orts- und Zeitauflösung zu untersuchen. Zusätzlich reagieren Elektronen aufgrund ihrer Ladung hochsensitiv auf elektrische und magnetische Felder. In den in dieser Arbeit vorgestellten Experimenten werden beide Eigenschaften ausgenutzt. Ihre Eigenschaft, auf äußere Felder zu reagieren, wird zur Untersuchung ultraschneller Plasmadynamik verwendet. Diese Art der Untersuchung ermöglicht es, Plasmaeigenschaften zu beleuchten, die anderen Methoden nicht zugänglich sind. Die extrem hohe räumliche Auflösung, kombiniert mit einer Zeitauflösung von einigen Pikosekunden, ermöglicht die erste Demonstration zeitaufgelöster Elektronenbeugung von transient ausgerichteten Molekülen. Dabei wird der ultraschnelle Zerfall des erzeugten Rotationswellenpakets gemessen. Zeitaufgelöste Elektronenbeugung an ausgerichteten Molekülen stellt einen bedeutenden Schritt auf dem Weg hin zu dreidimensionaler Strukturaufklärung hochkomplexer Moleküle dar. Die Raumladung innerhalb der Elektronenpulse führt zur schnellen zeitlichen Verbreiterung der Pulse, typischerweise in den Pikosekundenbereich. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde eine Einzelelektronenquelle konstruiert. Erste zeitaufgelöste Experimente zum Photoemissionsprozess zeigen eine verbesserte Zeitauflösung von einigen hundert Femtosekunden.

Experimente mit hohen Struktur- und Zeitauflösungen sind Voraussetzungen, um ein detailliertes Verständnis grundlegender Prozesse auf molekularer Ebene zu erlangen. Zeitauflösungen im Bereich von Femtosekunden kann die Anreg-Abtast-Laserspektroskopie erreichen. Mit Abtastimpulsen im infraroten Spektralbereich lassen sich zudem die nötigen strukturellen Informationen gewinnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein transientes Femtosekunden-Infrarotspektrometer für verschiedene Anwendungen auf dem Gebiet der Molekülphysik weiterentwickelt. Dieses betraf zum Einen eine Erzeugung für abstimmbare Ultraviolett-Anregungsimpulse, zum Anderen eine mehrstufige, optisch parametrische Frequenzkonversion zur Generierung spektral schmalbandiger, abstimmbarer Pumpimpulse im Mittelinfraroten. An Propionsäure-Dimeren, einem Modellsystem für die biologisch relevanten Wasserstoffbrückenbindungen, wurden Infrarot-Anreg-Infrarot-Abtast-Experimente durchgeführt. Die Anregung erfolgte dabei im Bereich der OH-Streckschwingungen, während die CO-Streck- und CH-/OH-Biegeschwingungen abgetastet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass diese Schwingungen stark aneinander koppeln. Die genaue Wellenlänge der Infrarot-Pumpimpulse hat Einfluss auf die Relaxation der Schwingungsenergie. Intramolekulare Energieumverteilung findet mit Zeitkonstanten von 0,5 ps und 1,5 ps statt; eine weitere intramolekulare Relaxation, vornehmlich aus mitangeregten CH-Streckschwingungen, sowie das Kühlen zum Lösungsmittel, geschehen mit Zeiten von 12 ps. Darüber hinaus wurde das transiente Brechen nur einer der beiden Wasserstoffbrückenbindungen der Propionsäure-Dimere nach der Infrarot-Anregung beobachtet. Neben umfangreichen Experimenten mittels Ultraviolett-/Sichtbar-Anreg-Infrarot-Abtastspektroskopie wurde an photochromen Fulgiden und Fulgimiden eine Zuordnung von Schwingungsbanden mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen durchgeführt. Lichtinduzierte, ultraschnelle und reversibel schaltbare Ringschluss- sowie Ringöffnungsreaktionen zwischen den thermisch stabilen Konformeren wurden untersucht. Mit dem Zerfall eines elektronisch angeregten Zustands, dessen Lebensdauer auf der Zeitskala weniger Pikosekunden anzusiedeln ist, wird das entsprechende Photoprodukt gebildet. Alle Photoreaktionen sind nach 50 ps abgeschlossen. Durch spektral sehr breitbandiges Abtasten konnten auch Infrarotspektren des elektronisch angeregten Zustandes gewonnen und dessen Absorptionsbanden teilweise auch Normalschwingungen zugeordnet werden. Die potentielle Eignung von Fulgiden als ultraschneller, optischer Speicher wurde in einem Schreib-Lösch-Zyklus demonstriert. Mit einem ersten Ultraviolett-Impuls wurde die Ringschluss-, mit einem weiteren Impuls im Sichtbaren nach nur 4 ps die Ringöffnungsreaktion induziert, entsprechend einer möglichen Schalttaktrate von 250 GHz. Die Absorptionsunterschiede aufgrund der Konformationsänderungen konnten im Infraroten ausgelesen werden, ohne die jeweilige Konformation der Moleküle zu verändern.

Die Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY) betreibt die derzeit einzige deutsche Synchrotronstrahlungsquelle der dritten Generation. Der Speicherring BESSY II liefert extrem brillante Photonenpulse von der langwelligen Terahertz-Region bis hin zur harten Röntgenstrahlung mit Wahl des Energiebereichs und der Polarisation. Die 46 Strahlrohre an Undulator-, Wiggler- und Dipolquellen bieten dem Nutzer eine facettenreiche Mixtur von Strahlrohren und Messplätzen mit exzellenter Energieauflösung. Die Kombination von Brillanz und Photonenpulsen machen BESSY zu einem idealen Mikroskop für Raum und Zeit und ermöglichen Zeit- und Ortsauflösungen mit bis zu Femtosekunden auf Picometerskala.

Die Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY) betreibt die derzeit einzige deutsche Synchrotronstrahlungsquelle der dritten Generation. Der Speicherring BESSY II liefert extrem brillante Photonenpulse von der langwelligen Terahertz-Region bis hin zur harten Röntgenstrahlung mit Wahl des Energiebereichs und der Polarisation. Die 46 Strahlrohre an Undulator-, Wiggler- und Dipolquellen bieten dem Nutzer eine facettenreiche Mixtur von Strahlrohren und Messplätzen mit exzellenter Energieauflösung. Die Kombination von Brillanz und Photonenpulsen machen BESSY zu einem idealen Mikroskop für Raum und Zeit und ermöglichen Zeit- und Ortsauflösungen mit bis zu Femtosekunden auf Picometerskala.

Aromatic nitro-compounds are known to photochemically abstract hydrogen atoms from adjacent hydrocarbon moieties. For ortho-substituted nitro-aromatics these abstractions proceed intra-molecularly and trigger secondary processes. Due to these processes aromatic nitro-compounds are used as, e.g., photo-labile protecting groups and as the leaving group in caged compounds. Here, a prototypical nitro-compound, ortho-nitrobenzaldehyde (o-NBA), which is photochemically transformed into ortho-nitrosobenzoic acid is studied. This reaction is known for more than 100 years but is still not totally specified. Tracing these photochemical processes requires high temporal resolution down to about 100 fs and a detection technique that is sensitive to structural changes after starting the photoreaction. Femtosecond vibrational spectroscopy fulfils these conditions in observation of ultrafast chemical processes. So transient IR spectroscopy and the recently developed femtosecond stimulated Raman spectroscopy (FSRS) are used to record the ultafast structural changes in this photoreaction. In addition the kinetics of the o-NBA photoreaction are monitored by means of visible femtosecond absorption spectroscopy. The novel implementation of FSRS uses a white light continuum as the Stokes probe pulse in the stimulated Raman process. The reaction is started by a actinic laser pulse thereby the transient Raman spectra can be recorded in pump-probe fashion and are compared with calculated spectra of possible intermediates of the reaction. With the use of these techniques the photoreaction of NBA into intermediates can be followed and a reaction mechanism is described.

Mit den Mitteln der Infrarotspektroskopie wurde der Einfluss der organischen Hülle auf Struktur und Dynamik von CdSe Nanopartikeln untersucht. Zunächst wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, aus dem statischen Infrarotspektrum Informationen über die Qualität der organischen Hülle und das Bindungsverhalten der Liganden zu gewinnen. An qualitativ hochwertigen und gut charakterisierten Proben wurde anschließend die Dynamik des niederenergetischsten Elektronenniveaus 1S nach optischer Anregung im Sichtbaren zeitaufgelöst gemessen. Als Referenz diente CdSe TOPO, das durch Proben mit den Liganden Octanthiol, Octansäure, Octylamin, Naphthoquinon, Benzoquinon und Pyridin ergänzt wurde. Die untersuchten Nanopartikel hatten einen Durchmesser von 4.86 nm. Mit Hilfe des Anreg-Abtast- oder Pump-Probe-Verfahrens wurden zunächst Messungen im Pikosekundenbereich durchgeführt. Die Anregungswellenlängen wurden dabei spektral eingeschränkt und so gewählt, dass selektiv die Übergänge 1S-1S und 1P-1P, nicht aber der dazwischenliegende 2S-1S-Übergang, angeregt wurden. Die Anregungsintensitäten wurden bewusst so niedrig gehalten, dass die Anregung mehrerer Exzitonen in einem Kristall vermieden werden konnte. Die Abtastwellenlänge im Infraroten entsprach der Energiedifferenz zwischen den Elektronenniveaus 1S und 1P. Die Transienten im Pikosekundenbereich zeichnen sich durch einen steilen Anstieg des Signals aus, auf den ein multiexponentieller Zerfall folgt. Der Anstieg, der die Bevölkerung des angeregten Zustands widerspiegelt, ist unabhängig von der Wahl der Liganden. Der Einfluss der organischen Hülle wird erst in den unterschiedlichen Zerfallszeiten der angeregten Elektronenniveaus sichtbar. Der Zerfall des Messsignals von CdSe TOPO lässt sich näherungsweise mit drei Zeitkonstanten beschreiben: eine Zerfallszeit im frühen Pikosekundenbereich, eine Zeitkonstante um die hundert Pikosekunden und eine Zeitkonstante bei einigen Nanosekunden. Bei ansteigender Abtastwellenlänge werden die Zerfallszeiten länger. Durch gezielte Anregung des 1S-1S und des 1P-1P-Übergangs konnte der Zerfall des 1P-Zustands in den energetisch günstigeren 1S-Zustand beoachtet werden, der im verzögerten Anstieg des Messsignals bei Anregung des 1P-1P-Übergangs sichtbar wird. Dem Übergang zwischen den Elektronenniveaus 1P und 1S konnte eine Zeitkonstante von ca. 190 fs zugewiesen werden, die nicht von der Wahl der organischen Hülle beeinflusst wird. Nanopartikel mit den Liganden TOPO, Pyridin und Octanthiol zeigen auch nach 3 ns noch ein gut sichtbares Messsignal. An diesen Proben wurden Messungen im Nanosekundenbereich durchgeführt. Auch hier ist der Einfluss der organischen Hülle auf die Dynamik der Nanopartikelprobe deutlich zu erkennen. Mit der Kombination beider Messreihen konnte erstmals ein Zeitbereich abgedeckt werden, der sich von einigen hundert Femtosekunden bis in den Mikrosekundenbereich hinein erstreckt.

In dieser Arbeit wurde die Femtosekunden (fs)-Frequenzkammtechnik, die in der Arbeitsgruppe von Prof. T. W. Hänsch entwickelt wurde, angewendet, um die Genauigkeit nichtlinearer Prozesse zu überprüfen und eine mögliche zeitliche Veränderung von Naturkonstanten nachzuweisen. Ein Frequenzkamm ist das Spektrum eines regelmäßigen kohärenten Pulszugs, der von einem modengekoppelten Laser ausgesendet wird. Die Frequenzen f_n der Kammoden sind durch f_n=f_ce+n*f_r gegeben. Dabei ist n eine natürliche Zahl der Größenordnung 10^6, f_r die Pulswiederholrate des Lasers und f_ce eine für alle Moden gleiche Frequenzverschiebung. Wird das Spektrum eines fs-Lasers mit Hilfe einer mikrostrukturierten Glasfaser auf eine Oktave verbreitert, so können die beiden Radiofrequenzen f_r und f_ce auf einfache Weise gemessen und kontrolliert werden. Einen fs-Frequenzkamm kann man sich dabei anschaulich als Getriebe vorstellen, der optische Frequenzen und Radiofrequenzen phasengenau miteinander verbindet. Das oktavenbreite Spektrum nach einer mikrostrukturierten Glasfaser wurde in dieser Arbeit dazu verwendet, um in einem nichtlinearen Kristall durch Summenfrequenzmischung (SFG) bzw. Differenzfrequenzmischung (DFG) zwei neue Frequenzkämme zu erzeugen, deren Frequenzverschiebung 2*f_ce (SFG) bzw. f_ce=0 (DFG) beträgt. Durch das Verschwinden von f_ce eignet sich der DFG-Kamm als stabiles Uhrwerk für zukünftige optische Uhren, von denen eine relative Genauigkeit von 10^(-18) erwartet wird, was etwa 1000 mal genauer ist als die besten Cs-Atomuhren der Welt. Ein Vergleich des erzeugten SFG- und DFG-Kamms mit dem Originalkamm gestattet darüber hinaus die Überprüfung der Genauigkeit nichtlinearer Prozesse mit einer relativen Genauigkeit von 6,6*10^(-21), was verglichen mit früheren Arbeiten eine 100 fache Verbesserung darstellt. Eine Abweichung von den erwarteten Werten konnte im Rahmen der Meßgenauigkeit nicht beobachtet werden. In Zusammenarbeit mit dem Wasserstofflabor in unserer Arbeitsgruppe wurde die Frequenz des 1S-2S Übergangs in atomarem Wasserstoff zu 2466061413187087+-34 Hz gemessen, was einer relativen Genauigkeit von 1,4*10^(-14) entspricht. Damit gehört die 1S-2S Frequenz zu den am besten bekannten optischen Frequenzen. Für ihre Messung wurde ein fs-Frequenzkammgenerator verwendet, der mit Hilfe der transportablen Cs-Fontänenuhr FOM des BNM-SYRTE/ENS, Paris stabilisiert wurde. Ein Vergleich mit der Messung aus dem Jahr 1999 ergibt eine relative zeitliche Änderung der 1S-2S Frequenz von (-3,2+-6,3)*10^(-15)/Jahr. Mit diesem Wert und optischen Frequenzmessungen am 199Hg+ bzw. 171Yb+ Ion, die am NIST in Boulder/Colorado bzw. an der PTB in Braunschweig durchgeführt wurden, konnte eine Obergrenze für die gegenwärtige zeitliche Änderung der Feinstrukturkonstante von (d/dt)alpha/alpha=(-0,3+-2,0)*10^(-15)/Jahr angegeben werden. Dieser Wert ist mit Null verträglich. Für seine Herleitung wurden keine Annahmen über das zeitliche Verhalten der anderen Kopplungskonstanten gemacht. Die ermittelten Obergrenzen sind daher weitgehend modellunabhängig.

Die zeitaufgel"oste Fluoreszenzspektroskopie stellt einen Zugang zur Dynamik von Molek"ulen dar. Da schnelle molekulare Vorg"ange, wie z.B. Isomerisierungen, innerhalb weniger 100 fs oder sogar darunter ablaufen k"onnen, erfordert ihre Untersuchung Techniken, die Zeitaufl"osungen in diesem Bereich erlauben. Elektronische Me"sverfahren erreichen derartige Zeitaufl"osungen jedoch nicht. Daher wird bei zeitaufgel"osten Fluoreszenzmessungen auf optische Methoden zur"uckgegriffen. In dieser Arbeit wird der Aufbau und die Weiterentwicklung eines Me"ssystems f"ur die zeitaufgel"oste Beobachtung von Fluoreszenzspektren molekularer Proben auf der Basis des Kerr-Effekts vorgestellt. Nach Anregung der Proben mit Laserimpulsen im ultravioletten oder sichtbaren Spektralbereich kann bei einer Zeitaufl"osung von ca. 100 fs gleichzeitig eine Messung "uber einen sehr breiten Spektralbereich vom nahen Ultravioletten bis ins nahe Infrarote durchgef"uhrt werden. Auf dieser Grundlage wird die Fluoreszenz einer Reihe von Proben untersucht, die nach optischer Anregung isomerisieren. Es handelt sich hierbei um die Molek"ule 4-Nitro-4'-(Dimethylamino)-Azobenzol, Bakteriorhodopsin und Proteorhodopsin. Das Push-Pull substituierte Azobenzolderivat 4-Nitro-4'-(Dimethylamino)-Azobenzol (NA) isomerisiert nach Photoanregung ebenso wie das unsubstituierte Azobenzol. Trotz stark unterschiedlicher elektronischer Struktur offenbart sich eine erstaunliche "Ahnlichkeit in der Dynamik beider Molek"ule. Beide Systeme besitzen in der Emission ein "ahnliches biphasisches Verhalten. F"ur NA wurden Zeitkonstanten von 0.08 ps und 0.8 ps und ein verz"ogerter Anstieg der Fluoreszenz im langwelligen Teil der Spektren bestimmt. Ein Unterschied zu unsubstituiertem Azobenzol besteht in den um etwa den Faktor drei k"urzeren Zeitkonstanten von NA. Der prim"are Schritt im Photozyklus von Bakteriorhodopsin (BR) besteht in der Isomerisierung des Retinalmolek"uls, welches als Chromophor dient. W"ahrend die Zeitskalen dieser Isomerisierung aus transienten Absorptionsexperimenten bereits bekannt sind, unterliegen die damit assoziierten molekularen Prozesse weiterhin einer kontroversen Diskussion. In den hier durchgef"uhrten Emissionsmessungen wurde neben den bereits bekannten Zeitkonstanten von < 0.15 ps und 0.45 ps f"ur den Fall niedriger Anregungsdichten das erste Mal ein dynamischer Stokes-Shift auf der Zeitskala von 0.2 ps entdeckt. Im Falle hoher Anregungsdichten k"onnen die deutlichen "Anderungen der zeitaufgel"osten Spektren Mehrphotonenabsorptionen zugeordnet werden. Erst vor kurzer Zeit wurde das Proteorhodopsin (PR) als neues Mitglied der Familie der rhodopsinartigen Proteine entdeckt. Ebenso wie bei BR ist der prim"are Schritt des Photozyklus die Isomerisierung seines Retinalmolek"uls. Hier wurden zum ersten Mal zeitaufgel"oste Fluoreszenzmessungen an PR durchgef"uhrt. Es wurde, wie auch bei BR, ein dynamischer Stokes-Shift gefunden. Im Gegensatz zu BR besitzt PR in der Emission jedoch drei Zeitkonstanten von < 0.15 ps, 0.45 ps und 4 ps. Die dritte Zeitkonstante kann mit einem spektral dunklen Zwischenzustand assoziiert werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden die Anwendungsmöglichkeiten der Emissionsdetektion bei der Anregung-Abtast-Spektroskopie erarbeitet. Es wurden zwei unterschiedliche Messungen mit dieser Anordnung durchgeführt: die Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer im Femtosekundenbereich durch den Raman-Loss-Effekt und die Untersuchung der Schwingungsbesetzungsdynamik durch nicht-resonante anti-Stokes Raman Streuung nach ultraschnellen internen Konversion.

Die Femtosekundenspektroskopie ist ein modernes Werkzeug zur Untersuchung einer Vielzahl von sehr schnellen Prozessen in Physik, Chemie und Biologie. Die rasanten Fortschritte auf der apparativen Seite ermöglichen die Gewinnung neuer Informationen und diese liefern einen wesentlichen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der ablaufenden Vorgänge. Mit einem neu aufgebauten Femtosekundenspektrometer konnten verschiedene aktuelle Aspekte der Molekülphysik an Modellsystemen auf einer Zeitskala von 10 Femtosekunden untersucht werden.

This doctoral thesis presents new approaches for the characterisation of ultrafast energy flow in complex systems, based on concepts of coherent control. By initiating a photoreaction with femtosecond pulses whose temporal phase and amplitude are shaped in such a manner that specific molecular vibrations and states are addressed, the energy flow can be steered at will. The comparison between the ensuing energy flow patterns following shaped and unshaped excitation pulses constitutes a differential measurement of the function of the controlled vibrations and states within the photoreaction. Coherent control as a spectroscopic tool is first applied to biological systems, specifically the light harvesting complex LH2 from the photosynthetic purple bacterium Rhodopseudomonas acidophila, and the isolated carotenoid donor of the same complex. The pump-probe method using shaped excitation pulses is shown to be successful for the first time in controlling the natural function of a biological system, namely the flow of excitation energy in the complex network of states in LH2. By means of a closed-loop optimisation of parametrised excitations, a bending mode in the carotenoid donor can be identified as being responsible for steering the energy flow. This bu vibrational mode couples the carotenoid S2-S1 states; its frequency is determined to be 160±25cm-1. Furthermore the deactivation of the carotenoid S2 state in LH2 and in solution is studied with pump-probe and pump-deplete-probe spectroscopy. Here it is shown that there exists an alternative singlet state S*T (1Bu-) involved in the deactivation process, though only in LH2. Its function as a precursor of ultrafast triplet population and as a donor for photosynthetic energy transfer is characterised with a novel evolutionary target analysis of conventional pump-probe spectra. Secondly, coherent control as a measurement technique is applied to another extremely complex system, in this case a material dominated by non-linear interactions with instantaneous dynamics: Propagation of femtosecond pulses in optical fibres that are only a few micrometers in diameter to generate a supercontinuum of optical frequencies. Here shaped pump pulses succeed in resolving for the first time the sequential steps leading to the enormous spectral broadening. Open-loop variations of precompression allows the evolution and fission of optical solitons to be followed, while closed-loop optimisations render observable the coupling of solitons with phase-matched visible frequencies. On atoms, finally, open-loop control of interfering pathways from the ground to the excited state by application of strongly modulated spectra seeks to establish a direct link between coherent control experiments and theory. The novel phenomenon of a Fresnel zone plate in the time domain is first developed in theory and then successfully realised in experiment.

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Primaerreaktion der Photosensoren Sensorrhodopsin I und II aus dem Archaebakterium Halobacterium salinarum und Sensorrhodopsin II aus Natronobacterium pharaonis sowie die Durchfuehrung vergleichender Messungen an dem zur selben Familie gehoerenden Membranprotein Bakteriorhodopsin. Spektral aufgel�oste Anreg-Abtast-Experimente im sichtbaren Spektralbereich ermoeglichten dabei einen umfassenden Einblick in die schnellsten Prozesse nach der Lichtanregung. Da Femtosekundenlasersysteme mit den erforderlichen Spezifikationen zu Beginn dieser Arbeit noch nicht kommerziell erhaeltlich waren, musste zur Realisierung der Experimente ein Ti:Saphir-Laseroszillator und ein CPA-Verstaerker entwickelt werden, der die benoetigten Lichtimpulse von ca. 100 fs Dauer und 1 mJ Ausgangsleistung bei hoher Stabilitaet lieferte. Erste Hinweise auf das Verhalten der elektronisch angeregten Zustaende der Sensorrhodopsine vermittelten die in einem modifizierten hochempfindlichen Ramanspektrometer aufgenomenen Fluoreszenzspektren. Dabei konnten erstmalig die Fluoreszenzquantenausbeuten der Sensorrhodopsine bestimmt werden und unter gewissen Annahmen auch die Lebensdauern ihrer elektronisch angeregten Zustaende abgeschaetzt werden. Die Anreg-Abtast-Experimente wurden mit einer Zeitau �osung von ca. 100 fs im Spektralbereich von etwa 400 nm bis 700 nm durchgef�uhrt, wobei Absorptionsaenderungen im Promillebereich aufgeloest werden konnten. Innerhalb der ersten 200 fs nach der Lichtanregung wurden bei allen untersuchten Proben schnelle, nichtexponentielle Reaktionskinetiken beobachtet, die durch eine stark gedaempfte Abwaertssbewegung des auf der Potential flaeche des elektronisch angeregten Zustands praeparierten Wellenpakets interpretiert werden koennen. Diese Ergebnisse stuetzen mehrdimensionale Modelle der Primaerreaktion, bei denen der Isomerisierung des Retinals eine schnelle Relaxation hochfrequenter Schwingungsmoden vorausgeht. Die Rueckreaktion in den elektronischen Grundzustand und die damit verbundene Isomerisierung des Retinals verlaeuft im Fall des Photosensors Sensorrhodopsin II trotz der unterschiedlichen Grundzustandsspektren sehr aehnlich zu Bakteriorhodopsin. Bei Sensorrhodopsin I wurde jedoch eine sehr langsame Rueckreaktion innerhalb einiger Pikosekunden beobachtet, die bei dem eingestellten pH-Wert vermutlich zumindest teilweise durch eine veraenderte elektrostatische Wechselwirkung mit dem Gegenion der Schiss- schen Base verursacht wird. Ueber den Vergleich mit Literaturdaten an Halorhodopsin und BR-Mutanten konnten Vermutungen, dass die Geschwindigkeit der Primaerreaktion stark von dieser Wechselwirkung beein usst wird, weiter bestaetigt werden. Aus den aufgenommenen Daten konnten weiterhin die erst lueckenhaft bekannten Photozyklen der Sensorrhodopsine um einige Schritte ergaenzt werden und die Absorptionsquerschnite der gefundenen Zwischenzust�ande berechnet werden. Schliesslich konnte ein qualitatives Modell fuer die Prim�arreaktion der Familie der Retinalproteine vorgeschlagen werden, das als Grundlage fuer zuk�unftige Arbeiten dienen kann.

Die sprunghafte Entwicklung in der Femtosekundenlasertechnologie Anfang der 90er Jahre ermöglicht es, laserphysikalische Experimente in den verschiedensten Bereichen der Naturwissenschaften bei Pulsdauern von einigen Femtosekunden und elektrischen Feldstärken in der Größenordnung inneratomarer Felder durchzuführen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die drei wichtigsten Prozesse im Bereich der Wechselwirkung von Atomen mit starken Laserfeldern untersucht: Im Fall der Above-threshold Ionisation (ATI) absorbiert ein Elektron aus dem Lichtfeld mehr Photonen, als zu seiner Ionisation notwendig sind. Die Überschussenergie kann mit einem Flugzeitspektrometer in Form der kinetischen Energie des Photoelektrons gemessen werden. Im ATI-Spektrum wird die Zahl der gemessenen Photoelektronen als Funktion ihrer Energie aufgetragen: Es ergibt sich eine Serie von Maxima im Abstand der Photonenenergie. Diese fallen mit steigender Photoelektronenenergie stark ab und entsprechen der Anzahl der jenseits der Ionisationsschwelle absorbierten Photonen. Die Form der Spektren gibt detaillierte Hinweise auf Einzelheiten des Ionisationsvorgangs. Zum Beispiel misst man für lineare Polarisation des eingestrahlten Lichts eine plateauartige Struktur, die durch einen Rückstreuprozess des Elektrons am Ionenrumpf hervorgerufen wird: Die Einhüllende des ATI-Spektrums folgt zunächst dem störungstheoretisch erwarteten starken Abfall für niedrige Elektronenenergien. Sie geht dann in das ATIPlateau über, bis sie am sogenannten Cutoff endgültig stark abfällt. Neben dem Ionisationsprozess beobachtet man bei der Wechselwirkung von Atomen mit intensiven Laserfeldern auch die Erzeugung hoher Harmonischer (high harmonic generation, HHG). Dabei emittieren die Atome Strahlung mit Photonenenergien, die einem Vielfachen der Energie der eingestrahlten Photonen entsprechen. Aufgrund der Inversionssymmetrie werden im Gas nur die Harmonischen ungerader Ordnung erzeugt. HHG kann durch Elektronen erklärt werden, die - statt wie bei ATI am Ionenrumpf zu streuen, rekombinieren und auf diese Weise die aus dem Laserfeld aufgenommene Energie in Form von hochenergetischer Strahlung abgeben. Auch im Spektrum der Harmonischen fand man ein Plateau, das sich bis in den Bereich weicher Röntgenstrahlung erstrecken kann. HHG erlaubt es damit, vergleichsweise effizient kohärente kurzwellige Strahlung zu erzeugen, die vielversprechende Anwendungen ermöglicht, zum Beispiel in der Biologie (Mikroskopie). Als dritte Möglichkeit kann das Elektron seine während des Ionisationsprozesses gewonnene Energie dazu benutzen, ein zweites Elektron aus dem Atom zu lösen. Dies wird nicht-sequentielle Doppelionisation (NSDI) genannt und beinhaltet hochinteressante korrelierte Ionisationsdynamik. Für die Experimente dieser Arbeit wurde ein hochrepetitives (100kHz) Lasersystem aufgebaut, das bei einer Pulsenergie von 6µJ und einer Pulsdauer von 50fs Spitzenintensitäten von 2 · 1014W/cm2 erzeugt. Für Messungen in diesem Intensitätsbereich wurde ein kombiniertes Elektronen- und Ionen-Flugzeitspektrometer sowie ein Vakuum-UVSpektrometer konstruiert. Ersteres wurde im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut und erlaubt die gleichzeitige Messung von Elektronen und Ionen. Das XUV-Spektrometer wurde im Rahmen dieser Arbeit umgebaut und erstmals zur Messung hoher Harmonischer eingesetzt. Bei einer Repetitionsrate von 100kHz sind sehr detaillierte Analysen des Ionisationsprozesses möglich. So wurde eine vergleichende Studie zum Einfluß der Elliptizität des einfallenden Lichtfeldes auf die drei oben genannten Effekte durchgeführt. Elliptisch polarisiertes Licht beschleunigt das Elektron in zwei Raumrichtungen. Mit zunehmender Elliptizität verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron während des Ionisationsprozesses zum Ionenrumpf zurückkehrt und damit auch die Effizienz von ATI, HHG und NSDI. Ihre Abhängigkeit von der Elliptizität wurde unter nahezu identischen experimentellen Bedingungen gemessen. Die Messung bestätigt die gemeinsame Wurzel der drei Prozesse. Der Einfluß der Polarisation auf die Bahn des Elektrons kann in einem einfachen klassischen Modell beschrieben werden, das die gemessene Abhängigkeit näherungsweise reproduziert. Ein Durchbruch in der theoretischen Beschreibung von Prozessen in starken Feldern gelang Lewenstein et. al. mit vom Feynman’schen Pfadintegral abgeleiteten Gleichungen. Der klassische Limes dieser Theorie ist das oben erwähnte klassische Modell. Beide erlauben eine intuitive Deutung der physikalischen Vorgänge mit Hilfe von räumlichen Trajektorien bzw. Quantentrajektorien, die das Elektron aufgrund der Wechselwirkung mit dem Feld nehmen kann. Im ATI-Experiment ist es uns dabei gelungen, unter bestimmten Bedingungen ein ATI-Spektrum in die Beiträge von einzelnen Paaren von Quantentrajektorien zu zerlegen. Führen mehrere Quantentrajektorien zum gleichen Endzustand des Elektrons, so können sie miteinander interferieren. Die Interferenz von Quantentrajektorien beeinflusst die Form der ATI-Spektren auf verschiedenste Art. Dies zeigt zum einen die Messung der Interferenz niederenergetischer Elektronen und rückgestreuter hochenergetischer Elektronen. Eine Voraussetzung für ihre Interferenz mit messbarem Kontrast ist eine vergleichbare Amplitude in den entsprechenden Termen der Wellenfunktion. Im Plateau-Bereich der Photoelektronenspektren ist dies für kleine elliptische Polarisation des Lichts erfüllt, da dann, wie schon erwähnt, der Rückstreuvorgang abgeschwächt wird. Die Interferenz der beiden Beiträge zeigt sich in der Winkelverteilung der Photoelektronen dadurch, dass sich das ATI-Plateau aufgrund der Interferenz aufspaltet. Ein zweites Beispiel für den Einfluss von Interferenzeffekten betrifft die Form der Einhüllenden eines ATI-Spektrums. Diese wird durch resonanzartig auftretende Effekte bei bestimmten Intensitäten dominiert. Die Dynamik in der Ausbildung des ATI-Plateaus wurde durch die detaillierte Messung der Intensitätsabhängigkeit der ATI-Spektren untersucht. Dazu wurde in kleinen Schritten die Intensität erhöht und die dazugehörigen Spektren aufgenommen. Die resonanzartigen Effekte treten gerade bei solchen Intensitäten auf, bei denen die Theorie eine große Anzahl von Quantentrajektorien braucht, um das Spektrum zu approximieren. Daraus kann man auf konstruktive Interferenz der beteiligten Trajektorien schließen. Ein völlig neuer Bereich der Wechselwirkung ultrakurzer Pulse mit Atomen eröffnet sich bei Pulslängen um oder kürzer als 5fs. Solche Pulse bestehen aus weniger als zwei optischen Zyklen (FWHM). Dadurch wird die Phase zwischen der Einhüllenden des Pulses und seiner Trägerwelle von Bedeutung (absolute Phase). Da alle Effekte, die durch intensive Laserfelder hervorgerufen werden, vom Verlauf des elektrischen Feldes des Laserpulses abhängen, hängen sie auch von der absoluten Phase ab. Dies ist von entscheidender Bedeutung für verschiedene moderne Forschungsbereiche wie die Erzeugung von Attosekundenpulsen, die kohärente Steuerung atomarer und molekularer Prozesse, die Laserplasmaphysik aber auch die Entwicklung optischer Frequenzstandards. An der Politecnico di Milano haben wir mit einem 5fs-Lasersystem erstmals Effekte der absoluten Phase nachweisen können. Dies wurde durch eine Korrelationsanalyse der in entgegengesetzte Raumrichtungen emittierten Photoelektronen erreicht.

Tue, 24 Jul 2001 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/456/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/456/1/Spoerlein_Sebastian.pdf Spörlein, Sebastian ddc:530, ddc:500, Fa