Podcasts about laserpulsen

Heute Abend steht der Halbmond am Südwesthimmel. Er ist gut 400.000 Kilometer entfernt. Pro Jahr driftet er um etwa drei Zentimeter weiter hinaus ins All. Fachleute messen das mit Laserpulsen. Lorenzen, Dirk www.deutschlandfunk.de, Sternzeit

Ungenutzte Glasfaserkabel auf dem Meeresgrund eignen sich dazu, Walgesänge zu orten. Das zeigt ein Versuch der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegen. Auf dem Meeresgrund der Ozeane liegen etwa gartenschlauchdicke Glasfaserkabel, die unsere Telefon- und Internet-Kommunikation sichern. Diese Kabel zittern minimal, wenn Schallwellen von Walgesängen auf sie treffen. Dieses Zittern konnten die Forschenden nun mit von Laserpulsen messen und so erkennen, wo im Meer Wale unterwegs sind. Von Daily Good News.

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.

Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung. Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen. Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden. Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.

Eine zuverlässige, effiziente und kostengünstige Einzelphotonenquelle ist eine wichtige Komponente in vielen Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Einzelphotonenquellen wurden schon in Experimente der Quantenkryptographie eingesetzt und haben Vorteile gegenüber abgeschwächten Laserpulsen gezeigt. Eine Einzelphotonenquelle ist auch eine der notwendigen Voraussetzungen für einen optischen Quantencomputer nach Vorschlag von Knill, Laflamme und Milburn. Darüber hinaus sind einzelne Photonen der ideale Kandidat um das Grundprinzip der Quantenmechanik zu demonstrieren. Deshalb ist eine Einzelphotonenquelle auch wünschenswert für bildungszweck. Das in dieser Arbeit untersuchte Konzept für eine Einzelphotonenquelle basiert auf den Farbzentren im Diamant. Farbzentren sind eine attraktive Wahl für die praktischen Anwendungen wegen des relativ geringen experimentellen Aufwands. In dieser Arbeit wurde das SiV (silicon vacancy) Zentrum ausführlich untersucht, weil es mehrere vorteilhafte Eigenschaften hat, z.B. das schmales Spektrum und die kurze Lumineszenzlebensdauer. Die SiV-Zentren wurden durch Silizium-Ionenimplantation im IIa-Diamant erzeugt. Einzelne SiV-Zentren wurden durch ein konfokales Mikroskop optisch adressiert. Die Emission einzelner Photonen wurde durch die Messung der Intensitätskorrelationsfunktion nachgewiesen. Allerdings zeigt ein einzelnes SiV-Zentrum eine weiter niedrigere Photonenemissionsrate als erwartet. Es liegt auf einer Seite an einer schlechten Quantenausbeute wegen nicht-strahlender Übergänge. Andererseits existiert ein zusätzliches metastabiles Niveau im Energieschema des SiV-Zentrums. Das metastabile Niveau wurde als der positive Ladungszustand identifiziert. Durch Manipulation des Fermi-Niveaus im Diamant mit Stickstoff-Ionenimplantation kann die Population des positiven Ladungszustands eliminiert werden. Außer dem SiV-Zentrum wurden mehrere unbekannte einzelne Farbzentren gefunden und charakterisiert. Eine andere wichtige Angelegenheit ist das effiziente Aufsammeln der Fluoreszenz einzelner Quantenemitter. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden untersucht. Mit einer direkt auf Probe gesetzten Diamant Halbkugellinse wurde eine Erhöhung von der Aufsammeleffizienz um einen Faktor 5 erreicht. Wenn die Größe der Kristalle deutlich kleiner als die Wellenlänge der Fluoreszenz, tritt keine Brechung auf dem Übergang zwischen Diamant und Luft auf. Deswegen wurden einzelne SiV-Zentren in Diamantnanokristallen auch untersucht. Dabei wurde stärkere Fluoreszenzintensität observiert.

When free atoms interact with intense laser fields, there are three main processes of importance: high harmonic generation (HHG), above-threshold ionization (ATI) and non-sequential double ionization (NSDI). All three of these multi-photon processes are physically strongly related to each other, they all share a common behaviour of the electron dynamics: First, an electron is ionized, then it is accelerated in the external field, and when returning to the parent ion, it can exert its kinetic energy to initialize the processes mentioned above. The subject of this thesis is the investigation of ATI and NSDI of atoms and simple molecules. Aside from two different species of matter, there are also two different kinds of laser pulses available for comparison. The femtosecond lasers used here differ in their specifications: one of them delivers ”ordinary“ femtosecond pulses, consisting of many optical cycles of the underlying electric field (many-cycle pulses), while the other one delivers extremely short pulses, only consisting of very few optical cycles (few-cycle pulses). The latter case is the reason that a new physical quantity, the absolute phase or CEO-phase (Carrier-Envelope Offset), comes into play. This quantity is defined as the relative phase of the evelope of the pulse and the underlying field. The experiments of this thesis compare the behaviour of multi-photon effects under these different conditions. It can be shown, that not only qualitatively new effects appear depending on the absolute phase, but it is also possible to gain insight into inner-atomic processes with attosecond precision. Most of the observed processes can be explained by means of an intuitive, semi-classical model. Nevertheless, pure quantum-effects were also observed. One example is interference effects of ATI spectra with few-cycle pulses in analogy to the double-slit experiment of matter waves. As another example, the level-structure of the investigated atoms dominates the features of the energy distribution of the ATI-electrons. As a useful application of the discussed phase measurement, it was investigated how to apply the special features of ATI to implement a new stabilization scheme for the absolute phase of a few-cycle pulse laser system. In the frame of this work, the lasers used have been significantly improved. Those activities are also described in the thesis.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Analyse atomarer Prozesse in intensiven ultrakurzen Laserpulsen. Der Schwerpunkt liegt hierbei bei den Zwillingseffekten der Erzeugung hoher Harmonischer (``high-order harmonic generation'', HHG) und der Ionisation über Zustände im Kontinuum (``above-threshold ionization'', ATI). Besonders letzterer Effekt wird detailliert in Verbindung mit der Wechselwirkung mit Laserpulsen von nur wenigen Zyklen Länge untersucht. Während es heutzutage Routine ist solche Pulse von weniger als 5 fs zu erzeugen, war die vollständige Kontrolle über das zugrundeliegende elektrische Feld bisher noch nicht möglich. Dies wurde in dieser Arbeit durch die erste eindeutige Messung der den Laserpuls charakterisierenden ``absoluten Phase'' erreicht. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Messung erweist sich als hinreichend, um eine neue Methode der aktiven Phasenstabilisierung einzuführen, welche voraussichtlich eine tragende Rolle in zukünftigen phasenstabilisierten Lasersystemen spielen wird. Die beschriebenen Experimente widmen sich zudem auch allgemeinen optischen Effekten, wie beispielsweise der Gouy'schen Phasenanomalie in einem fokussierten Strahl, welche hier erstmals im optischen Bereich und über den gesamten Fokusbereich gemessen wurde. Schliesslich wird gezeigt, wie ATI in Verbindung mit Wenig-Zyklen-Laserpulsen nicht nur als leistungsfähiges Werkzeug zur Phasendiagnostik genutzt werden kann, sondern auch einen neuen Zugang zur Untersuchung der Wechselwirkung von Atomen und Licht mit bis dato unerreichter Zeitauflösung bietet.