Attosekundenpulse
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Attosekundenpulse Vera Magdalena Gülpers Christoph Zimmermann 15. Dezember 2008 Viele Prozesse in der Physik laufen in sehr kurzen Zeiten ab, z.B. Zerfälle von angeregten Kernzuständen oder der Augereffekt. Um diese Prozesse zu untersuchen, muss die Zeitauslösung kürzer als das Zeitintervall eines solchen Prozesses sein. Daher ist man bestrebt, Laserpulse von immer kürzerer Zeitdauer zu erzeugen. ren wird. Dadurch wird Besetzungsinversion erzeugt. Zur Zeit ts wird die Schwelle stark verringert, während die Pumpleistung wieder heruntergefahren wird. Auf diese Weise können Laserpulse im ns-Bereich erzeugt werden. Laser Ein Laser ist aus drei Bestandteilen aufgebaut: Das Medium, in dem Elektronen in höhere Energiezustände angeregt werden, eine Energiepumpe, z.B. eine Blitzlampe oder ein weiterer Laser, und ein Resonator, durch den die Strahlung wieder zurück ins Medium gelenkt wird und somit weiter durch induzierte Emission verstärkt werden kann. Dabei ist es wichtig, dass Besetzungsinversion im Medium vorliegt, d.h. das obere Laserniveau muss stärker besetzt sein als das untere. Dies kann nicht durch ein Zweiniveau-System erreicht werden, man benötigt so genannte Hilfsniveaus. Abbildung 1: Prinzip der Güteschaltung Eine praktische Umsetztung kann z.B. dadurch erreicht werden, dass ein Spiegel des Resonators ein Drehspiegel ist. Sobald der Spiegel in der richtigen Position steht, können Laseroszillationen stattfinden. Modenkopplung Die Schwellwertbedingung Laseroszillationen können nur dann auftreten, wenn die Verstärkung der Lichtwelle im Medium größer ist als die Verluste. Verluste treten insbesondere durch Absorption oder Streuung im Medium auf, desweiteren muss auch der im Laser ausgekoppelte Teil berücksichtigt werden. Daher muss die Intensität I(ν, 2d) der Lichtwelle nach einem Umlauf im Resonator (Strecke 2d) größer sein als die Intensität I(ν, 0): I(ν, 2d) = e−(2αL+γ) > 1 I(ν, 0) Bei der Modenkopplung wird die Amplitude der Laserwelle periodisch mit der Frequenz f moduliert. Dabei können Seitenbänder der Laserfrequenz ν mit ν ± f angeregt werden. Falls gilt, dass f = c/2d mit der Länge 2d des Resonators, so können auch diese Frequenzen im Medium verstärk werden und ihrerseits Seitenbänder anregen. Auf diese Weise erhält man mehrere in Phase schwingende Eigenschwingungen. Diese überlagern sich zu Laserpulsen. Die Länge ∆T des Pulses hängt dabei von der Anzahl N der angeregten Moden und damit von der Frequenzbanbbreite δν des Mediums ab: 1 Die Verstärkung e−2αL folgt dabei aus dem Lambertmit δν = N · f ∆T = δν Beer’schen Gesetzt mit einem Absorptionskoeffizienten α < 0. 2L ist dabei die Strecke, die im Medium durch- Hierbei können Pulslängen von bis zu 5 fs erzeugt werlaufen wird. Der Koeffizient γ beschreibt alle Verluste, den. die im Laser auftreten. Erzeugung von Attosekundenpulsen Erzeugung kurzer Pulse Um Attosekundenpulse zu erzeugen werden Femtosekundenpulse mit Frequenzen im sichtbaren roten BeGüteschaltung reich (entspricht etwa T0 = 2500 as) mit SpitzenleisBei der Güteschaltung wird die Laserschwelle konstant tungen von GW bis TW in einen Gasjet (Edelgase) hoch gehalten, während die Pumpleistung hochgefah- geleitet. Trifft nun ein Puls auf ein Atom des Gasjets, so wird ein Elektron durch das Lichtfeld vom Atom wegbeschleungigt. Dabei kann das Elektron Geschwindigkeiten bis 10000 km/s erreichen. Experimente mit Attosekundenpulsen Attosekundenpulse eignen sich, wie anfangs bereits erwähnt, hervorragend zur Auflösung von Prozessen auf eben diesen Zeitskalen. Eine wichtige Frage in Zusammenhang mit Attosekundenpulsen war, ob diese zeitlich kohärent sind. Weiterhin wird kurz ein Experiment angesprochen, das am MPI für Quantenoptik in Garching durchgeführt wurde, und das sich der Frage nach der zeitlichen Dynamik des Augereffektes widmet. Zeitliche Kohärenz von Attosekundenpulsen Zeitliche Kohärenz bedeutet kurz gesagt, dass man aus einem Lichtstrahl zwei zu beliebigen Zeitpunkten ausgestrahlte Wellenzüge herausnehmen kann und dieAbbildung 2: Das Elektron nach 1/4 T0 des Femtosekundenpulses se ein stabiles Interfernzmuster zeigen. Dies bedeutet, dass keine Phasensprünge in der Zeit auftreten. Befindet sich das Elektron im Maximum des Pulses Ein auf der Hand liegendes Experiment zum Nach(1/2 T0 des Femtosekundenpulses), so kann es einige nm weis zeitlicher Kohärenz ist die Untersuchung mit dem vom Atom weggezogen sein. Anschließen wird das Elek- Michelson-Interferometer. Dabei wird ein Lichtstrahl tron stark zum Atom hin beschleunigt mit dem es bei in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die eine unterschiedlich 3/4 T des Femtosekundenpulses stößt. Dabei wird in lange Wegstrecke zurücklegen müssen, bevor sie wie0 sehr kurzer Zeit sehr viel Energie frei, die in Form ei- der zur Deckung gebracht werden und die entstehende nes Attosekundenpulses abgeben wird. Interferenz beobachtet wird. Bei der Untersuchung von Attosekundenpulsen ergibt sich allerdings das Problem, dass die Strahlung zu kurzwellig ist, um übliche optische Bauteile verwenden zu können. Hier griff die Gruppe um Bellini und Hänsch zu folgendem Trick: Die entstehenden Attosekundenpulse haben Vielfache der Frequenz der erzeugenden Strahlung. Für diese Strahlung lassen sich jedoch Michelson-Interferometer aufbauen. Warum also nicht diese Strahlung durch ein Michelson-Interferometer schicken und erst in einem nächsten Schritt daraus Attosekundenpulse erzeugen? Um diesen Weg zu beschreiten, musste zuerst in anAbbildung 3: Nach 3/4 T0 stößt das Elektron mit dem Atom deren Experiment gezeigt werden, dass die Attosekundenpulse kohärent zu der Grundschwingung sind - was Dies passiert gleichzeitig bei mehreren Millionen Ato- nachgewiesen werden konnte. men. Diese zueinander kohärenten Attosekundenpulse überlagern sich zu einem starken Puls. Die Kohärenz der einzelnen Pulse resultiert dabei aus der Sychronität mit dem (ebenfalls kohärenten) eingestrahlten Femtosekundenpuls. Die Frequenz ωn des erzeugten Attosekundenpulses ist dabei eine hohe Harmonische der Frequenz ω des Femtosekundenpulses. ωn = n · ω mit n bis ca. 350 Abbildung 4: Die Idee von Bellini/Hänsch: Der erDamit liegt die Frequenz des Attosekundenpulses im zeugende Strahl durchläuft das InterRöntgenbereich. ferometer, die Attosekundepulse werDer bisher kürzeste erzeugte Puls beträgt 80 as und den erst danach erzeugt. wurde von Ferenc Krausz am MPI für Quantenoptik in Garching im Jahr 2008 erzeugt. Der Aufbau des Experimentes geschah schrittweise. Zuerst beschränkte man sich auf Luft, in der die Attosekundenpulse erzeugt wurden, um überhaupt die prinzipielle Machbarkeit dieser Vorgehensweise unter Be- weis zu stellen. In Luft bildet sich nämlich nur die dritte Harmonische, sodass ein Monochromator überflüssig wurde. Nachdem dies gelang, wurde in einem weiteren Schritt ein Gasjet in einer Vakuumkammer mit UVMonochromator und Mikrokanalplatte (ein aus sehr vielen minituarisierten Photomultipliern zusammengesetzter Bildsensor) die Interferenz genauer untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass sich zwei Bereiche herausbilden, ein Kernbereich, in dem die zeitliche Kohärenz größer war als im umliegenden Außenbereich. Dies konnte auf zwei leicht unterschiedliche Mechanismen der Erzeugung von Attosekundenpulsen zurückgeführt werden. Feld des Sondenpulses zurückschließen. Da die Phasenbezieung Sondenpuls - erzeugender Puls nicht konstant gehalten wurde, erkennt man im Spektrum nur eine Verschmierung der Linie (linkes Band). Bei langsamer Emission hingegen spielen quantenmechanische Effekte eine große Rolle, sodass eine anschauliche Interpretation der gemessenen Energieverteilung erschwert wird. Im Spektrum erkennt man eine Verschiebung aus dem rechten Hauptband in ein Nebenband (rot markiert). Der Versuch basiert auf der Tatsache, dass die Elektronen nur beeinflusst werden können, wenn sie sich noch auf dem Weg zum Detektor befinden. Wird der Sondenpuls erst lange nach beendeter Umordnung der Schalenstruktur eingesandt, wird er keine Elektronen mehr auf dem Weg zum Detektor beeinflussen können Augereffekt — wird er während des Umbauprozesses eingestrahlt, Eine Anwendung von Attosekundenpulsen ist zeitauf- so ist die Wahrscheinlichkeit größer. Durch Wiedergelöste Spektroskopie, hier am Beispiel des Auger- holung des Experimentes mit vielen Atomen und unEffektes dargestellt. terschiedlich gewählten Abständen zwischen dem EinKurz gesagt werden beim Augereffekt zuerst kernna- strahlen des ersten Pulses und des Probenpulses kann he Elektronen ausgeschlagen. Das Nachrücken weiter so ein Spektrum gemessen werden, aus dem man die außen liegender Elektronen, welches normalerweise zur Lebensdauer der Löcher in der Elektronenhülle bestimAussendung charakteristische Röntgenstrahlung führt, men kann. kann jedoch auch zum Ausschlagen äußerer Elektronen führen. Dieses Phänomen wird als Augereffekt, oder auch anschaulich als innerer Photoeffekt bezeichnet. Experimentell hat man folglich zwei Quellen von Elektronen: Die kernnahen Elektronen, die mit dem ersten Puls ausgeschlagen werden, und weiterhin die Elektronen, die durch den Augereffekt bei der folgenden Neuformierung der Elektronenhülle entstehen. Beide Sorten zeigen also ein sehr unterschiedliches zeitliches Verhalten. Abbildung 6: Das gemessene Spektrum: Quer aufgetragen ist die gemessene Energie, längs die Verzögerung zwischen den Pulsen Quellen W. Demtröder: Laserspektroskopie, 5. Auflage, Springer W. Demtröder: Experimentalphysik 3, 3. Auflage, Springer Abbildung 5: Grundlegende Konzepte und Versuchsaufbau Nach dem ersten Puls, durch den der Auger-Prozess erst in Gang gesetzt wird, wird mit einer einstellbaren Verzögerung ein weiterer Impuls niedrigerer Photonenenergie, der Sondenpuls, eingestrahlt. Dessen elektrisches Feld beschleunigt, bzw. verzögert die Elektronen, die sich schon vom Atom gelöst haben und auf dem Weg in den Detektor sind. Ist die Emission der Elektronen schnell genug, so lässt sich auch anschaulich direkt auf das zu diesem Zeipunkt geherrschte elektrische M. Bellini, A. Bartoli, T.W. Hänsch: Two-photon Fourier spectroscopy with femtosecond light pulses, Optics Letters 22 (8), 540 (1997) M. Bellini, T.W. Hänsch: Measurement of the temporal coherence of ultrashort harmonic pulses: towards coherent spectroscopy in the extreme ultraviolett, Applied Physics B 56, 677 (1997) M. Bellini et al.: Temporal coherence of ultrashort high-order harmonic pulses, Physical Review Letters 81 (2), 297 (1998) M. Drescher et al.: Time-resolved atomic inner-shell spectroscopy, Nature 419, 803 (2002) http://www.mpq.mpg.de (MPI für Quantenoptik) http://www.attoworld.de (Homepage von F. Krausz)
