Atome als Quantenmechnische Teilchen

Inhalt
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien,
2. Quantenradierer, Delayed Choice
3. Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1. Elektronen
2. Atome, Moleküle
4. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission
5. Beispiel H2
6. Quantenkryptographie
7. Lichtgitter
2.
Wechselwirkung mit Atomen
1. Photon-Atom Wechselwirkung
1. Einige Photonenquellen
2. Elastische Streuung
3. Photoeffekt im Überblick
4. Wirkungsquerschnitt als Funktion der Photonenergie
5. Zeitabhängigkeit des Photoeffektes
6. Elektronenergieverteilung
7. Elektronenwinkelverteilung
8. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen
9. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
2. Atome in starken Laserfeldern
1.
2.
3.
Erinnerung an Einstein
Woher kommen die Intensitäten
Eigenschaften und Größenordnungen
monochromatic light
1899 J.J. Thomson
1900 Elster & Gütel
1900 Lenard
ee- ee-
A
-
max. electron
energy independent
of intensity
I
high intensity
low intensity
- 0 +
Potential
Energy
0
“BIG Photon”
E>Ebind
24.6 eV
+ 54.4 eV
79 eV
Energy
0
“Small Photon”
1.5eV (800nm)
24.6 eV
+ 54.4 eV
79 eV
Energy
0
53 photons
@800 nm
24.6 eV
+ 54.4 eV
79 eV
Viele interessante Fragen:
• Extrem nichtlineare Prozesse
von Störungstheorie
• (Elektronische)Materie unter extremen Bedingungen
• Extrem kurz Zeiten “Attosekunden”
“Elektronenbewegung sichbar machen”
Ziel:
1015 W/cm2 ?????
Laser: 1 W, 800nm
Räumliche Kompression:
5 cm Brenweite: 5mm -> 5 um focus
Zeitliche Kompression:
1kHz, 220 fsec (10-15)
Faktor 106
Faktor 1010
100um
50 um
5um
Lichtgeschosse:
•3*3*3 m3
•30 ... 6 femto Sekunden
•Lichtgeschwindigkeit
•Leistungsdichte 1016W/cm2
•0.2 milli Joule
•1.25 106 GeV
•2*1015 Photonen (a 1.5 eV)
•Elektrische Felder > 1011 V/m
Photo: S.Voss
Inhalt
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien,
2. Quantenradierer, Delayed Choice
3. Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1. Elektronen
2. Atome, Moleküle
4. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission
5. Beispiel H2
6. Quantenkryptographie
7. Lichtgitter
2.
Wechselwirkung mit Atomen
1. Photon-Atom Wechselwirkung
1. Einige Photonenquellen
2. Elastische Streuung
3. Photoeffekt im Überblick
4. Wirkungsquerschnitt als Funktion der Photonenergie
5. Zeitabhängigkeit des Photoeffektes
6. Elektronenergieverteilung
7. Elektronenwinkelverteilung
8. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen
9. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
2. Atome in starken Laserfeldern
1.
Erinnerung an Einstein
2.
Woher kommen die Intensitäten
3.
Eigenschaften und Größenordnungen
Inhalt
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
2.
Wechselwirkung mit Atomen
1. Photon-Atom Wechselwirkung
1. Einige Photonenquellen
2. Elastische Streuung
3. Photoeffekt im Überblick
4. Wirkungsquerschnitt als Funktion der Photonenergie
5. Zeitabhängigkeit des Photoeffektes
6. Elektronenergieverteilung
7. Elektronenwinkelverteilung
8. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen
9. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
2. Atome in starken Laserfeldern
1.
Erinnerung an Einstein
2.
Woher kommen die Intensitäten
3.
Eigenschaften und Größenordnungen
4.
Beobachtungsgrössen RATE Sättigung
5.
Physikalische Bilder: Photonen versus Feld
6.
Quantenmechanische Rechnungen
7.
Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisat
8.
Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien
Volumen in dem
vollständig Ionisiert
wird wächst
Sättigung:
Wahrscheinlichkeit
1 im Fokus Zentrum
Walker et al.
PRL 73(1994)1227
Laser Intensity
Walker et al.
PRL 73(1994)1227
50 um
100um
5um
Inhalt
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
2.
Wechselwirkung mit Atomen
1. Photon-Atom Wechselwirkung
1. Einige Photonenquellen
2. Elastische Streuung
3. Photoeffekt im Überblick
4. Wirkungsquerschnitt als Funktion der Photonenergie
5. Zeitabhängigkeit des Photoeffektes
6. Elektronenergieverteilung
7. Elektronenwinkelverteilung
8. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen
9. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
2. Atome in starken Laserfeldern
1.
Erinnerung an Einstein
2.
Woher kommen die Intensitäten
3.
Eigenschaften und Größenordnungen
4.
Beobachtungsgrössen RATE Sättigung
5. Physikalische Bilder: Photonen versus Feld
6.
7.
8.
Quantenmechanische Rechnungen
Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisat
Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien
Quantenperspektive:
Multiphotonen Absorbtion
Semiklassiche Perspektive:
Tunnelionisation
Tunnel
Multiphoton
Tunneln
Typical ATI spectrum
Absorbed Photons
18
20
22
0.2
ħω
ATI peaks
0.1
ponderomotive
energy
16
0
Ionization
potential
Electrons/eV
E n  ( I p  U p )
14
0.3
ħω
P. H. Bucksbaum PRA 37 3615 (1988)
12
0
5
10
15
20
Energy (eV)
25
Helium I= 2.3 x 1014 W/cm2

=8
ps,
532 nm
30
•continuous E
•high L
Multi Photon (>16)
<1014W/cm2
Polarization
Quantenperspektive:
Multiphotonen Absorbtion
Semiklassiche Perspektive:
Tunnelionisation
<1
>1
<1014W/cm2
Polarization
Density plot of the electron monenta along
and perpendicular to the laser polarization
for different wavelengths
Energy Vs Angle
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Θ (deg)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
640nm
400nm
590nm
680nm
800nm
615nm
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
E (eV)
Argon
dip
400 nm
peak
Multiphoton
I = 1.7 x 1014 W/cm2
0.6
I = 3.9 x 1014 W/cm2
 ~ 1.76
 ~ 1.13
0
0
P|| (a.u.)
0.5
0.5
1
10
0
0.3
0.3
0.6
10 fs
-1
-0.5
0
0.5
P|| (a.u.)
1
-1
-0.5
0
P|| (a.u.)
0.5
1
Argon
dip
800 nm
Tunneling
peak
I = 1.8 x 1014 W/cm2
 ~ 0.85
0.3
0.6
 ~ 0.89
0
0
0.5
0.5
1
0
1 0
0.3
0.6
I = 1.65 x 1014 W/cm2
10 fs
-1
-0.5
0
P|| (a.u.)
0.5
1
-1
-0.5
0
P|| (a.u.)
0.5
1
Inhalt
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
2.
Wechselwirkung mit Atomen
1. Photon-Atom Wechselwirkung
1. Einige Photonenquellen
2. Elastische Streuung
3. Photoeffekt im Überblick
4. Wirkungsquerschnitt als Funktion der Photonenergie
5. Zeitabhängigkeit des Photoeffektes
6. Elektronenergieverteilung
7. Elektronenwinkelverteilung
8. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen
9. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
2. Atome in starken Laserfeldern
1.
Erinnerung an Einstein
2.
Woher kommen die Intensitäten
3.
Eigenschaften und Größenordnungen
4.
Beobachtungsgrössen RATE Sättigung
5.
Physikalische Bilder: Photonen versus Feld
6.
7.
8.
Quantenmechanische Rechnungen
Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisat
Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien
Zeitabhängige Schrödingergleichung:
V(x,t) = 1/x + E sin t
-Endliches Gitter (Rand, reflektionen, Zeit)
-3 dim
-Endliche Maschenweite (Impuls)