x(t) - Physik eLearning

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)
1 dim -> numerisch leicht zu loesen, große Gitter, 1/r smoothen
Atomic Units
Solution of the time dependent
Schrödinger Equation
2.0*1014W/cm2
800nm
Daniel Dundas,
Jonathan Parker
Laura Moore
Ken Taylor
Queens University
Belfast
Low fequency (800nm, 1.5eV):
Tunneling
Dundas,
Taylor
priv.comm.
Single ionization
at maximum field
High fequency (190nm, 6.3eV):
Multiphoton (4 Photons)
Single ionization
continues
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice
1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1.2.1. Elektronen
1.2.2. Atome, Moleküle
1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission
1.4. Beispiel H2
1.5. Lichtgitter
1.6. Atomspiegel
2. Wechselwirkung mit Atomen
2.1. Photon-Atom Wechselwirkung
2.1.1. Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt,
2.1.2. Winkel- und Energieverteilungen
2.1.3. Doppelanregung, Interferenzeffekte
2.1.4. Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen
2.1.5. Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
2.2. Atome in starken Laserfeldern
2.2.1. Erinnerung an Einstein
2.2.2. Woher kommen die Intensitäten
2.2.3. Eigenschaften und Größenordnungen
2.2.4. Beobachtungsgrössen RATE Sättigung
2.2.5. Physikalische Bilder: Photonen versus Feld
2.2.6. Quantenmechanische Rechnungen
2.2.7. Der Rückstreumechanismus: Höhere
Harmonische, hochenergetische Elektronen,
Doppelionisation
2.2.8.
2.2.9.
Zeitmessung
Attosekundenpulse
Tunnel
Tunnel
Nucleus
Single Ionization: Motion in the Field
E(t)
q
T   / c  2.7 fs
I  1015W / cm 2
time
x(t)
q2 I
 50eV
Ponderomotive Potential U p 
2
4

C: Joachim Ullrich
Single Ionization: Motion in the Field
T   / c  2.7 fs
E(t)
I  1015W / cm 2
q
t0
time
x(t)
Pdrift ( t0 )
max
C: Joachim Ullrich recollision
E
 3.17U p  150eV
E(t)
q
time
x(t)
max
Pdrift
 2 Up

C: Joachim Ullrich
  10 for prec  0.1 a.u.
E(t)
q
time
x(t)
max
Pdrift
 2 Up

C: Joachim Ullrich
Mit welcher Energie kommen die Elektronen “zurück”?
Rückstreuprozess:
Was geschieht wenn das Elektronen Wellenpaket
Wieder auf sein “Mutterions” stößt
Erzeugung höherer harmonischer Photonen
1 dim -> numerisch leicht zu loesen, große Gitter, 1/r smoothen
High harmonic generation
Experimental Setup
Kansas
Light
Source
MCP &
Phosphor
4 mJ, 25fs
0.8 mm

2

4
Gas nozzle
CCD
Grating
Filter
I~1014 W/cm2
HHG Spectrum
HHG Spectrum
High harmonic generation
Effect of ellipticity on atoms
•Laser is linearly polarized
0
HHG Intensity (Arb. u.)
10
-1
10
-2
10
-3
Harmonic order(q)=21
10
HHG emission
•Laser is circularly polarized
-4
10
-5
10
-6
10
y
-0.9
x
No HHG emission
-0.6
-0.3
0.0
E Ellipticity
x
0.3
0.6
ATI Elektronenspektrum
2 Up
10 Up
10U_p
e- momentum
e- momentum
He1+ + eHe2+ + 2 eIon momentum
Independent
electron model
(TS2)
Many orders of
magnitude due
to
e-e correlation
Walker et al.
PRL 73(1994)1227
Laser Intensity
Doppelionisation
Ar2+ Rate
Ellipticity
linear
circular
P. Dietrich et al PRA 50(1994)R3585
Solution of the
time dependent
Schrödinger equation
for Helium
single ionization
single ionization
Radius of electron 2
6.5*1014W/cm2
390nm
Radius of electron 1 (a.u.
sequential
double ionization
Daniel Dundas
Jonathan Parker
Lauro Moore
Ken Taylor
Queens University, Belfast
sequential
double ionization
2.2. Atome in Starken Feldern
2.2.1. Erinnerung Einstein
2.2.2. Woher kommen die Intensitäten?
2.2.3. Eigenschaften/Größenordnung
2.2.4. Beobachtungungsgröße Rate /Sättigung
2.2.5. Physikalische Bilder
2.2.6. Quantemechanische Rechnung
2.2.7. Der Rückstreuprozess
Plateau
Höhere Harmonische
Doppelionisation
2.2.7. Idee der Zeitmessung
2.2.8. Attosekundenpulse
2.2.9. Zeitaufgelöste Doppelionisation
E field
Tunnel
Momentum Zero
= Ionization at
Field Maximum
ion momentum
in field direction
0
Linear Polarization
Polarization
Circular Polarization
Linear Polarization
Circular Polarization
Lineares Licht:
Feld: sin ( t)
V1 » cos(  t)
Polarization
sin( t)
Zirkulares Licht:cos( t)
Feld: ex sin ( t) + ey cos( t)
V= ?
Wie sieht das aus?
E field
ion momentum
in field direction
0
Uhrwerk
1 Umlauf:
Ablesegenauigkeit:
Zeiger
2.5 10-15 Sekunden
1/200
Linear Polarization
Polarization
2,5 Femtosekunden
Circular Polarization
Coulomb Asymmetry: CTMC Simulation
Olson and Salop,
PRA 16, (1977) 531
Andre Staudte
Carrier Envelope Offset Phase
CEO effect
Shifting the CEO phase rotates the peak intensity in the polarization plane [1,2]
NO change in temporal field
evolution
[1] Paulus et al., Nature 414, 182 (2001)
[2] Milošević et al., Las.Phys.13,7 (2003)
CEO effect
Shifting the CEO phase rotates the peak intensity in the polarization plane [1,2]
NO change in temporal field
evolution
[1] Paulus et al., Nature 414, 182 (2001)
[2] Milošević et al., Las.Phys.13,7 (2003)
CEO effect
Shifting the CEO phase rotates the peak intensity in the polarization plane [1,2]
NO change in temporal field
evolution
[1] Paulus et al., Nature 414, 182 (2001)
[2] Milošević et al., Las.Phys.13,7 (2003)
CEO effect
Shifting the CEO phase rotates the peak intensity in the polarization plane [1,2]
NO change in temporal field
evolution
[1] Paulus et al., Nature 414, 182 (2001)
[2] Milošević et al., Las.Phys.13,7 (2003)
Simulation
• Propagation of the SPIDER measured pulse through
the /4 plate
• Distribution of initial momenta according to ADK-
Theory [1]
•
•
Classical trajectories under the influence of the pulse field
Weighting of trajectories with ADK-rate at ionization time [2]
[1] Delone, Krainov, J. Opt. Soc. Am B 8 1207 (1991)
[2] Delone, Krainov, Physics Uspekhi 41 469 (1998)
Simulation Results
CEO shift by /2
E-field envelope
Shifting the CEO phase
rotates the peak
intensity in the
polarization plane
Peak intensity the same
Momentum distribution
in polarization plane
Jens Biegert,
Petrissa Eckles,
Matthias Smolarski
Andre Staudte
Results
Repeats after 2
-/2
/2
-/2
/2
/2
/2
2.2. Atome in Starken Feldern
2.2.1. Erinnerung Einstein
2.2.2. Woher kommen die Intensitäten?
2.2.3. Eigenschaften/Größenordnung
2.2.4. Beobachtungungsgröße Rate /Sättigung
2.2.5. Physikalische Bilder
2.2.6. Quantemechanische Rechnung
2.2.7. Der Rückstreuprozess
Plateau
Höhere Harmonische
Doppelionisation
2.2.7. Idee der Zeitmessung
2.2.6. Zeitaufgelöste Doppelionisation
2.2.8. Attosekundenpulse
e- momentum
e- momentum
He1+ + eHe2+ + 2 eIon momentum
Independent
electron model
(TS2)
Many orders of
magnitude due
to
e-e correlation
Walker et al.
PRL 73(1994)1227
Laser Intensity
single
ionization
double ionization
no e-e coupling
Random times
?really?? -> Tunneling
e-e correlation
Mechanism
Tunneling
@ max field
Instantanious: 1st,2nd eshake off, TS1
„fixed time delay“
rescattering
single
ionization
double
ionization
6.6 1014 W/cm2
Mechanism
Tunneling
@ max field
Weber et al PRL 84,439(2000)
single ionization
E field
0
ion momentum
in field direction
Momentum Zero
= Ionization at
Field Maximum
Double Ionization
rescattering
single
ionization
double ionization
no e-e coupling
Random times
?really?? -> Tunneling
e-e correlation
Mechanism
Tunneling
@ max field
Instantanious: 1st,2nd eshake off, TS1
„fixed time delay“
rescattering
A. Becker, F. Faisal, PRL 84, 3546 (2000)
S-Matrix, time independent
Volkov states
electron correlation
(rescattering & TS1)
Volkov state
coupling to laser field
He ground state
Kopold et al PRL 85, 3781(2000): R Matrix
Sacha et al PRA 63, 043414 (2001): Wannier
Lein et al: PRL 85, 4707 (2000): 1-Dim
Fu et al: PRA 63 011404R (2000): CTMC