Elektronen-Spektroskopie bei intensivem Laserlicht

Forschungsprojekt P 14447Elektron-Spektroskopie bei intensivem Laserlicht Matthias LEZIUS09.10.2000 Die Entwicklung von Lasern, die Lichtpulse für die Dauer von weniger als 10 Femtosekunden liefern können, hat ein Forschungsgebiet erschlossen, das für viele Anwendungen interessant ist. Die Pulse sind so kurz, daß sie nur aus einigen optischen Zyklen bestehen. Die gesamte Energie des Laserstrahls ist in diesem Zeitfenster konzentriert. Solche extrem hohen Lichtintensitäten entsprechen Millionen mal Millionen Volt pro cm. In dieser sogenannten Physik starker Felder verhält sich die Natur anderes als wir gewohnt sind, weil die elektrischen Felder stärker werden als die Kräfte, die die Materie zusammenhalten. Elektronen verlassen die Atome und werden durch das Lichtfeld zu hohen Geschwindigkeiten beschleunigt. Man bezeichnet diese Art der Ionisation in starken Feldern auch als schwellwertüberschreitende Ionisation. Weil das elektrische Feld seine Richtung in jeder halben optischen Periode ändert, stoßen die Elektronen manchmal auch wieder mit ihrem Ursprungsatom zusammen und erzeugen dabei Röntgenstrahlen. Dieser Effekt wird Erzeugung hoher harmonischer Strahlung genannt und ist technologisch besonders interessant, denn auf diese Weise kann man bequem kohärente Röntgenstrahlen produzieren. Für künftige Anwendungen ist es besonders wichtig, dabei Photoenergien über einigen 100eV zu erreichen. Daß dies möglich ist, wurde bereits an der Technischen Universität Wien gezeigt. Es steht aber noch aus, die Effizienz für solche Prozesse zu optimieren, und dazu müssen wir das Verhalten der Elektronen in solch starken Feldern im Detail verstehen. Im Rahmen unserer Experimente möchten wir ein möglichst genaues und vollständiges Bild, das die zugrundeliegende Physik aufdeckt, erhalten. Wir planen die exakte Messung der auftretenden Elektronenenergien in Abhängigkeit von Lichtintensität, Wellenlänge, Polarisation, und Dauer des Laserpulses bei verschiedenen Atomen und Molekülen. Besonders wichtig ist uns in diesem Zusammenhang die Aufklärung einiger derzeit nur teilweise verstandenen Multielektronen-Effekte. Ein spezielles Photoelektronenspektrometer wird für diese Messungen an der Universität Innsbruck aufgebaut werden. Damit sollen Elektronenenergien bis hinauf zu 1000 eV mit einer Genauigkeit besser als 0,01 % erfasst werden. Die Messungen werden in internationalen Laserlabors stattfinden, die sich in Wien, Ottawa (Canada) und Saclay (Frankreich) befinden. Wir planen dabei von Anfang an unsere Ergebnisse in enger Diskussion mit mehreren theoretischen Physikern auszuwerten. Die aktuellen theoretischen Modelle bezüglich der Ionisationseffekte in starken Feldern sollen geprüft und gegebenenfalls verbessert werden.

Neueste Entwicklungen in der Lasertechnologie haben uns Zugang zu Lichtpulsen mit einer Dauer kürzer als 5 fs (1 fs = 10-15 s) verschafft. Solche Pulse bestehen nur aus wenigen optischen Zyklen. Wenn nun die Energie des Laserlichts in ein so kurzes Zeitfenster hineingequetscht wird, dann bekommt man extrem hohe elektrische Felder mit mehreren Millionen Volt/cm. Atome und Moleküle in solchen elektrischen Feldern werden instantan ionisiert, und es werden dabei freie Elektronen erzeugt. Das oszillierende Feld beschleunigt nun diese Elektronen zu hohen kinetischen Energien. Indem präzise Kontrolle über die Laser-Lichtwelle ausgeübt wird, kann man die Bewegung der Elektronen genau kontrollieren. Wenn man darüber hinaus die Phase zwischen dem elektromagnetischen Feld und der Einhüllenden des Laserpulses kontrolliert, so erreicht die zeitliche Präzision der Elektronenbewegung sogar Attosekunden (1 as = 10-18 s). Diese neue Art der Phasenkontrolle wurde erst vor kurzem entdeckt, und es ist damit jetzt möglich, Attosekundenpulse von Elektronen, sowie attosekunden ultraviolette und Röntgenpulse zu erzeugen. Dies hat ein ganz neues Forschungsfeld eröffnet, in dem eine genaue zeitliche Messung der Bewegung von Elektronen in Atomen oder Molekülen machbar erscheint. Die Ergebnisse des gegenwärtigen Projekts haben sehr viel zu dieser Art Forschung beigetragen. Bei der Anwendung von Photoelektronenspektroskopie in ultrakurzen intensiven Feldern wurde entdeckt, dass die Elektronen den Fokus in Abhängigkeit von der Phase zwischen der Trägerwelle und der Einhülllenden in verschiedene Richtungen und mit verschiedenen Energien verlassen. Dies kann vorteilhafterweise benutzt werden um diese Phase des Laserpulses zu bestimmen oder sie sogar zu stabilisieren. Die Messung der Phase zwischen Trägerwelle des Lichts und der Einhüllenden des Laserpulses war eines der wichtigsten Ziele in der Femtosekundenforschung der letzen Jahre. Diese neue Technologie öffnet die Tür zur sogenannten Attosekundenphysik. Mithilfe genauer Kontrolle beziehungsweise mit einer Präzisionsmessung der Laserphase ist es nun möglich, in den wissenschaftlichen Labors Präzisions-Stopuhren zu installieren, mit denen man die Zeit mit einer Genauigkeit von 10-17 Sekunden messen kann.