Electron Wave Packet Dynamics on the Attosecond Time Scale
(2012)- Abstract
- One objective of attosecond science is to study electron dynamics
in atoms and molecular systems on their natural time scale. This
can be done using attosecond light pulses. Attosecond pulses are
produced in a process called high-order harmonic generation, in
which a short, intense laser pulse interacts with atoms or molecules
in a highly nonlinear process, leading to the generation of high-order
frequencies of the fundamental laser with a large spectral
bandwidth, supporting pulses with attosecond duration. In some
condition the harmonics are locked in phase leading to a train of
attosecond pulses or, in some cases, to a single attosecond pulse.
This... (More) - One objective of attosecond science is to study electron dynamics
in atoms and molecular systems on their natural time scale. This
can be done using attosecond light pulses. Attosecond pulses are
produced in a process called high-order harmonic generation, in
which a short, intense laser pulse interacts with atoms or molecules
in a highly nonlinear process, leading to the generation of high-order
frequencies of the fundamental laser with a large spectral
bandwidth, supporting pulses with attosecond duration. In some
condition the harmonics are locked in phase leading to a train of
attosecond pulses or, in some cases, to a single attosecond pulse.
This thesis presents experiments based on interferometry to study
electron dynamics using attosecond pulses.
The first part describes a series of experiments, in which the
dynamics of electrons was studied after photoionization with an
attosecond pulse train. The time resolution in these experiments
was achieved by measuring the accumulated phase of the free
electron wave packet after photoemission using an interferometric
technique. The phase carries temporal information about the
ionization process, from which the delay in photoemission can be
determined with a much better time resolution than that given by
the temporal structure of the pulse train. The same technique was
applied to investigate the phase behavior of resonant two-photon
ionization in helium atoms.
The second part describes the application of an interferometric
pump-probe technique to characterize bound electron wave packets.
Single attosecond pulses are used to excite a broad electron
wave packet containing bound and continuum states. The bound
part of the wave packet is further ionized by an infrared laser with
a variable delay. Analysis of the resulting interferogram allows for
full reconstruction of the bound wave packet, since both the amplitude
and the phase of all ingoing states in the wave packet are
encoded in the interference pattern. (Less) - Abstract (Swedish)
- Popular Abstract in Swedish
”Har en galopperande häst vid något tillfälle alla hovarna i luften samtidigt?” Den här till synes enkla frågan är inte helt enkel att svara på eftersom det inte går att avgöra med blotta ögat om så är fallet. För att avgöra om hovarna verkligen är i luften på samma gång behöver vi andra redskap med bättre tidsupplösning än våra ögon. Första gången någon lyckades göra en sådan mätning var 1878 då Eadweard Muybridge med hjälp av en nyutvecklad kamera kunde ta en serie bilder av en galopperande häst. Den bildsekvensen visade med all tydlighet att alla hovarna vid vissa tillfällen verkligen är i luften samtidigt. Att experimentet lyckades berodde framförallt på den förbättrade bildkvaliteten som... (More) - Popular Abstract in Swedish
”Har en galopperande häst vid något tillfälle alla hovarna i luften samtidigt?” Den här till synes enkla frågan är inte helt enkel att svara på eftersom det inte går att avgöra med blotta ögat om så är fallet. För att avgöra om hovarna verkligen är i luften på samma gång behöver vi andra redskap med bättre tidsupplösning än våra ögon. Första gången någon lyckades göra en sådan mätning var 1878 då Eadweard Muybridge med hjälp av en nyutvecklad kamera kunde ta en serie bilder av en galopperande häst. Den bildsekvensen visade med all tydlighet att alla hovarna vid vissa tillfällen verkligen är i luften samtidigt. Att experimentet lyckades berodde framförallt på den förbättrade bildkvaliteten som Muybridge lyckades uppnå. Om man vill ta skarpa bilder av ett föremål i rörelse måste kamerans slutartid vara tillräckligt kort och Muybridge kamera hade en slutartid på 1 ms (1 ms = 10-3 s) vilket i slutet av 1800-talet betraktades som ultrasnabbt. För att avbilda ännu snabbare förlopp behövs ännu kortare slutartider, men tillslut begränsas slutartiden av vad som är mekaniskt möjligt att åstadkomma. En alternativ metod är att låta slutaren vara öppen hela tiden och istället belysa föremålet som ska avbildas med en kort ljusblixt.
En galopperande häst rör sig väldigt långsamt jämfört med mikroskopiska objekt och att avbilda föremål i mikrokosmos är därför ännu mer utmanande. Vattenmolekyler rör sig till exempel genom en lösning på en pikosekundstidsskala (1 ps = 10-12 s) medan atomer rör sig ännu fortare och måste avbildas på en femtosekundstidsskala (1 fs = 10-15 s). I allmänhet rör sig föremål fortare ju lättare de är. En elektron som är 2000 gånger lättare än den lättaste atomen rör sig därför mycket fortare. För en elektron i en väteatom tar det till exempel bara 150 as (1 as = 10-18 s) att ta sig ett varv runt kärnan.
2001 lyckades två oberoende grupper för första gången att skapa och mäta attosekundspulser. Det öppnade helt nya möjligheter att studera elektronrörelser i realtid och ett nytt forskningsområde som kallas attofysik såg dagens ljus. Teknikerna som används påminner i mycket om Muybridges ursprungliga experiment, men inte med mekaniska slutare. Elektroner studeras med något som kallas pump-prob teknik där elektronrörelsen startas av pumpen, en kort attosekundspuls, och senare fångas av en andra ljuspuls (proben). Tiden mellan de två pulserna måste kontrolleras och varieras med extremt hög noggrannhet. Att ta en serie bilder för olika tidsintervaller mellan de två ljuspulserna gör det möjligt att följa elektronernas rörelser på ungefär samma sätt som Muybridge studerade hästen.
I den här avhandlingen presenteras flera olika studier av elektrondynamik. Antingen förblir elektronen bunden i atomen efter att den har växelverkat med pumppulsen, eller så tvingas den lämna atomen via fotojonisation. Den fotoelektriska effekten som fram tills nyligen antogs ske momentant tar faktiskt en liten stund. Efter det att ljuspulsen träffar atomen, tills det att elektronen lossnar hinner en kort tid passera, det är en kort tid, men den är inte försumbar. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/2541862
- author
- Klünder, Kathrin LU
- supervisor
- opponent
-
- Prof. Drescher, Markus, Universität Hamburg, Germany
- organization
- publishing date
- 2012
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- Photoionization, Single attosecond pulses, Attosecond pulse trains, Electron wave packet, Electron dynamics, Interferometry, Photoemission time delay, Fysicumarkivet A:2012:Klünder, Stark spectroscopy
- pages
- 161 pages
- defense location
- Lecture hall B, Fysicum, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
- defense date
- 2012-06-14 13:15:00
- external identifiers
-
- other:LRAP-457
- ISBN
- 978-91-7473-334-1
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- 1b9992c7-5cdd-4f59-80a7-28c38e4629de (old id 2541862)
- date added to LUP
- 2016-04-04 09:32:43
- date last changed
- 2018-11-21 20:53:52
@phdthesis{1b9992c7-5cdd-4f59-80a7-28c38e4629de, abstract = {{One objective of attosecond science is to study electron dynamics<br/><br> in atoms and molecular systems on their natural time scale. This<br/><br> can be done using attosecond light pulses. Attosecond pulses are<br/><br> produced in a process called high-order harmonic generation, in<br/><br> which a short, intense laser pulse interacts with atoms or molecules<br/><br> in a highly nonlinear process, leading to the generation of high-order<br/><br> frequencies of the fundamental laser with a large spectral<br/><br> bandwidth, supporting pulses with attosecond duration. In some<br/><br> condition the harmonics are locked in phase leading to a train of<br/><br> attosecond pulses or, in some cases, to a single attosecond pulse.<br/><br> This thesis presents experiments based on interferometry to study<br/><br> electron dynamics using attosecond pulses.<br/><br> The first part describes a series of experiments, in which the<br/><br> dynamics of electrons was studied after photoionization with an<br/><br> attosecond pulse train. The time resolution in these experiments<br/><br> was achieved by measuring the accumulated phase of the free<br/><br> electron wave packet after photoemission using an interferometric<br/><br> technique. The phase carries temporal information about the<br/><br> ionization process, from which the delay in photoemission can be<br/><br> determined with a much better time resolution than that given by<br/><br> the temporal structure of the pulse train. The same technique was<br/><br> applied to investigate the phase behavior of resonant two-photon<br/><br> ionization in helium atoms.<br/><br> The second part describes the application of an interferometric<br/><br> pump-probe technique to characterize bound electron wave packets.<br/><br> Single attosecond pulses are used to excite a broad electron<br/><br> wave packet containing bound and continuum states. The bound<br/><br> part of the wave packet is further ionized by an infrared laser with<br/><br> a variable delay. Analysis of the resulting interferogram allows for<br/><br> full reconstruction of the bound wave packet, since both the amplitude<br/><br> and the phase of all ingoing states in the wave packet are<br/><br> encoded in the interference pattern.}}, author = {{Klünder, Kathrin}}, isbn = {{978-91-7473-334-1}}, keywords = {{Photoionization; Single attosecond pulses; Attosecond pulse trains; Electron wave packet; Electron dynamics; Interferometry; Photoemission time delay; Fysicumarkivet A:2012:Klünder; Stark spectroscopy}}, language = {{eng}}, school = {{Lund University}}, title = {{Electron Wave Packet Dynamics on the Attosecond Time Scale}}, url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/5352842/2541868.pdf}}, year = {{2012}}, }