Attosecond Optical and Electronic Wave Packets

Abstract

When a low-frequency laser pulse is focused to a high intensity in a gas, the electric field of the laser may become comparable to, or even exceed, the electric field between the electrons and the nucleus in the atom. Under such conditions, through a process known as high-order harmonic generation, bursts of extreme ultraviolet radiation may be emitted, with durations in the attosecond domain (1 as = 10^{-18} s), which is the time-scale of electronic processes. In the work presented in this thesis, attosecond pulse trains (APTs) have been generated in the laboratory. These APTs have further been characterized and finally used in a number of applications.



The first series of experiments was focused on the generation, control and characterization of high-order harmonics on the femtosecond time-scale, corresponding to the duration of the driving pulse. The time-frequency structure of individual harmonics does not significantly affect the properties of the individual attosecond pulses, but is, however, important for the overall structure of the APT, which is also the subject of some theoretical investigations included in this work.



In the second series of experiments, the production and measurement of attosecond pulses in an APT were successfully performed. In addition, external phase control of the attosecond pulses was demonstrated, by means of metallic filters, leading to post-compression of the pulses down to a duration of 170 as, which was, at that time, the shortest pulse duration ever reported.



Finally, the APTs were applied to inject electron wave packets (EWPs), through single-photon ionization, into an external low-frequency laser field. By using the pulses in the APT to obtain precise timing of the ionization, control of the ejected EWPs, and even of the ionization process itself, by the external field, was demonstrated. It has also been shown that, making use of the external control offered by the APTs, it is possible to perform interference experiments on continuum EWPs, in a way very similar to that of traditional interference experiments with photons.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Vill man ta en bild av något som rör sig mycket snabbt, krävs det att man använder en kort exponeringstid. Om kamerans slutare är öppen under för lång tid, hinner det man vill fotografera röra sig under tiden filmen exponeras, med resultatet att bilden blir suddig. Kemiska reaktioner där atomer och molekyler är inblandade är exempel på något som sker på väldigt kort tid, typiskt några hundra femtosekunder (en femtosekund är en miljondels miljarddels sekund). För att kunna tidsupplösa dessa har forskare under de senaste tjugo åren använt ultrakorta laserpulser, både till att starta reaktionen, och för att mäta resultatet.



Omfördelningen av elektroner som befinner sig i något av de inre elektronskalen, nära atomkärnan, är exempel på en process som är ännu snabbare. Denna sker typiskt på en attosekunds-tidsskala, där en attosekund (as) är en miljarddels miljarddels sekund, dvs. tusen gånger kortare än en femtosekund. Så korta ljuspulser kan bara skapas genom att använda våglängder i det extremt ultravioletta området, vilket innebär våglängder kortare än 100 nm. Detta lyckades en grupp forskare med för första gången år 2001, genom generering av höga övertoner till en intensiv infraröd laserpuls.



Det arbete som ligger till grund för denna avhandling, syftade i första hand till att generera, karakterisera och kontrollera attosekundspulser, och i andra hand till att även använda dessa i tillämpningar. Denna avhandling beskriver ett antal experiment med detta som mål, gjorda vid Högeffektlaserfaciliteten vid Lunds Tekniska Högskola.



I ett experiment, utfört år 2003, genererades och karakteriserades för första gången attosekundspulser i Lund, utsända i ett pulståg där varje puls hade en varaktighet på 250 as. Som en fortsättning på detta experiment användes tunna filter gjorda av aluminium för att kontrollera fasen på attosekundspulserna, och på så vis kunde dessa komprimeras till en pulslängd på endast 170 as, som vid denna tid utgjorde det nya världsrekordet.



Parallellt med experimenten med attosekundspulser, har också tidsstrukturen hos de enskilda övertoner som bygger upp pulståget studerats, både experimentellt och teoretiskt. De enskilda övertonernas struktur har ingen större påverkan på varje enskild puls, utan påverkar istället variationen mellan pulserna i tåget. I dessa studier påvisades bland annat hur man genom att kontrollera tidsstrukturen hos den laserpuls som genererar övertonerna, kan kontrollera tidsstrukturen hos attosekundspulståget.



I några av de senast gjorda experimenten användes attosekundspulserna till att skapa fria elektroner, genom jonisation av en gas, och genom att överlappa attosekundspulståget med ett infrarött laserfält, kunde de skapade elektronerna styras och deras slutliga hastighet kontrolleras. Elektronernas egenskaper då de skapas beror på tidsstrukturen hos attosekundspulserna, och i ett av experimenten visas hur man genom att kontrollera denna, kan påverka vad som händer med elektronerna i laserfältet. Vidare visades i ett experiment hur man genom att använda attosekundspulser, som inte i sig själva har tillräckligt hög energi för att jonisera atomerna i gasen, kan kontrollera själva jonisationsprocessen med hjälp av det infraröda laserfältet.



Enligt kvantmekaniken är alla partiklar även vågor, och vice versa, vilket innebär att de elektroner som skapas och kontrolleras i de experiment som nämnts ovan, även borde kunna betraktas som vågpaket. I ett av de presenterade experimenten framgår detta i allra högsta grad, då ett infrarött laserfält användes för att få två olika delar av ett sådant elektronvågpaket, som från början hade olika riktning och hastighet, till att slutligen få samma riktning och hastighet. I experimentet observerades då interferens mellan dessa olika bidrag, ett fenomen som oftast associeras med optiska experiment, och från denna interferens kunde information om fasen hos elektronvågpaketen fås.

• author: Johnsson, Per
• supervisor: Anne L'Huillier
• opponent: Dr Corkum, Paul, Steacie Institute for Molecular Sciences, NRC, Ottawa, Canada
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: optik, acoustics, optics, Electromagnetism, Ionization Dynamics, Electron Wave Packet Interferometry, Electron Wave Packet Control, Pulse Characterization, High-Order Harmonics, Attosecond Pulse Trains, Atom- och molekylärfysik, Atomic and molecular physics, akustik, Elektromagnetism
• pages: 234 pages
• defense location: Sal B Fysiska Institutionen Professorsgatan 1 Lund
• defense date: 2006-09-08 10:15:00
• ISBN: 978-91-628-6898-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e381534b-0504-4a3a-92ef-c65eef1e0323 (old id 547046)
• date added to LUP: 2016-04-01 17:07:44
• date last changed: 2019-05-23 02:20:25