Construction and Characterization of an Interferometer for the Stabilization of Attosecond Experiments

Abstract

A new optical interferometer for delay stabilization in attosecond pump/probe experiments is constructed, featuring a custom-made hole-drilled recombination mirror and using a co-propagating HeNe laser for the interference. The interferometer is shown to generate an interference pattern of high enough contrast for delay stabilization. The stability of the measured delay is tested with the interferometer in the passively stable mode. The measured delay is shown to exhibit four curious characteristics: a rapid fluctuation with σ ≈ 0.85 fs, sudden jumps of 2-4 fs, oscillations with a period of ~1 hour and amplitude of ~4 fs, and a linear drift of varying magnitude. The rapid fluctuations are attributed to ambient vibrations and detector noise. The angular drift of the HeNe laser is shown to be an unlikely cause of the remaining effects. Further investigations of these are suggested. The interferometer design is recommended for further testing using active stabilization.

Popular Abstract (Swedish)

Alla har vi väl någon gång cyklat till jobbet, eller till skolan för den delen. I glatt humör trampar man upp för stadens brantaste backe tills det plötsligt kommer en rejäl vindstöt - då står man på tramporna, flåsande. Man gör sitt bästa. Men man har vädrets makter emot sig. Så när man väl står där innanför personalkökets trygga väggar (eller föreläsningssalens) är kaffet sedan länge uppdrucket, frukten sönderskuren, upphackad och söndermald, och fjolårsrapporten (alternativt räkneövningen) redan avhandlad. Sen. Igen.

Detta kandidatarbete handlar inte om komma försent till jobbet. Däremot handlar det på ett sätt om cyklar i motvind. För arbetstagare och studenter är inte de enda som kommer för sent när det blåser från fel håll: materiens små, små byggstenar kan ha liknande problem.

Den elektricitet som just nu gör det möjligt för dig att läsa det här (eller åtminstone hjälper till) består av en stor mängd små, elektriskt laddade partiklar som i en strid ström rusar genom kablarna från kraftverket in i ditt hem, din arbetsplats eller skola. Dessa partiklar, som kallas elektroner, är väldigt viktiga. De utgör inte bara grunden för det moderna samhället - de är även en av de centrala delarna utav de atomer som bygger upp all materia runtomkring oss. Där hålls de fångna av de så kallade atomkärnornas starka dragningskraft. Men med hjälp av till exempel en kraftfull laser kan man rycka bort elektronerna; man säger att atomerna joniseras. Detta i sig kan tyckas fascinerande, men om man ökar laserns styrka till oerhört höga nivåer kan verkligt underliga saker hända. Däribland just det fenomen som detta arbete tar avstamp i: atomerna kan fås att skicka ut extremt korta ljuspulser. Dessa pulser kan man använda till olika ändamål, bland annat för att jonisera en ny grupp av atomer. De elektroner man således rycker bort kommer till viss del ta över de korta ljuspulsernas speciella egenskaper. Om man dessutom låter en del av den första lasern samverka i denna senare jonisation så får man möjlighet att titta på mycket intressanta och väldigt specifika egenskaper gällande själva bortryckningen. För att göra detta på ett givande sätt måste man till väldigt hög noggrannhet kunna kontrollera skillnaden i sträcka som lasern färdas jämfört med de korta ljuspulserna. Om vi för en stund antar att detta låter sig göras: vad är det då man tittar på?

För att förklara detta hjälper det oss att tänka på elektronerna man rycker bort som små, små cyklar. Små, små arbetstagare och skolelever som, när de väl har ryckts bort, cyklar febrilt bort från kärnorna. Men precis som en människa på väg till jobbet stöter de på problem. Faktum är att dessa elektroner kämpar mot en stark motvind: atomkärnornas dragningskraft! Denna motvind gör, som vi ju alla vet, att elektronerna kommer fram senare än vad de annars skulle ha gjort, och det är just denna förseningstid som man vill mäta, eftersom den säger en hel del om hur atomen i sig fungerar. Det visar sig nämligen att elektroner från olika atomer, och till och med olika delar av samma atom, blir olikt mycket försenade. Frågan blir således: hur mycket blåser det egentligen i olika atomer? Det är detta forskare världen över, och däribland i Lund, just nu jobbar hårt för att ta reda på. Att undersöka hur vindstyrkan skiljer sig från atom till atom är naturligtvis mycket intressant, eftersom det låter mänskligheten förstå grundläggande fakta om hur materien som bygger upp oss och allt annat faktiskt fungerar.

Men för att kunna göra allt detta behöver man som sagt kunna kontrollera och ställa in ett väldigt litet avstånd. Att exakt kunna mäta denna avståndsskillnad är inte helt lätt. Vad detta arbete handlar om är byggandet och testandet av en konstruktion av speglar som är tänkt att göra just detta: en så kallad interferometer. Denna interferometer använder sig bland annat av en specialbyggd spegel som här testas för första gången. I arbetet visar jag att den byggda interferometern gör vad den ska och därmed att den principiella designen fungerar. Samtidigt upptäcks en del konstigheter angående interferometerns stabilitet (en i sammanhanget såklart väldigt intressant egenskap). Ett slutgiltigt svar på anledningen till dessa problem hittas inte, men däremot har en hel del möjliga orsaker kunnat uteslutas och dessutom ger jag i slutet av arbetet en del förslag på hur man kan fortsätta söka efter källan. Men tack vare bekräftelsen att interferometerdesignen, inklusive den speciella spegeln, faktiskt fungerar kommer den nu att inlemmas i forskningsgruppens större uppställning för att till sist kunna användas för att mäta hur mycket det faktiskt "blåser" i atomer.

• author: Kjellberg Jensen, Thomas
• supervisor: David Kroon; Anne L'Huillier
• organization: Department of Physics
• course: FYSK01 20151
• year: 2015
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 5466092
• date added to LUP: 2015-06-05 14:18:15
• date last changed: 2015-06-15 04:11:06