Phasen-stabilisiertes Einzelzyklen-Lasersystem mit Nachverstärker und Optisch-Parametrischer Verstärker für das mittlere Infrarot

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 66086727

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Einzelzyklen-Femtosekunden-Lasersystem wurde in den ersten drei Jahren hauptsächlich für die im Folgenden skizzierten vier Projekte verwendet. Dabei stand das erste im engen Zusammenhang mit den Bemühungen, das kommerzielle System so weiter zu entwickeln, dass die Leistungsdaten auf internationales Spitzenniveau gebracht wurden. Die übrigen mit dem Lasersystem bedienten Projekte sind im weit überwiegendem Maße dem Gebiet der Starkfeld- bzw. Attosekunden-Laserphysik zuzurechnen, also den Forschungsfeldern, für die das System konzipiert wurde. 1. Entwicklung der Phasenmeter: Einzelzyklen- (auch: few-cycle-) Laserpulse zeichnen sich dadurch aus, dass der zeitliche Verlauf des Feldes von der absoluten oder CE Phase der Trägerwelle bzgl. der Pulseinhüllenden abhängt und i.allg. asymmetrisch ist. Die Arbeitsgruppe ist dafür bekannt, asymmetrische Photoelektronenemission für die Messung der absoluten Phase zu nutzen (Phasenmeter). Es ist in den vergangenen Jahren gelungen, die Methode so fortzuentwickeln, dass die absolute Phase jedes einzelnen Laserpulses im Multi-kHz-Betrieb und in Echtzeit mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Mehrere technische Verfahren und Vorrichtungen wurden patentiert. Als besonders nützlich für die Weiterentwicklung und Optimierung des Lasersystems hat sich die Eigenschaft des Phasenmeters herausgestellt, dass es in der Lage ist, mit großer Sensitivität und Robustheit die Dauer von Einzelzyklenpulsen zu messen. 2. Das zweite und ursprünglich nur zur Validierung der Laserperformance gedachte Experiment hat zur Entdeckung eines hübschen und in den nächsten Jahren möglicherweise auch nützlichen Effektes geführt: In den Impulsspektren der Photoelektronen wurde für Emission unter großem Winkel relativ zur Laserpolarisation eine bemerkenswerte Interferenzstruktur entdeckt. Weitere Untersuchungen zeigten, dass Ionisationswege mit verschieden starker Wechselwirkung mit dem Ionenkern interferieren. Somit besteht die Aussicht, die notorisch komplizierten Beiträge des Ionenpotentials zur Ionisationsdynamik mit einer Art holographischen Verfahren zu untersuchen. 3. Ionenstrahlexperimente: Parallel zur Laseranlage wurde eine Ionenstrahlapparatur aufgebaut, die ihrerseits bislang zwei Klassen von Experimenten ermöglicht hat. Zum Einen wurde die Dissoziation des Wasserstoffmoleküls untersucht. Durch phasen-kontrollierte Laserpulse mit kaum mehr als einem optischen Zyklus Dauer kann die Lokalisation des Elektrons gesteuert werden, also kontrolliert werden, welches der beiden Protonen das Elektron nach der Dissoziation behält. Die Steuerung der Dissoziation des einfachsten Moleküls mit einem einzelnen optischen Zyklus kann als die fundamentalste photochemische Reaktion betrachtet werden. 4. Der Nachverstärker ermöglicht darüber hinaus, auch höher geladene Ionen zu ionisieren, ggf. mehrfach. Unser Interesse hat sich dabei besonders auf die “Attoclock” konzentriert: Es gelingt durch Verwendung nahezu zirkular polarisierten Lichtes, detaillierte Einblicke in die Ionisationsdynamik zu gewinnen. Der Vorteil unseres Ansatzes liegt u.a. darin, dass die Näherung der Ionisation als Tunnelprozess sehr viel besser erfüllt ist als bei vorangegangenen Experimenten anderer Gruppen. 5. Optische Vortizes: Die hervorragende Strahlqualität nach dem Nachverstärker hat einige neuartige Experimente mit optischen Wirbeln ermöglicht. U.a. konnte eine kaskadierte Vierwellenmischung beobachtet werden und daran u.a. die Erhaltungssätze für die topologischen Ladungen verifiziert werden. Es ist auch gelungen, die Dynamik dieser Prozess durch Interferenzexperimente zu untersuchen, wobei der Einzelzyklen-Laserstrahl als Probe verwendet wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Improved carrier-envelope phase locking of intense few-cycle laser pulses using above-threshold ionization. Optics Letters 36, 3639 (2011)
  Adolph, Sayler, Rathje, Rühle, Stibenz, Paulus
  
• Precise, real-time, every-single-shot, carrier-envelope phase measurement of ultrashort laser pulses. Optics Letters 36, 1 (2011)
  Sayler, Rathje, Müller, Rühle, Kienberger, Paulus
  
• Precise, real-time, single-shot carrier-envelope phase measurement in the multicycle regime. Applied Physics Letters 99, 121108 (2011)
  Möller, Sayler, Rathje, Chini, Chang, Paulus
  
• Real-time pulse length measurement of few-cycle laser pulses using abovethreshold ionization. Optics Express 19, 4464 (2011)
  Sayler, Rathje, Müller, Kürbis, Rühle, Stibenz, Paulus
  
• Single-shot carrier-envelope-phase-tagged ion-momentum imaging of nonsequential double ionization of argon in intense 4-fs laser fields. Physical Review A 83, 013412 (2011)
  Johnson, Herrwerth, Wirth, De, et al.
  
• Attosecond-Recollision-Controlled Selective Fragmentation of Polyatomic Molecules. Physical Review Letters 109, 243001 (2012)
  Xie, Doblhoff-Dier, Roither, Schöffler, Kartashov, et al.
  
• Interference Carpets in Above-Threshold Ionization: From the Coulomb-Free to the Coulomb-Dominated Regime. Physical Review Letters 108, 223601 (2012)
  Korneev, Popruzhenko, Goreslavski, Yan, Bauer, et al.
  
• Review of attosecond resolved measurement and control via carrier–envelope phase tagging with above-threshold ionization. Journal of Physics B 45, 074003 (2012)
  Rathje, Johnson, Möller, Süßmann, Adolph, et al.