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Photoionization of atoms with ultrashort XUV laser pulses at extreme intensities

Titelangaben

Kaiser, Benjamin:
Photoionization of atoms with ultrashort XUV laser pulses at extreme intensities.
Bayreuth , 2015 . - VI, 99 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Projektfinanzierung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Abstract

The present thesis is concerned with the photoionization dynamics
of atoms exposed to high intense and ultrashort XUV-laser pulses
of free-electron lasers.
In particular, the influence of coherent dynamics of the electrons
as well as the electron-electron interaction are in focus of this
survey and the resulting signatures as Rabi oscillations and characteristic spectra of photoelectrons are analysed.
Furthermore, different levels of theory are applied for
one-dimensional model atoms, providing a systematically manner
to pinpoint the features induced by coherent and correlated electron
dynamics.
To this end, the exact solution of the time-dependent
Schrödinger equation is determined numerically for a two electron system.
To surmount the limitation of the latter to systems with a small number
of electrons, the time-dependent reduced density matrix formalism is
implemented on the Hartree-Fock level as well as one level above and
thus accounts also for a correlated electron-electron interaction.
Furthermore, for the ionization of resonantly driven atomic bound states
an extended two level system is discussed, resulting in an analytic
solution.

As a prime example of coherent quantum dynamics Rabi oscillations
are studied in a two electron atom for a
resonant laser coupling between the ground state and an excited bound
state.
In addition a single-photon absorption of the model atom in the excited
bound state gives rise to an ionization process.
It was found that the ground state occupation as a function of time exhibits damped Rabi oscillations.
The ionization, which induces the damping, scales linearly with
the field intensity.
For the ion yields induced by a finite laser pulse a quadratic intensity
scaling is observed for pulse lengths below the Rabi period.
Consequently, at a critical pulse area the onset of Rabi cycles induces a transition between a quadratic and linear intensity scaling in the ion yields.
In the high intensity regime the comparison between the results
of a simplified solvable model, including only two bound states
coupled to the ionization continuum, and the exact solution
of the time-dependent Schrödinger equation reveals that the
further excited localized states and the direct two-photon ionization of the ground state
carry a non negligible contribution to the total ionization yields.
Besides, a shift of the Rabi frequency compared to its value for
an isolated level is found.
The analytic solution of the simplified model manifests that
the shift is related to the ionization.
Thus, the higher ion yields observed for the time-dependent
Schrödinger equation affect the
respective Rabi frequency, acquiring a high renormalization
of the Rabi frequency of an isolated system.

Investigations for an off-resonant excitation prove that the basic dependency
of the Rabi amplitudes and of the Rabi frequencies on the
detuning coincides with the one known for the isolated two level system.
The detuning additionally affects the renormalization of the Rabi frequency.
Depending on the sign of the detuning
a Rabi frequency larger or smaller than in the isolated two level
system is observed.
However, the direct two-photon ionization of the ground state gains
in importance already at small intensities compared to the resonant excitation and affects the intensity
scaling of the ion yields.
In particular, for a large detuning the transition from a quadratic to a linear intensity
scaling is determined by a competition between the direct two-photon ionization and the Rabi-assisted ionization
instead of the critical pulse area needed for one Rabi cycle.
For a fixed detuning the respective intensity at which the transition occurs
is the same for all pulse durations as long as the ion yields
do not reach the saturation regime.
In addition, also signatures of the coexistence of different Rabi
processes are observed as beats in the time evolution of the
occupation of the ground state.


The influence of correlated electron dynamics on the ionization process
has been studied for a laser excitation in the vicinity of the single-photon ionization threshold of a helium model.
The comparison between the time-dependent Hartree-Fock theory and the
exact numerical solution of the Schrödinger equation reveals that
correlation effects gain in importance at a high radiation intensity with
a photon energy close to the threshold and strongly affect the time
evolution of the ground state population.
Furthermore, the momentum distributions of the electrons emitted in
a double ionization process have been analysed.
The characteristic signatures of different double ionization processes allow to separate their respective parts in the total double ionization yield.
In case of the coexistence of a sequential two-photon and a non-sequential three-photon double ionization the individual ion yields scale quadratically and cubically with intensity.
However, even though the three-photon double ionization dominates
at high intensities its signature is not observed in the total
ion yields.
Instead, a power law with an exponent between two and three is found.
Studying the temporal evolution of the two-electron momentum distribution
reveals a broad peak at short times which becomes narrower
with ongoing time.
This feature reflects the energy-time uncertainty and indicates a strong
coherent regime at short times.
A further analysis of the temporal evolution of the double ionization yields for both electrons leaving the atom in the same direction exhibits signatures of a recapture process.

Finally, the time-dependent reduced density matrix formalism is
applied for an atom interacting with an ultrashort
laser pulse.
To this end, the Bogolyubov-Born-Green-Kirkwood-Yvon hierarchy is
truncated one level above the mean field level and therefore
correlations between electrons are included.
The reduced one particle matrix and the two particle correlations are
represented by the finite element discrete variable representation.
The numerically obtained time traces of the Hartree-Fock orbitals
forming the ground state are analysed for two, four and six electron
atoms excited by an intense ultrashort XUV laser pulse.
In order to identify correlation induced processes in the ionization
dynamics, results for correlated electrons are
compared with the time-dependent Hartree-Fock theory.
In this manner, signatures of the shake-off ionization process and
the Auger decay are found in the time evolution of the occupation
of the Hartree-Fock orbitals.

Abstract in weiterer Sprache

Ziel dieser Arbeit ist die theoretische Behandlung der Photoionisation von Atomen durch hoch intensive Femtosekunden-XUV-Laserpulse von Freien-Elektronen-Lasern, wobei Einflüsse auf den Ionisationprozess durch kohärente Dynamik der Elektronen sowie der Wechselwirkung zwischen den Elektronen im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen.
Deren Auswirkungen, wie Rabioszillationen und charakteristische Spektren der Photoelektronen, werden in eindimensionalen Atommodellen auf unterschiedlichen Ausbaustufen der Theorie diskutiert.
Der Vergleich zwischen Ergebnissen für verschiedene Ausbaustufen der Theorie ermöglicht eine systematische Analyse der Einflüsse von kohärenter Dynamik und der Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf die Ionisation.
Im Speziellen wird für ein Zweielektronenatommodell
die exakte Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung numerisch
bestimmt.
Um deren Begrenzung auf Atome mit einer geringen Anzahl an
Elektronen zu überwinden, wird die Anwendung des zeitabhängigen Formalismus der reduzierten Dichtematrix auf die Photoionisation
erprobt.
Diese Theorie wird auf der Hartree-Fock Stufe sowie auf einer Ausbaustufe, die Korrelationen der Elektronen berücksichtigt, implementiert.
Die analytische Lösung eines erweiterten Zweiniveausystems unterstützt die Untersuchung einer resonante Anregungn zweier gebundener atomarer Zustände und deren Ionisation.

Als Paradebeispiel für kohärente Quantendynamik werden Rabioszillationen
in einem Zweielektronenatom für eine resonante Laserkopplung zwischen dem Grundzustand
und einem angeregten gebunden Zustand analysiert.
Der angeregte Zustand kann durch die Absorption eines Photons
ionisiert werden.
Die Grundzustandsbesetzung des Atoms zeigt gedämpfte Rabioszillationen, wobei die Dämpfung eine unmittelbare Folge der Ionisation des angeregten Zustands darstellt und linear
mit der Intensität des Lasers skaliert.
Im Fall einer kleinen Pulsfläche, die keinen abgeschlossen Rabizyklus induziert, zeigt die Ionisation als Funktion der Laserintensität eine quadratische Abhängigkeit.
Das Einsetzen der Rabioszillationen bei einer kritischen
Pulsfläche bedingt daher einen Übergang zwischen quadratischen und linearen Skalierungsverhalten der Ionisation bezüglich der Intensität.
Für extrem hohe Intensitäten ergibt der Vergleich zwischen Ergebnissen eines vereinfachten Modells, das ein Zweiniveausystem an ein Kontinuum koppelt und der zeitabhängigen Schrödingergleichung, dass weitere in der exakten Lösung enthaltene gebundene Zustände sowie die direkte Zweiphotonenionisation des Grundzustandes einen zusätzlichen Beitrag zur Ionisation leisten.
Außerdem weicht die im Modell ermittelte Rabifrequenz von der eines isolierten Zweiniveausystems ab.
In der analytischen Lösung des vereinfachten Modells ist die Frequenzverschiebung eine direkte Folge der Ionisation.
Daher beeinflusst die hohe Ionisation in der exakten Lösung
die Rabifrequenz und führt zu
einer starken Renormalisierung bezüglich der Rabifrequenz eines
isolierten Zweiniveausystems.


Weitere Analysen für den Fall einer offresonanten Kopplung zweier atomarer
Zustände zeigen ähnliche Abhängigkeiten der Amplitude und der Frequenz der Rabi Oszillationen von der Verstimmung des Lasers bezüglich der Resonanzenergie wie in einem isolierten Zweiniveausystem.
Zudem beinflusst die Verstimmung die Renormaliserung der Rabifrequenz.
In Abhängigkeit von deren Vorzeichen wird meistens eine größere wie auch kleinere Rabifrequenz als in einem isolierten Zweiniveausystem gefunden.
Daneben beobachtet man im Vergleich zu einer resonanten
Anregung einen größeren Einfluss der direkten Zweiphotonenionisation des Grundzustandes
auch bei niedrigen Intensitäten.
Dieser wirkt sich auf den Übergang von einer quadratischen zu einer linearen Intensitätsabhängigkeit der Ionisation aus.
Anstelle des Arguments der Pulsfläche, das für kleine Verstimmungen ähnlich wie bei resonanter Anregung den Skalierungsübergang auszeichnet, bestimmt für eine stärkere Verstimmung die Konkurrenz zwischen direkter Zweiphotonenionisation und Rabi-assistierter Ionisation das Skalierungsverhalten des Ionenertrages.
Zudem erweisen sich Schwebungen im Zeitverlauf der Besetzung des Grundzustandes als Signatur einer Koexistenz zweier Rabiprozesse.

Um Auswirkungen von Korrelationen zwischen Elektronen zu analysieren, wird die Photoionisation eines eindimensionalen Helium Atommodels in der Nähe der Einphoton\-ionisationsschwelle untersucht.
Der Vergleich zwischen der zeitabhängigen Hartree-Fock-Theorie und der exakten Lösung der Schrödinger Gleichung zeigt, dass knapp über der Einfachionisationsschwelle für hohe Intensitäten starke Korrelationseffekte auftreten und den Zeitverlauf der Grundzustandsbesetzung stark beeinflussen.
Zudem werden die verschiedenen Doppelionisationprozesse anhand ihrer charakteristischen Impulsverteilung zwischen den abgegebenen Elektronen identifiziert.
Bei einer Koexistenz von nichtsequentieller Zwei- und sequentieller
Dreiphotonendoppelionisation zeigen die jeweiligen Ionenerträge eine quadratische und kubische Intensitätsabhängigkeit.
Dennoch resultiert die Dominanz des Dreiphotonenprozesses bei hohen Intensitäten nicht in das erwartete kubische Skalierungsverhalten der gesamten Doppel\-ionisa\-tion.
Stattdessen folgt die Intensitätsabhängigkeit der gesamte Doppelionisation einem Potenzgesetz mit einem Exponent zwischen zwei und drei.
Des Weiteren zeigt die Impulsverteilung der freien Elektronen zu kurzen Zeiten ein breites Maximum, das mit fortschreitender Zeit schmäler wird.
Diese Signatur der Energie-Zeit-Unschärfe weist auf ein kohärentes Regime bei kurzen Zeiten hin.
Eine Analyse des Anteils der Doppelionisation bei dem beide Elektronen das Atom in dieselbe Richtung verlassen zeigt Hinweise darauf, dass durch die Coulomb-Abstoßung zwischen den Elektronen eines von ihnen wieder vom Kern eingefangen wird.


Der zeitabhängige Dichtematrix-Formalismus wurde zur Modellierung
der Wechselwirkung zwischen einem eindimensionalen Atom Modell und einem
ultrakurzen Laserpuls angewandt.
Dafür wurde die Bogolyubov-Born-Green-Kirkwood-Yvon Hierarchie
eine Stufe über der Hartree-Fock Stufe abgebrochen, wodurch
Korrelationen zwischen den Elektronen berücksichtigt werden.
Als Basisfunktionen für die Darstellung der reduzierten Ein- und Zweiteilchen Dichtematrizen wird eine Finite-Elemente-Methode verwendet.
Die numerischen Ergebnisse für die Ionisation von Zwei-, Vier- und Sechselektronenatomen werden anhand der Besetzungen der Hartree-Fock-Orbitale
des Grundzustandes als Funktion der Zeit analysiert.
Um durch Korrelationen induzierte Prozesse in der Ionisation zu identifizieren, werden Ergebnisse für korrelierte Elektronen mit
denen der Hartree-Fock-Stufe verglichen.
Auf diese Weise konnten Signaturen gefunden werden, die auf Shake-off-Ionisation und Augerzerfälle hinweisen.

Weitere Angaben

Publikationsform: Dissertation
Keywords: Photoionization; X-ray; free-electron-laser
Fachklassifikationen: PACS-Nummer: 32.80.Fb Photoionization of atoms and ions
Institutionen der Universität: Fakultäten
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut > Lehrstuhl Theoretische Physik III
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut > Lehrstuhl Theoretische Physik III > Lehrstuhl Theoretische Physik III - Univ.-Prof. Dr. Martin Axt
Titel an der UBT entstanden: Ja
Themengebiete aus DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Eingestellt am: 11 Jul 2015 21:00
Letzte Änderung: 11 Jul 2015 21:00
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/16197