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Einfluss der spektralen Phasen von Femtosekunden-Laserpulsen auf Ionisation und Dissoziation von Ethan und DCl

Schirmel, Nora - Philipps-Universität Marburg (2013)


Inhalt der vorliegenden Doktorarbeit ist das Verständnis und die Kontrolle von fs-laserpulsinduzierter Ionisation und Dissoziation. Eine zentrale Rolle spielt in diesem Zusammenhang die spektrale Phase des Laserpulses, welche den elektrischen Feldverlauf charakterisiert. Durch die Manipulation der spektrale Phase und damit des Laserfeldes können Ionisations- und Dissoziationsprozesse beeinflusst werden. Zwei prominente Manipulationen sind die der carrier-envelope phase und der lineare chirp.

Es wurden die Auswirkungen der CEP auf DCl und die Auswirkungen höherer Terme der spektralen Phase, wie der lineare chirp, auf Ethan und teilweise deuteriertes Ethan (CH3CD3) untersucht. Für die Untersuchung der CEP-Abhängigkeit wurden die entstehenden D+- und Cl+-Ionen sowie die ebenfalls freigesetzten Elektronen massen- und ortsaufgelöst detektiert. Die Winkelverteilung der Fragmentionen ergab dabei, dass diese vorwiegend in einem Winkel von 60° zur Laserpolarisation entstehen. Die CEP spielt eine entscheidende Rolle in der Ionisation, als dass durch sie kontrolliert werden kann, in welcher Orientierung die Moleküle bevorzugt ionisiert werden. Diese Orientierung wird in der Winkelverteilung der Fragmente abgebildet. Der richtungsabhängige Austritt der Fragmentionen aus dem DCl+ ist für die beiden Ionen entgegengesetzt abhängig (um pi verschoben) von der CEP. Diese CEP-Abhängigkeit der Austrittsrichtung ist für die Elektronen deutlich stärker ausgeprägt als für die Fragmentionen. Sie treten bevorzugt parallel zur Laserpolarisation und auf derselben Seite des Moleküls aus, zu der hin sich auch das Cl+ bewegt. Dieses Ergebnis passt gut zu einer Ionisation aus den HOMOs, welches die zweifach entarteten 3p-Orbitale des Cl sind.

Die Manipulation der höheren spektralen Phasenterme erfolgte durch einen 4f-Pulsformer. Die entstehenden Ionen wurden mit einem Flugzeitmassenspektrometer detektiert. Zunächst wurde vor allem die H3+-Entstehung aus Ethan einer genaueren Betrachtung unterzogen und durch ein PIPICO-Experiment bestätigt, dass das H3+ aus der Reaktion C2H62+ → H3+ + C2H3+ stammt.

Weiterhin gelang es durch die Anwendung einer quadratischen spektralen Phase die Ausbeuten aller Fragmentionen und des Mutterions des Ethans zu beeinflussen. Vor allem die chirp-Abhängigkeit der Mutterionenausbeute weist darauf hin, dass die Ionisation eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Reaktionen spielt. Insgesamt spielen aber mehrere Effekte eine Rolle. Zum einen steigt die Fragmentierung mit zunehmender Pulsdauer an, was somit vorrangig auf einen Pulsdauereffekt zurückzuführen ist. Zum anderen aber zeichnet sich eine klare Abhängigkeit der Ionisierungseffizienz von dem Vorzeichen des chirp-Parameters alpha ab. Beide Effekte zusammen führen dazu, dass die Ionenausbeute aller Ionen für negative lineare chirps am größten ist. Der chirp-Effekt ist am ausgeprägtesten für kleine Laserintensitäten und wird mit steigender Pulsenergie von einem Intensitätseffekt überlagert. Weiterhin wirkt sich der chirp-Effekt nicht auf alle Ionensorten gleich aus, sodass die quadratische Phase ebenfalls dazu verwendet werden kann, die Verhältnisse von Ionenausbeuten zu steuern. Es wurden zwei unterschiedliche Kontrollmechanismen identifiziert. Demnach ist es durch die Verwendung einer quadratischen Phase ebenso möglich eine intra-charge-state control wie auch eine inter-charge-state control auszuüben. Um kompliziertere Phasen untersuchen zu können beziehungsweise um die spektrale Phase für eine bestimmte Ionenausbeute oder ein Ausbeutenverhältnis zu optimieren, wurde ein genetischer Algorithmus eingeführt. Bei der Optimierung der spektralen Phase zur Erzeugung maximaler Ionenausbeuten einer einzelnen Spezies zeigte sich am Beispiel von H+ und H3+, dass die optimierten spektralen Phasen in der Regel einen hohen negativen linearen chirp-Anteil aufweisen. Dies lässt sich dadurch zeigen, dass die optimierten Pulse durch zusätzliches Aufprägen eines positiven linearen chirp signifikant verkürzt werden können. Auch das Ergebnis der optimierten Laserpulse ist, wie schon bei der systematischen Variation von alpha, von der Laserpulsintensität abhängig. So werden die optimalen Laserpulse mit steigender Intensität kürzer und die Steigerung der Ionenausbeute gegenüber dem 45 fs-Puls geringer. Es zeigt sich also, dass die spektrale Phase eines Femtosekundenlaserpulses und insbesondere ihr quadratischer Anteil in vielfältiger Hinsicht ein starkes Werkzeug für die Manipulation von Ionenausbeuten ist.


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