Abbildendes Femtosekunden-Photoelektronenspektrometer
Final Report Abstract
Das bewilligte Forschungsgroßgerät (Abbildendes Femtosekunden-Photoelektronen Spektrometer) ist zur Zeit die zentrale experimentelle Ausstattung der AG „Ultraschnelle Kohärente Dynamik“ (ULTRA). In den wissenschaftlichen Experimenten wurden systematisch zwei Projekte verfolgt: (1) die Erzeugung und Charakterisierung neuartiger polarisationsgeformter bichromatischer Laserpulse und (2) die kohärente Kontrolle der dreidimensionalen Photoelektronenverteilung (PV) durch Interferenz verschiedener Quantenpfade. Aufbauend auf den Erkenntnissen dieser beiden Projekte wurde in einem weiteren Schritt die Erzeugung von PV ungerader Rotationssymmetrie durch Multiphotoninionisation (MPI) von Alkaliatomen mit Hilfe von Pulsformer-basierten bichromatischen Feldern demonstriert. Das Ziel des ersten Projekts war die experimentelle Realisierung bichromatischer polarisationsgeformter Carrier-Envelope-Phase (CEP)-stabiler Laserpulse mit Hilfe des selbstgebauten Polarisationspulsformers. Zunächst wurden bichromatische Laserpulse durch Amplitudenmodulation des Spektrums des Verstärkers implementiert. Danach wurden unter Verwendung eines Hohlfaserkompressors CEP-stabile Weißlicht-Superkontinua mit einer Pulsdauer von sub-5fs realisiert, die zur Erzeugung bichromatischer Laserfelder eingesetzt wurden. Damit gelang es erstmals durch spektrale Amplituden-, Phasen- und Polarisationsmodulation bichromatische CEP-stabile polarisationsgeformte Superkontinua (BiCEPS-Pulse) experimentell darzustellen. Im zweiten Projekt wurde die Erzeugung und tomographische Rekonstruktion dreidimensionaler Photoelektronen Wellenpakete durch kohärente Überlagerung von Elektronenwellen mit unterschiedlichen Drehimpulszuständen demonstriert. In einer Publikation dieses Projekts wurde über die erfolgreiche Erzeugung bisher noch nicht experimentell beobachteter Elektronenwirbel berichtet. Die Kombination der o. g. experimentellen Methoden ermöglichte uns die neuartige und vielseitige experimentelle Technik der Photoelektronen Tomographie mit BiCEPS Pulsen zu implementieren. Diese experimentelle Strategie wurde zunächst am Beispiel der MPI von Kalium Atomen mit gegenläufig zirkular polarisierten und orthogonal linear polarisierten bichromatischen Laserpulsen untersucht. Dabei gelang die dreidimensionale Messung neuartiger Drehimpulssuperpositionszustände. Am Beispiel der MPI von Xe Atomen mit bichromatischen linear polarisierten CEP-stabilen Laserpulsen mit maßgeschneidertem Frequenzverhältnis (7:8) wurde zudem die Kontrolle der lateralen Asymmetrie in der PV demonstriert. In zwei Experimenten zur atomaren Wellenpaketdynamik haben wir das im ersten Projekt entwickelte optische Verfahren der Pulsformerbasierten Erzeugung bichromatischer Pulssequenzen unterschiedlicher Polarisation für zweifarben Pump-Probe Experimente eingesetzt. Mit dieser neuen experimentellen Technik haben wir die Dynamik von Rydberg Wellenpaketen und Spin-Bahn-Wellenpaketen untersucht. Der vorläufige Höhepunkt unserer Experimente mit dem Forschungsgroßgerät ist die erstmalige Demonstration von halbmondförmigen und 7-zähligen Elektronenwellenpaketen unter Verwendung von zykloidalen bichromatischen Laserfeldern.
Publications
- "Control of photoelectron momentum distributions by bichromatic polarization-shaped laser fields", New Journal of Physics Volume 19, Seite 103017 (2017)
S. Kerbstadt, D. Pengel, D. Johannmeyer, L. Englert, T. Bayer und M. Wollenhaupt,
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa83a4) - "Control of three-dimensional electron vortices from femtosecond multiphoton ionization", Physical Review A Volume 96, Seite 043426 (2017)
D. Pengel, S. Kerbstadt, L. Englert, T. Bayer und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.96.043426) - "Electron Vortices in Femtosecond Multiphoton Ionization", Physical Review Letters Volume 118, Seite 053003 (2017)
D. Pengel, S. Kerbstadt, D. Johannmeyer, L. Englert, T. Bayer und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.053003) - "Femtosekunden-Laserpulse erzeugen Elektronenwirbel", Physik in unserer Zeit Volume 48, Seite 162 (2017)
D. Pengel, S. Kerbstadt, T. Bayer und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1002/piuz.201770404) - "Ultrashort polarization-tailored bichromatic fields from a CEP-stable white light supercontinuum", Optics Express Volume 25, Seite 12518 (2017)
S. Kerbstadt, D. Timmer, L. Englert, T. Bayer und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.25.012518) - “Ultrashort polarization-tailored bichromatic fields”, Journal of Modern Optics Volume 64, Seite 1010 (2017)
S. Kerbstadt, L. Englert, T. Bayer und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1080/09500340.2016.1271151) - "Carrier-envelope phase control of asymmetries in the multiphoton ionization of Xenon atoms by ultrashort bichromatic fields" Physical Review A Volume 97, Seite 063402 (2018)
S. Kerbstadt, D. Pengel, L. Englert, T. Bayer und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.97.063402) - "Imaging multiple Rydberg wave packets from shaper-generated two-color femtosecond pump-probe sequences", Physical Review A Volume 99, Seite 013406 (2019)
S. Kerbstadt, L. Gabrisch, K. Eickhoff, T. Bayer und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.99.013406) - "Time-resolved 3D imaging of ultrafast spin-orbit wave packet dynamics", New Journal of Physics Volume 21, Seite 033001 (2019) (2019)
T. Bayer, D. Gräfing, S. Kerbstadt, D. Pengel, K. Eickhoff, L. Englert und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/aafb87) - “Odd electron wave packets from cycloidal ultrashort laser fields”, Nature Communications Volume 10, Artikel 658 (2019)
S. Kerbstadt, K. Eickhoff, T. Bayer, und M. Wollenhaupt
(See online at https://doi.org/10.1038/s41467-019-08601-7)
