Visualization and control of the electron quantum paths in high field laser-atom interactions
Authors: Κολλιόπουλος Γεώργιος 
Published: August 2021

Ο βασικός μηχανισμός που οδηγεί στην εκπομπή ανώτερης τάξης αρμονικών σε συνθήκες ισχυρού- πεδίου, δύναται να αναλυθεί σε τρία στάδια: αρχικά το άτομο ιονίζεται μέσω φαινομένου σήραγγος, ακολουθεί η κίνηση του ηλεκτρονικού κυματοπακέτου μακρυά από τον πυρήνα και τελικά λαμβάνει χώρα η επανασύνδεση του ηλεκρονίου με τον ατομικό πυρήνα και η παράλληλη εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Λόγω της κβαντικής φύσης της διαδικασίας, οι ιδιότητες του ηλεκτρονικού κυματοπακέτου συσχετίζονται στενά με τις ιδιότητες της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Στην παρούσα Διατριβή εξετάζονται ενδογενείς ιδιότητες της διαδικασίας επανασύνδεσης. Αυτό καθίσταται δυνατό μέσω της ανάλυσης της εκ συμβολής χωρικής κατανομής της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Η χωρική αυτή κατανομή δημιουργείται από την υπέρθεση μερών της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας προερχόμενα από δύο διακριτές τάξεις ηλεκτρονικών κβαντικών διαδρομών (των “μακρών” και των “βραχέων”). Τα δύο αυτά μέρη εστιάζονται μαζί και η χωρική κατανομή της έντασης του μακρού υπεριώδους (ΕUV), στην εστιακή περιοχή, απεικονίζεται μέσω της καταγραφής της χωρικής κατανομής ιόντων που προκύπτουν από μονοφωτονικές ή διφωτονικές διαδικασίες ιονισμού ατόμων ευγενών αερίων. Χάρις στον υψηλό βαθμό ακριβείας που προσφέρεται από τη συγκεκριμένη μέθοδο, γίνεται δυνατό να καταδειχθεί η κβαντική φύση της διαδικασίας επανασύνδεσης. Eπιπλέον, βασισμένη στην ίδια απεικονιστική τεχνική με τη χρήση ιόντων, στην παρούσα Διατριβή προτείνεται μια καινοτόμος μέθοδος αυτοσυσχέτισης δεύτερης τάξης και μονής-βολής (single-shot) για τον χαρακτηρισμό υπερβραχέων παλμών με φάσμα συχνοτήτων εντοπισμένο στην περιοχή του μακρού υπεριώδους. Χρησιμοποιώντας απλά αναλυτικά πρότυπα (μοντέλα), καθώς και λεπτομερή υπολογιστικά, πραγματοποιείται μια αποτίμηση όσον αφορά στην επιλογή της βέλτιστης διάταξης και εξετάζονται διάφοροι τρόποι υλοποίησης της μεθόδου. Τέλος, στην Διατριβή αυτή, γίνεται η περιγραφή της γένεσης σύμφωνης ακτινοβολίας μακρού υπεριώδους (ΕUV) ευρέος συνεχούς φάσματος που έχει προκύψει από την αλληλεπίδραση ευγενών αερίων με πολλών-κύκλων υπέρυθρου (IR) παλμού. Ο παλμός αυτός έχει χρονικά διαμορφωμένη ελλειπτικότητα στην πόλωση μέσω της χρήσης μιας συμπαγούς και μονού κλάδου συσκευής “gating” (CMC-PG). Η συσκευή “gating” (CMC-PG) παρέχει τη δυνατότητα διαμόρφωσης ενός πολλών-κύκλων υπέρυθρου (IR) παλμού λέηζερ κατά τρόπον ώστε η γένεση του μακρού υπεριώδους να αναστέλλεται κατά το μεγαλύτερο μέρος της χρονικής διάρκειας του παλμού και να λαμβάνει χώρα μόνο μέσα σε ένα βραχύ χρονικό διάστημα υψηλού ενεργειακού περιεχομένου• την λεγόμενη “πύλη” (gate). Έτσι η γένεση της ακτινοβολίας μακρού υπεριώδους περιορίζεται μέσα σε αυτή την “πύλη” (gate), το εύρος της οποίας εκτιμάται και βρίσκεται πως είναι σε συμφωνία με τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Το φασματικό εύρος της παραγόμενης ακτινοβολίας μακρού υπεριώδους είναι ικανό να υποστηρίξει τη δημιουργία μονήρων υπερβραχέων παλμών διάρκειας 200 asec (asec = 10⁻¹⁸ δευτερόλεπτα). Η απλότητα, η σύμπηξη των λειτουργικών μερών της σε μικρό χώρο, η μακράς διάρκειας σταθερότητά της, καθώς και το μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο εντός της “πύλης”, καθιστούν την εν λόγω συσκευή “gating” (CMC-PG) ένα ιδανικό εργαλείο για την παραγωγή μονήρων παλμών με διάρκεια μικρότερη του fsec (fsec = 10⁻¹⁵ δευτερόλεπτα).