Driving strong-field dynamics with tailored laser pulses
Creators: name: Bengs, Ulrich
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: Atomphysik
subject: Starkfeldphysik
subject: Stückelberg-Oszillationen
subject: Erzeugung hoher Harmonischer
subject: Atomic physics
subject: strong-field physics
subject: High-harmonic generation
subject: Stückelberg oscillations
subject: 530 Physik

description: Durch fortschreitende Entwicklung im Bereich der Starkfeldphysik und der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten kann die Dynamik von Elektronen induziert durch Laserpulse verschiedener Wellenlängen, komplexen Polarisationseigenschaften, ultrakurzer Dauer und großer Intensität in hohem Umfang kontrolliert und ausgenutzt werden. In dieser Arbeit werden maßgeschneiderte Laserpulse angewendet, um verschiedene Aspekte der atomaren Licht-Materie-Wechselwirkung im Starkfeldbereich zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wird insbesondere die Erzeugung von hohen Harmonischen erforscht, die durch zirkular polarisierte Laserfelder erzeugt werden, wobei das maßgeschneiderte Feld aus einem zirkular polarisierten Infrarotpuls und seiner zweiten Harmonischen mit entgegengesetzter zirkularer Polarisation besteht. Die Polarisation von zirkularen hohen Harmonischen wird mittels spektral aufgelöster Polarimetrie unter Verwendung eines selbst entwickelten Polarimeters gemessen und ein Verfahren vorgestellt, mit dem der Stokes-Vektor der hoch zirkular polarisierten Harmonischen vollständig rekonstruiert werden kann. Darüber hinaus wird zum ersten Mal gezeigt, dass das bizirkulare Schema auch auf erzeugende Laserpulse weniger Zyklen erweiterbar ist. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Starkfeldanregung eines Atoms durch einen intensiven Laserpuls. Da die ponderomotorische Verschiebung eines ausreichend intensiven Laserpulses eine resonante Anregung eines durch den Stark-Effekt verschobenen Atomzustands sowohl an der Vorder- als auch an der Rückflanke des Pulses bewirkt, diktiert die fundamentale Quantenmechanik, dass die an diesen Instanzen angeregten Elektronenwellenpakete interferieren müssen. Durch Variation der Verzögerung zwischen den Instanzen kann ein Interferenzmuster beobachtet werden, das als Stückelberg-Oszillationen bekannt ist und wertvolle Informationen über die Ionisierungsrate stark angeregter atomarer Zustände enthält.
description: As our fundamental understanding of strong-field physics and laser technology have matured in the last few decades, we are able to control and exploit electron dynamics using laser pulses of multiple colors, complex polarization properties, ultrashort duration and high intensity. This thesis makes use of such tailored laser fields to study different aspects of atomic light-matter interaction within the strong-field regime. Particularly, the first part of the thesis explores high-harmonic generation driven by circularly polarized driving fields, where the tailored field is composed of a circularly polarized infrared pulse and its second harmonic with opposite circular polarization, often denoted as 'bicircular' driving field. We measure the polarization of bicircularly generated harmonics by means of spectrally resolved polarimetry using a self-developed polarimeter and present a scheme, which allows to fully reconstruct the Stokes vector of the highly circularly polarized harmonics. We further demonstrate for the first time, that the bicircular scheme is also applicable within the regime of few-cycle driving pulses. Applying driving fields containing only a few carrier oscillations, we present the generation of a broadband harmonic spectrum with highly elliptically polarized spectral content, supporting the generation of an isolated attosecond pulse. The second part of the thesis focuses on strong-field excitation of an atom by an intense laser pulse. When the ponderomotive shift of a sufficiently intense laser pulse induces resonant excitation of a Stark-shifted atomic state at both the leading and trailing edge of the pulse, fundamental quantum mechanics dictates that the electron wave packets excited at these instances must interfere. By varying the delay between the instances, we observe the interference pattern known as Stückelberg oscillations which holds valuable information about the ionization rate of strongly driven atomic states.