Metalik nano yapılar civarında tek elektronlu iyonlardan oluşan gaz hedeflerden üretilen yüksek mertebeli harmonik spektrumda çift mertebeli harmoniklerin bastırılması
Supression of even-harmonics of high harmonic generation by gas targets which formed single electrons in the metallic nanostructures
Yazar: SALİH DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. ZİKRİ ALTUN ; DOÇ. DR. CUMALİ TAV
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yüksek Mertebeli Harmonik Üretim (HHG) süreci belirli bir frekansa sahip ve yeteri derecede şiddetli lazer alanının parçacıkları atom veya molekül olan gaz hedeflerle etkileşmesi sonucu oluşan bir süreçtir.  Lazer alanın şiddet arttıkça etkileştiği atom veya molekülde indirgediği kutuplanma alan genliğinin artan oranda kuvvetlerine bağlı hale gelerek HHG sürecini lineer olmayan bir sürece dönüştürür. HHG, literatürde "three step model" olarak bilinen yarı-klasik model çerçevesinde açıklanabilir. Bu model özü itibariyle üç basamaktan oluşmaktadır. Sürecin ilk basamağı iyonlaşma süreci olarak bilinir. İyonlaşma basamağı lazer alanın etkisiyle hedef atomdaki bir elektronun iyonlaşması şeklinde anlaşılmalıdır. Sürecin ikinci basamağında serbest kalan elektron lazer alanının çevrim periyodunun ilk yarısında bir yöne, ikinci yarısında ise bunun tersi yönde hızlandırılarak hareket ettirilir.  Elektronun lazer alanındaki ivmeli sürüklenme hareket yönü iyonlaştığı atomik sisteme doğru olursa elektron bu sistemle yeniden birleşebilir veya bu sistemden saçılarak ortamdan uzaklaşabilir.  Elektronun iyonlaştığı atomik sistemle yeniden birleşmesi üç adım modelinin son basamağını oluşturur.  Bu son basamakta elektronun lazer alanını ile etkileşmesi sonucu kazandığı enerjinin çevreye frekansı lazer alan frekansının tek tam sayı katlarına eşit frekansta fotonların yayılmasını sağlar. HHG süreci ile üretilen harmonik frekanslar optik bölgeden aşırı ultraviyole frekans bölgesine kadar uzanan geniş bir aralıkta olmaktadır.
HHG yöntemiyle ottosaniyeli (1 ottosaniye = 10-18 saniye) atmaların üretilebilmesi mümkündür. Bu tür atmaların zaman aralıkları atomik boyutlarda gözlenen pek çok sürecin doğal zaman ölçeği ile örtüşmektedir. Bu durum atom, molekül ve katılarda gözlenen dinamik süreçlerin zaman çözünürlü araştırılmasının kapısını açmıştır.
HHG spektrumundaki kesme frekansını büyüterek daha kısa dalga boylu atma üretimi son zamanlarda önemli bir araştırma konusu olarak ortaya çıkmıştır. Harici lazer alan etkisiyle metal nano yapıların yüzeylerinde oluşturulan yüzey plazmon rezonans etkisiyle, bu yapılar civarına konumlandırılmış gazlardan üretilebilen HHG spektrumlarına ait kesme frekanslarını daha büyük değerlere taşımak mümkündür. Biz bu tezimizde papyon (bow-tie) şeklinde hazırlanmış metalik nano yapılar arasına yerleştirilmiş farklı türden tek elektronlu atom ve iyonların şiddetli lazer alanıyla etkileştirilmeleri sonucu üretilen harmonik spektrumu inceledik. Bu çalışmanın temel amacı lazer alanının etkisiyle metalik nano parçacıkların yüzeylerinde oluşan plazmonların harmonik spektruma etkisini ortaya koymaktır. Lazer alanıyla plazmonlar arasındaki etkileşme gaz parçacıklarının bulunduğu ortamda uzay değişimi düzgün olmayan şiddeti hayli artmış ortak bir alanın oluşmasına neden olur. Zamana bağlı Schrödinger dalga denklemi bu ortak alanda çözülerek H atomu ve He^+ve Li^(++) iyonları için harmonik spektrum elde edilmiştir. Plazmonik etkinin, harmonik spektruma ait kesilme eşiğini ciddi anlamda beklentilere uygun şekilde kaydırdığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
When a sufficiently intense laser field with a definite frequency interacts with atoms or molecules in gas phase, they emit energetic photons. This process is called High Order Harmonic Generation (HHG). When an intense laser field interacts with the atoms or molecules, it induces dipole moments. As the intensity of the laser filed increases, the dependence of these dipole moments on the electric field component of the laser field becomes nonlinear, thus renders the HHG process nonlinear. HHG processes can be explained by a semi-classical model so called as "three step model" in litterateur. This model essentially consists of three steps. The first step of this model is known as the ionization processes. The ionization process in here should be understood as the ionization of the electron due to the interaction of the laser field with the target atom or the molecule. In the second step of this model, the freed electron at the end of the first step is accelerated outwards by the electric field component of the laser field in the first half cycle of the period of the laser field. In the second half cycle of the period of the laser field, the electron is accelerated in the opposite direction. If the accelerated drift of the electron in the laser field is towards the parent atom or the molecule, the electron can either recombine or scatter off the system. The recombination of the electron with the parent atom or the molecule comprises the third step of this model. At the end of the second the step, the electron becomes very energetic due to the interaction with the laser field. When the electron recombines with the parent atom or the molecule, it releases its excess energy by emitting photons with frequencies of odd integer multiples of the frequency of the laser field. The wide range of the frequencies of the photons emitted by the electron in the recombination processes of HHG varies from optical region to extreme ultraviolet region.
HHG process enables the generation of laser pulses at the order of attoseconds (1 attosecond = 〖10〗^(-18) s) . This time scale of the laser pulses generated by the HHG process overlaps with the natural time scale of many atomic processes. This enables the high resolution time scale research of many observed dynamical processes of atoms, molecules, and solids. 
The short wavelength laser pulse generation by extending the cutoff frequency of HHG spectrum has become an important subject of research. It is possible to extend the cutoff frequency of HHG by coupling the laser field with the resonant plasmonic field generated by the interaction of the laser field with the metallic nanostructures located at the vicinity of the target atoms or molecules. In this work, we investigated the high harmonic generation from single electron ions located at the vicinity of metallic nanostructures in the shape of bow-tie (as a result of the interaction with the intense laser field). The main purpose of this work is to investigate the effect of resonant plasmonic, field due to the interaction of the laser field with the metallic nanostructures, on the high harmonic generation process. The coupling of the laser field with the resonant plasmonic field generates a spatially inhomogeneous common field.  The time dependent Schrodinger equation is solved numerically in the common field and high harmonic spectra for H, He^+ and Li^(++) is obtained. It is observed that the plasmonic effect significantly enhances the high harmonic generation and extends the cutoff frequency, as expected.