Ultraschnelle atomare Anregung in starken Laserfeldern

  • 01. February 2017

Wellen- und Teilchenbild als komplementäre Beschreibung eines nichtlinearen Prozesses.

Licht kann entweder als elektromagnetische Welle oder als ein Strom von Photonen aufge­fasst werden. In einer Studie zur ultra­schnellen Anregung von Atomen in intensiven Laser­feldern gelang es Forschern, die beiden Erklä­rungs­bilder für die Wechsel­wirkung von Materie mit inten­siver Laser­strahlung auf einen zugrunde liegenden nicht­linearen Prozess zurück­zuführen und aufzu­zeigen, wie beide Bilder inein­ander über­führt werden können. Die Arbeit zeigt verbes­serte und neue Wege zur genauen Bestim­mung der Laser­inten­sität und zur laser­inten­sitäts­abhän­gigen Steue­rung der kohä­renten Zustands­besetzung atomarer Niveaus auf.

Anregung

Abb.: Ausbeute an angeregten Atomen als Funktion der Laser­inten­sität. (Bild: MBI)

Obwohl mit dem Keldysh-Parameter bereits in den 1960er Jahren eine klare Unter­scheidung zwischen dem Multi­photonen- und dem Tunnel­bild vorge­nommen wurde, ist es eine offene Frage geblieben, ob die beiden schein­bar unver­ein­baren Ansätze inein­ander über­führt werden können, insbe­sondere bei der Beschrei­bung der Anre­gung von Atomen durch inten­sive Laser­felder. Der Multi­photonen­charakter äußert sich beispiels­weise im Auf­treten reso­nanter Erhö­hungen in der Anregung, sobald ein ganz­zahliges Viel­faches der Photonen­energie der Anre­gungs­energie atomarer Zustände ent­spricht. Man muss jedoch berück­sich­tigen, dass sich die atomaren Niveaus mit zuneh­mender Laser­inten­sität zu höheren Energien ver­schieben. Das führt dazu, dass auch bei fest­gehal­tener Frequenz der Laser­strahlung reso­nante Effekte durch eine Erhöhung der Laser­inten­sität auf­treten. Diese erfolgen perio­disch immer dann, wenn die Energie­verschie­bung der Niveaus um eine Photonen­energie zuge­nommen hat. Diese Bereiche werden als „channel closing“ bezeichnet“, als Abschluss eines Multi­photonen­pro­zesses mit fester Photonen­zahl, da gleich­zeitig mit der erhöhten Anregung die Ioni­sation unter­drückt wird.

Im Tunnelbild wird das Laserfeld als elektromagnetische Welle betrachtet, von der nur das oszil­lie­rende elek­trische Feld berück­sich­tigt wird. Anregung kann dabei als ein Prozess ver­standen werden, bei dem das gebun­dene Elektron zunächst durch einen Tunnel­prozess in der Nähe des Maximums eines Feld­zyklus instantan freige­setzt wird. Das Elektron nimmt aber in vielen Fällen nicht genügend Drift­energie aus der Oszil­lation im Laser­feld auf, um sich am Ende des Laser­pulses aus dem Coulomb­feld seines Rumpf­ions zu befreien, was zur Ionisa­tion des Atoms führen würde. Statt­dessen findet es sich in einem ange­regten Rydberg­zustand wieder. Im Tunnel­bild sind keine reso­nanten Effekte in der Anre­gung möglich, da das Laser­feld für den Tunnel­prozess als statisch ange­nommen wird und dadurch die Frequenz des Lichtes zunächst uner­heblich ist.

In der Studie wurde nun erstmalig die Ausbeute an angeregten Argon- und Neon­atomen als Funktion der Laser­inten­sität sowohl im Multi­photonen- als auch im Tunnel­bereich direkt gemessen. Im Multi­photonen­bereich wurden ausge­prägte reso­nante Erhö­hungen in der Anre­gungs­wahr­schein­lich­keit detek­tiert, insbe­sondere in der Nähe der regel­mäßigen „channel closings“, während im Tunnel­bereich die Anre­gungs­wahr­schein­lich­keit keine reso­nanten Struk­turen mehr zeigt. Aller­dings konnte Anre­gung auch bei hohen Laser­inten­si­täten jenseits der Inten­sitäts­schwelle zur voll­ständigen Ioni­sation beob­achtet werden.

Die numerische Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung zur Beschrei­bung der unter­suchten Atome im starken Laser­feld führte in beiden Bereichen zu einer exzel­lenten Über­ein­stimmung der Theorie mit den experi­men­tellen Daten. Eine genauere Analyse der Ergeb­nisse zeigt, dass man die beiden Bilder als eine komple­mentäre Beschrei­bung im Frequenz- und Zeit­raum von ein und dem­selben nicht­linearen Prozess ansehen kann. Im Zeit­bild betrach­tet kann man annehmen, dass in den Maxima der Feld­zyklen perio­disch Elektronen­wellen­pakete erzeugt werden. Im Multi­photonen­bereich zeigt sich, dass diese Wellen­pakete haupt­säch­lich im Laser­puls­maximum erzeugt werden und nur dann genau kon­struktiv inter­ferieren, wenn die Inten­sität in der Nähe der „channel closings“ liegt. Damit ergeben sich reguläre Erhö­hungen in der Anre­gungs­wahr­schein­lich­keit jeweils quasi im Abstand der Photonen­energie. Im Tunnel­bereich werden die Wellen­pakete zwar auch perio­disch bei den Maxima der Feld­zyklen erzeugt, aller­dings haupt­säch­lich im anstei­genden Teil des Laser­pulses, sodass sie irre­gulär inter­ferieren, was zu einem irregu­lären Verhalten in der Anre­gungs­wahr­schein­lich­keit führt. Diese weniger ausge­prägten schnellen Ände­rungen werden im Experi­ment nicht auf­gelöst und daher ein glattes Anre­gungs­spektrum detek­tiert.

FVB / RK

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