Atome in starken Laserfeldern

Wenn die Stärke eines Laserfeldes mit der Stärke der Felder vergleichbar wird, die Elektronen in einem Atom binden, bricht die Störungstheorie zusammen, und nicht-perturbative Prozesse wie die Ionisation oberhalb der Schwelle und die Erzeugung hoher Harmonischer treten auf.

Definition

Atome in starken Laserfeldern ist die Untersuchung der atomaren Ionisation und Emission, wenn das oszillierende elektrische Feld des Lasers intensiv genug ist, dass die Reaktion des Atoms nicht-perturbativ ist, sodass das Feld das bindende Coulomb-Potenzial innerhalb eines optischen Zyklus erheblich verzerrt oder unterdrückt.

Scope

Dieses Thema behandelt das Verhalten von Atomen in intensiven Laserfeldern: den Übergang von der Multiphotonen- zur Tunnelionisation, charakterisiert durch den Keldysh-Parameter, die Ionisation oberhalb der Schwelle, bei der ein Elektron mehr Photonen absorbiert, als zur Ionisation benötigt werden, das Drei-Schritte-Rekollisionsmodell und die Erzeugung hoher Harmonischer, die kohärente Extrem-Ultraviolett- und Attosekundenpulse erzeugt. Es behandelt den Bereich, in dem das Laserfeld mit dem internen Coulomb-Feld konkurriert.

Core questions

• Wann kann die Laser-Atom-Wechselwirkung nicht mehr durch die Störungstheorie beschrieben werden?
• Was unterscheidet die Multiphotonenionisation von der Tunnelionisation?
• Wie erzeugt ein Elektron, das zu seinem Mutterion zurückkehrt, hohe Harmonische?
• Wie erzeugen Starkfeldprozesse Attosekundenlichtpulse?

Key concepts

• Keldysh-Parameter
• Multiphotonenionisation
• Tunnelionisation
• Ionisation oberhalb der Schwelle
• Drei-Schritte-Rekollisionsmodell
• Erzeugung hoher Harmonischer und Attosekundenpulse

Key theories

Keldysh-Theorie der Starkfeldionisation

Keldysh führte einen Parameter ein, der die Laserfrequenz mit einer Tunnelrate vergleicht und das Multiphotonenregime, in dem die Ionisation durch Absorption vieler Photonen erfolgt, vom Tunnelregime trennt, in dem das Feld die Potenzialbarriere ausreichend biegt, damit das Elektron heraustunneln kann.

Drei-Schritte-Rekollisionsmodell

Corkums Modell beschreibt die Starkfeldemission als Tunnelionisation, Beschleunigung des freigesetzten Elektrons im Laserfeld und Rekollision mit dem Mutterion, das rekombinieren kann, um ein hochenergetisches Photon zu emittieren und so hohe Harmonische zu erzeugen.

Clinical relevance

Starkfeldprozesse sind die Grundlage der Attosekundenwissenschaft: Die Erzeugung hoher Harmonischer liefert kohärente Extrem-Ultraviolett- und Attosekundenlichtquellen, die zur Filmung der Elektronenbewegung in Materie verwendet werden, und die Starkfeldionisation liegt der Laserfilamentierung sowie der intensiven Laserbearbeitung und -diagnostik zugrunde.

History

Keldysh's Theorie von 1965 formulierte die Starkfeldionisation, bevor intensive Laser existierten, um sie zu testen. Multiphotonen- und Ionisation oberhalb der Schwelle wurden beobachtet, als Laser in den 1970er und 1980er Jahren leistungsfähiger wurden; die Erzeugung hoher Harmonischer, erklärt durch Corkums Rekollisionsmodell von 1993, eröffnete dann die Attosekundenwissenschaft, die mit dem Physik-Nobelpreis 2023 gewürdigt wurde.

Key figures

• Leonid Keldysh
• Paul Corkum
• Anne L'Huillier
• Ferenc Krausz

Seminal works

• keldysh1965
• corkum1993
• krausz2009

Frequently asked questions

Was sagt der Keldysh-Parameter aus?

Der Keldysh-Parameter vergleicht die Zeit, die ein Elektron benötigen würde, um durch die unterdrückte Barriere zu tunneln, mit der optischen Periode des Lasers. Ein Wert, der wesentlich größer als eins ist, weist auf das Multiphotonenregime hin, während ein Wert, der wesentlich kleiner als eins ist, auf das Tunnelregime hinweist.

Wie erzeugt die Starkfeldphysik Attosekundenpulse?

Bei der Erzeugung hoher Harmonischer kollidieren Elektronen einmal pro optischer Halbperiode mit ihren Mutterionen und emittieren dabei Bursts von Extrem-Ultraviolett-Licht. Die Kombination vieler Harmonischer erzeugt Pulse, die nur Attosekunden dauern, kurz genug, um die Elektronendynamik aufzulösen.