Time-resolved studies of neutral and ionized Na_n clusters with femtosecond light pulses

The real-time dynamics of Na_n (n=3-21) cluster multiphoton ionization and fragmentation has been studied in beam experiments applying femtosecond pump-probe techniques in combination with ion and electron spectroscopy. Three dimensional wave packet motions in the trimer Na_3 ground state X and excited state B have been observed. We report the first study of cluster properties (energy, bandwidth and lifetime of intermediate resonances Na_n^*) with femtosecond laser pulses. The observation of four absorption resonances for the cluster Na_8 with different energy widths and different decay patterns is more difficult to interpret by surface plasmon like resonances than by molecular structure and dynamics. Timeresolved fragmentation of cluster ions Na_n^+ indicates that direct photo-induced fragmentation processes are more important at short times than the statistical unimolecular decay.

Femtosecond time-resolved wave packet motion in molecular multiphoton ionization and fragmentation

The dynamics of molecular multiphoton ionization and fragmentation of a diatomic molecule (Na_2) have been studied in molecular beam experiments. Femtosecond laser pulses from an amplified colliding-pulse mode-locked (CPM) ring dye laser are employed to induce and probe the molecular transitions. The final continuum states are analyzed by photoelectron spectroscopy, by ion mass spectrometry and by measuring the kinetic energy of the formed ionic fragments. Pump-probe spectra employing 70-fs laser pulses have been measured to study the time dependence of molecular multiphoton ionization and fragmentation. The oscillatory structure of the transient spectra showing the dynamics on the femtosecond time scale can best be understood in terms of the motion of wave packets in bound molecular potentials. The transient Na_2^+ ionization and the transient Na^+ fragmentation spectra show that contributions from direct photoionization of a singly excited electronic state and from excitation and autoionization of a bound doubly excited molecular state determine the time evolution of molecular multiphoton ionization.

Femtosecond time-resolved molecular multiphoton ionization: the Na_2 system

We report here the first experimental study of femtosecond time-resolved molecular multiphoton ionization. Femtosecond pump-probe techniques are combined with time-of-flight spectroscopy to measure transient ionization spectra of Na_2 in a molecular-beam experiment. The wave-packet motions in different molecular potentials show that incoherent contributions from direct photoionization of a singly excited state and from excitation and autoionization of a bound doubly excited molecular state determine the observed transient ionization signal.

Femtosecond time-resolved molecular multiphoton ionization and fragmentation of Na_2

We present a comparison between experimental and theoretical results for pump/probe multiphoton ionizing transitions of the sodium dimer, initiated by femtosecond laser pulses. It is shown that the motion of vibrational wavepackets in two electronic states is probed simultaneously and their dynamics is reflected in the total Na^+_2 ion signal which is recorded as a function of the time delay between pump and probe pulse. The time dependent quantum calculations demonstrate that two ionization pathways leading to the same final states of the molecularion exist: one gives an oscillating contribution to the ion signal, the other yields a constant background. From additional measurements of the Na^+ -transient photofragmentation spectrum it is deduced that another ionization process leading to different final ionic states exists. The process includes the excitation of a doubly excitedbound Rydberg state. This conclusion is supported by the theoretical simulation.

Femtosecond real-time probing of reactions. 12. Vectorial dynamics of transition states

Femtosecond time-resolved techniques with KETOF (kinetic energy time-of-flight) detection in a molecular beam are developed for studies of the vectorial dynamics of transition states. Application to the dissociation reaction of IHgI is presented. For this system, the complex [I---Hg---I](++)* is unstable and, through the symmetric and asymmetric stretch motions, yields different product fragments: [I---Hg---I](++)* -> HgI(X^2/sigma^+) + I(^2P_3/2) [or I*(^2P_l/2)] (1a); [I---Hg---I](++)* -> Hg(^1S_0) + I(^2P_3/2) + I(^2P_3/2) [or I* (^2P_1/2)] (1 b). These two channels, (1a) and (1b), lead to different kinetic energy distributions in the products. It is shown that the motion of the wave packet in the transition-state region can be observed by MPI mass detection; the transient time ranges from 120 to 300 fs depending on the available energy. With polarized pulses, the vectorial properties (transition moments alignment relative to recoil direction) are studied for fragment separations on the femtosecond time scale. The results indicate the nature of the structure (symmetry properties) and the correlation to final products. For 311-nm excitation, no evidence of crossing between the I and I* potentials is found at the internuclear separations studied. (Results for 287-nm excitation are also presented.) Molecular dynamics simulations and studies by laser-induced fluorescence support these findings.

Femtosecond probing of sodium cluster ion Na_n ^+ fragmentation

We report on the first femtosecond time-resolved experiments in cluster physics. The photofragmentation dynamics of small sodium cluster ions Na_n ^+ have been studied with pump-probe techniques. Ultrashort laser pulses of 60-fs duration are employed to photoionize the sodium clusters and to probe the photofragments. We find that the ejection of neutral dimer Na_2 and, observed for the first time, neutral trimer Na_3 photofragments occur on ultrashort time scales of 2.5 and 0.4 ps, respectively. This and the absence of cluster heating reveals that direct photoinduced fragmentation processes are important at short times rather than the statistical unimolecular decay.

Femtosecond dynamics of molecular and cluster ionization and fragmentation

The real-time dynamics of molecular (Na_2 . Na_3) and cluster Na_n (n=4-2l) multiphoton ionization and -fragmentation has been studied in beam experiments applying femtosecond pump-probe techniques in combination with ion and electron spectroscopy. Wave packet motion in the dimer Na_2 reveals two independent multiphoton ionization processes while the higher dimensional motion in the trimer Na_3 reflects the chaotic vibrational motion in this floppy system. The first studies of cluster properties (energy, bandwidth and lifetime of intermediate resonances Na^*_n) ) with femtosecond laser pulses give a striking illustration of the transition from "molecule-like" excitations to "surfaceplasma"-like resonances for increasing cluster sizes. Time-resolved fragmentation of cluster ions Na_n^* indicate that direct photo-induced fragmentation processes are more important at short times than the statistical unimolecular decay.

Femtosecond two-photon ionization spectroscopy of the B state of Na_3 clusters

We report time-resolved experiments studying the dynamics of the Na_3 B-X system. Femtosecond pump-probe techniques combined with ion time-of-flight (TOF) and zero kinetic energy (ZEKE) photoelectron spectroscopy allow us to observe the three-dimensional wavepacket motion in the excited Na_3 B state and in the Na_3 X state. The ground state wavepacket is induced by stimulated emission pumping during the pump pulse. The X-state dynamics is dominated by the three vibrational modes of the Na_3. Furthermore we observed pseudorotational wavepacket motion in the B state. We do not observe a fragmentation of the B state within a time interval of 10 ps.

Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation

Der Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse selbsterregter Strömungsphänomene und das dafür notwendige Auswerteverfahren werden in dieser Arbeit beschrieben. Zur Untersuchung von solchen Mechanismen, die in Turbo-Verdichtern als Rotierende Instabilitäten in Erscheinung treten, wird auf Datensätze zurückgegriffen, die anhand experimenteller Untersuchungen an einem ringförmigen Verdichter-Leitrad gewonnen wurden. Die Rotierenden Instabilitäten sind zeitabhängige Strömungsphänomene, die bei hohen aerodynamischen Belastungen in Verdichtergittern auftreten können. Aufgrund der fehlenden Phaseninformation kann diese instationäre Strömung mit konventionellen PIV-Systemen nicht erfasst werden. Die Kármánsche Wirbelstraße und Rotierende Instabilitäten stellen beide selbsterregte Strömungsvorgänge dar. Die Ähnlichkeit wird genutzt um die Funktionalität des Verfahrens anhand der Kármánschen Wirbelstraße nachzuweisen. Der mittels PIV zu visualisierende Wirbeltransport erfordert ein besonderes Verfahren, da ein externes Signal zur Festlegung des Phasenwinkels dieser selbsterregten Strömung nicht zur Verfügung steht. Die Methodik basiert auf der Kopplung der PIV-Technik mit der Hitzdrahtanemometrie. Die gleichzeitige Messung mittels einer zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messung ermöglicht den Zeitpunkten der PIV-Bilder einen Phasenwinkel zuzuordnen. Hierzu wird das Hitzdrahtsignal mit einem FFT-Verfahren analysiert, um die PIV-Bilder entsprechend ihrer Phasenwinkel zu gruppieren. Dafür werden die aufgenommenen Bilder auf der Zeitachse der Hitzdrahtmessungen markiert. Eine systematische Analyse des Hitzdrahtsignals in der Umgebung der PIV-Messung liefert Daten zur Festlegung der Grundfrequenz und erlaubt es, der markierten PIV-Position einen Phasenwinkel zuzuordnen. Die sich aus den PIV-Bildern einer Klasse ergebenden Geschwindigkeitskomponenten werden anschließend gemittelt. Aus den resultierenden Bildern jeder Klasse ergibt sich das zweidimensionale zeitabhängige Geschwindigkeitsfeld, in dem die Wirbelwanderung der Kármánschen Wirbelstraße ersichtlich wird. In hierauf aufbauenden Untersuchungen werden Zeitsignale aus Messungen in einem Verdichterringgitter analysiert. Dabei zeigt sich, dass zusätzlich Filterfunktionen erforderlich sind. Im Ergebnis wird schließlich deutlich, dass die Übertragung der anhand der Kármánschen Wirbelstraße entwickelten Methode nur teilweise gelingt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Spatio-temporal resolution studies on a highly compact ultrafast electron diffractometer

Time-resolved diffraction with femtosecond electron pulses has become a promising technique to directly provide insights into photo induced primary dynamics at the atomic level in molecules and solids. Ultrashort pulse duration as well as extensive spatial coherence are desired, however, space charge effects complicate the bunching of multiple electrons in a single pulse.Weexperimentally investigate the interplay between spatial and temporal aspects of resolution limits in ultrafast electron diffraction (UED) on our highly compact transmission electron diffractometer. To that end, the initial source size and charge density of electron bunches are systematically manipulated and the resulting bunch properties at the sample position are fully characterized in terms of lateral coherence, temporal width and diffracted intensity.Weobtain a so far not reported measured overall temporal resolution of 130 fs (full width at half maximum) corresponding to 60 fs (root mean square) and transversal coherence lengths up to 20 nm. Instrumental impacts on the effective signal yield in diffraction and electron pulse brightness are discussed as well. The performance of our compactUEDsetup at selected electron pulse conditions is finally demonstrated in a time-resolved study of lattice heating in multilayer graphene after optical excitation.