Temporal Narrowing of Neutrons Produced by High-Intensity Short-Pulse Lasers

The production of neutron beams having short temporal duration is studied using ultraintense laser pulses. Laser-accelerated protons are spectrally filtered using a laser-triggered microlens to produce a short duration neutron pulse via nuclear reactions induced in a converter material (LiF). This produces a similar to 3 ns duration neutron pulse with 10(4) n/MeV/sr/shot at 0.56 m from the laser-irradiated proton source. The large spatial separation between the neutron production and the proton source allows for shielding from the copious and undesirable radiation resulting from the laser-plasma interaction. This neutron pulse compares favorably to the duration of conventional accelerator sources and should scale up with, present and future, higher energy laser facilities to produce brighter and shorter neutron beams for ultrafast probing of dense materials.

Picosecond metrology of laser-driven proton bursts

Tracking primary radiation-induced processes in matter requires ultrafast sources and high precision timing. While compact laser-driven ion accelerators are seeding the development of novel high instantaneous flux applications, combining the ultrashort ion and laser pulse durations with their inherent synchronicity to trace the real-time evolution of initial damage events has yet to be realized. Here we report on the absolute measurement of proton bursts as short as 3.5±0.7 ps from laser solid target interactions for this purpose. Our results verify that laser-driven ion acceleration can deliver interaction times over a factor of hundred shorter than those of state-of-the-art accelerators optimized for high instantaneous flux. Furthermore, these observations draw ion interaction physics into the field of ultrafast science, opening the opportunity for quantitative comparison with both numerical modelling and the adjacent fields of ultrafast electron and photon interactions in matter.

Vector flow mapping using plane wave ultrasound imaging

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée.

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

Spectroscopie ultrarapide cohérente et non linéaire dans les semiconducteurs organiques

Nous avons étudié la cohérence excitonique dans le poly[N- 9’-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole] (PCDTBT). À l’aide d’un modulateur spatial de lumière, nous avons forgé des impulsions lasers ultracourtes permettant de sonder les cohérences du système. Nous nous sommes concentrés sur les propriétés cohérentes des états excitoniques, soit le singulet et l’état à transfert de charge. Nous avons observé que 35 fs après l’excitation, le singulet et l’état à transfert de charge sont toujours cohérents. Cette cohérence se mesure à l’aide de la visibilité qui est de respectivement environ 10% et 30%. De plus, nous avons démontré que les mécanismes permettant de générer du photocourant dans de tels dispositifs photovoltaïques ne sont déjà plus cohérents après 35 fs. Ces mesures révèlent une visibilité inférieure à 3%, ce qui est en deçà de la précision de nos instruments. Nous concluons donc que les états à transfert de charge ne sont pas les états précurseurs à la génération de photocourant, car ceux-ci se comportent très différemment dans les mesures de cohérences.

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.

Molecular photochemistry with femtosecond laser pulses

Femtosecond laser pulses generated from an amplified coiliding pulse modelocked ring dye laser have been employed in molecular beam experiments to study the dynamics and the pathways of multiphoton induced ionization, autoionization and fragmentation of Na2 . Energy distributions of photoelectrons arising from these processes and the mass and released kinetic energy of the corresponding fragment ions are measured by time-of-flight spectroscopy.

Femtosecond dynamics of molecules and clusters

The real-time dynamics of multiphoton ionization and fragmentation of molecules - Na_2 , Na_3 - and clusters - Na_n, Hg_n - has been studied in molecular beam experiments employing ion and electron spectroscopy together with femtosecond pump-probe techniques. Experiments with Na_2 and Na_3 reveal unexpected features of the dynamics of the absorption of several photons as seen in the one- and three dimensional vibrational wave packet motion in different potential surfaces and in high laser fields. Cluster size dependent studies of physical properties such as absorption resonances, lifetimes and decay channels have been performed using tunable femtosecond light pulses in resonance enhanced multiphoton ionization (REMPI) of the cluster size under investigation. This method failed in ns-laser experiments due to the ultrafast decay of the studied cluster. For Na_n, cluster we find that for cluster sizes n \le 21 molecular excitations and properties prevail over collective excitations of plasmon-like resonances. In the case of Hg_n cluster prompt formation of singly and doubly charged cluster are observed up to n \approx 60. The transient multiphoton ionization spectra show a 'short' time wave packet dynamics, which is identical for singly and doubly charged mercury clusters while the 'long' time fragmentation dynamics is different.

Femtosecond real-time probing of reactions

Femtosecond reaction dynamics of OClO in a supersonic molecular beam are reported. The system is excited to the A^2A_2 state with a femtosecond pulse, covering a range of excitation in the symmetric stretch between v_1 = 17 to v_1 = 11 (308-352 nm). A time-delayed femtosecond probe pulse ionizes the OClO, and OClO^+ is detected. This ion has not been observed in previous experiments because of its ultrafast fragmentation. Transients are reported for the mass of the parent OClO as well as the mass of the ClO. Apparent biexponential decays are observed and related to the fragmentation dynamics: OClO+hv \rightarrow (OClO)^{(++)*} \rightarrow ClO+O \rightarrow Cl+O_2. Clusters of OClO with water (OClO)_n (H_2 0)_m with n from 1 to 3 and m from 0 to 3 are also observed. The dynamics of the fragmentation reveal the nuclear motions and the electronic coupling between surfaces. The time scale for bond breakage is in the range of 300-500 fs, depending on v_1; surface crossing to form new intermediates is a pathway for the two channels of fragmentation: ClO+O (primary) and Cl+O_2 (minor). Comparisons with results of ab initio calculations are made.

Goldnanoteilchen auf Titandioxid

In dieser Arbeit wurde das Wachstum sowie die ultraschnelle Elektronendynamik des Oberflächenplasmon Polaritons von Goldnanoteilchen auf Titandioxid untersucht. Die Messung der Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons von Nanoteilchen mit definierter Form und Größe erfolgte dabei mit der Methode des spektralen Lochbrennens. Die Nanoteilchen wurden durch Deposition von Goldatomen aus einem thermischen Atomstrahl mit anschließender Diffussion und Nukleation, d.h. Volmer-Weber-Wachstum, auf Titandioxidsubstraten hergestellt und mittels einer Kombination aus optischer Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie systematisch untersucht. Dabei lässt sich das Nanoteilchenensemble durch das mittlere Achsverhältnis und den mittleren Äquivalentradius charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass die Proben große Größen- und Formverteilungen aufweisen und ein definierter Zusammenhang zwischen Größe und Form der Teilchen existiert. Während kleine Goldnanoteilchen nahezu kugelförmig sind, flachen die Teilchen mit zunehmender Größe immer mehr ab. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Methode des lasergestützten Wachstums auf das System Gold auf Titandioxid angewendet. Systematische Untersuchungen zeigten, dass sich das Achsverhältnis der Teilchen durch geeignete Wahl von Photonenenergie und Fluenz des eingestrahlten Laserlichts definiert und gezielt vorgeben lässt. Die Methode des lasergestützten Wachstums erschließt damit den Bereich außerhalb der Zugänglichkeit des natürlichen Wachstums. Aufgrund der Formabhängigkeit der spektrale Lage der Plasmonresonanz ist man somit in der Lage, die optischen Eigenschaften der Nanoteilchen gezielt einzustellen und z.B. für technische Anwendungen zu optimieren. Die Untersuchung der ultraschnellen Elektronendynamik von Goldnanoteilchen auf Titandioxid mit äquivalenten Radien zwischen 8 bis 15 nm erfolgte in dieser Arbeit mit der Methode des spektralen Lochbrennes. Hierzu wurde die Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons systematisch als Funktion der Photonenenergie in einem Bereich von 1,45 bis 1,85 eV gemessen. Es zeigte sich, dass die gemessenen Dephasierungszeiten von 8,5 bis 16,2 fs deutlich unter den in der dielektrischen Funktion von Gold enthaltenen Werten lagen, was den erwarteten Einfluss der reduzierten Dimension der Teilchen demonstriert. Um die Messwerte trotz verschiedener Teilchengrößen untereinander vergleichen und den Einfluss der intrinsischen Dämpfung quantifizieren zu können, wurde zusätzlich der Dämpfungsparameter A bestimmt. Die ermittelten A-Faktoren zeigten dabei eine starke Abhängigkeit von der Plasmonenergie. Für Teilchen mit Plasmonenergien von 1,45 bis 1,55 eV wurde ein Dämpfungsfaktor von A ~ 0,2 nm/fs ermittelt, der lediglich Oberflächenstreuung als dominierenden Dämpfungsmechanismus widerspiegelt. Hingegen wurde für Teilchen mit Plasmonenergien oberhalb von 1,55 eV ein drastischer Anstieg der Dämpfung auf A ~ 0,4 nm/fs beobachtet. Die erhöhte Dämpfung wurde dabei dem zusätzlichen Vorliegen einer chemischen Dämpfung durch das Titandioxidsubstrat zugeschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse somit, dass eine starke Abhängigkeit der chemischen Dämpfung von der Photonenenergie vorliegt. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die chemische Dämpfung erst ab einer bestimmten unteren Schwelle der Photonenenergie einsetzt, die für Goldnanoteilchen auf Titandioxid bei etwa 1,6 eV liegt.

Squeezed thermal phonons precurse nonthermal melting of silicon as a function of fluence

A femtosecond-laser pulse can induce ultrafast nonthermal melting of various materials along pathways that are inaccessible under thermodynamic conditions, but it is not known whether there is any structural modification at fluences just below the melting threshold. Here, we show for silicon that in this regime the room-temperature phonons become thermally squeezed, which is a process that has not been reported before in this material. We find that the origin of this effect is the sudden femtosecond-laser-induced softening of interatomic bonds, which can also be described in terms of a modification of the potential energy surface. We further find in ab initio molecular-dynamics simulations on laser-excited potential energy surfaces that the atoms move in the same directions during the first stages of nonthermal melting and thermal phonon squeezing. Our results demonstrate how femtosecond-laser-induced coherent fluctuations precurse complete atomic disordering as a function of fluence. The common underlying bond-softening mechanism indicates that this relation between thermal squeezing and nonthermal melting is not material specific.

Methods of generating carrier-envelope-phase stabilized, intense, few-cycle laser pulses

Ultrafast laser pulses have become an integral part of the toolbox of countless laboratories doing physics, chemistry, and biological research. The work presented here is motivated by a section in the ever-growing, interdisciplinary research towards understanding the fundamental workings of light-matter interactions. Specifically, attosecond pulses can be useful tools to obtain the desired insight. However access to, and the utility of, such pulses is dependent on the generation of intense, few-cycle, carrier-envelope-phase stabilized laser pulses. The presented work can be thought of as a sort of roadmap towards the latter. From the oscillator which provides the broadband seed to amplification methods, the integral pieces necessary for the generation of attosecond pulses are discussed. A range of topics from the fundamentals to design challenges is presented, outfitting the way towards the practical implementation of an intense few-cycle carrier-envelope-phase stabilized laser source.

Electronic origin of bond softening and hardening in femtosecond-laser-excited magnesium

Many ultrafast structural phenomena in solids at high fluences are related to the hardening or softening of particular lattice vibrations at lower fluences. In this paper we relate femtosecond-laser-induced phonon frequency changes to changes in the electronic density of states, which need to be evaluated only in the electronic ground state, following phonon displacement patterns. We illustrate this relationship for a particular lattice vibration of magnesium, for which we—surprisingly—find that there is both softening and hardening as a function of the femtosecond-laser fluence. Using our theory, we explain these behaviours as arising from Van Hove singularities: We show that at low excitation densities Van Hove singularities near the Fermi level dominate the change of the phonon frequency while at higher excitations Van Hove singularities that are further away in energy also become important. We expect that our theory can as well shed light on the effects of laser excitation of other materials.

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.