Fundamental interactions of molecules (Na_2, Na_3) with intense femtosecond laser pulses

The real-time dynamics of multiphoton ionization and fragmentation of molecules Na_2 and Na_3 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: In Na_2 a second major resonance-enhanced multiphoton ionization (REMPI) process is observed, involving the excitation of two electrons and subsequent electronic autoionization. The possibility of controlling a reaction by controlling the duration of propagation of a wave packet on an electronically-excited surface is demonstrated. In high laser fields, the contributions from direct photoionization and from the second REMPI process to the total ion yield change, due to different populations in the electronic states participating in the multiphoton ionization (MPI) processes. In addition, a vibrational wave packet motion in the electronic ground state is induced through stimulated emission pumping by the pump laser. The 4^1 \summe^+_g shelf state of Na_2 is given as an example for performing frequency spectroscopy of highlying electronic states in the time domain. Pure wave packet effects, such as the spreading and the revival of a vibrational wave packet, are investigated. The three-dimensional wave packet motion in the Na_3 reflects the normal modes in the X and B states, and shows in addition the pseudorotational motion in the B state in real time.

High laser field effects in multiphoton ionization of Na_2

Femtosecond pump/probe multiphoton ionization experiments on Na_2 molecules are performed. The dependence of the total Na^+_2 ion signal on the delay time and the intensity of the femtosecond laser pulses is studied in detail. It is observed that molecular vibrational wavepacket motion in different electronic states dominates the time dependence of the ion signal. For higher laser intensities the relative contributions from the A ^1 \summe^+_u and the 2 ^1 \produkt__g states change dramatically, indicating the increasing importance of a two-electron versus a one-electron process. For even stronger fields (10 ^12 W/ cm²) a vibrational wavepacket in the electronic ground state X ^1 \summe^+_g is formed and its dynamics is also observed in the transient Na^+_2 signal. Time-dependent quantum calculations are presented. The theoretical results agree well with the experiment.

Non-Born-Oppenheimer Dynamics of Hydrogen Molecules in Strong Laser-Fields

Die Arbeit behandelt die numerische Untersuchung von Wasserstoff-Moleküldynamik in starken Laserfeldern. Im Speziellen wird die Struktur von Ionisationsspektren bei Einfach-Photoionisation betrachtet. Korrelationen zwischen Elektron- und Kernbewegung werden identifiziert und mit Effekten in den Energiespektren in Verbindung gebracht. Dabei wird stets auf die Integration der zeitabhängigen Schrödingergleichung zurückgegriffen.

Simulation and Design of a high speed Solid State Switch for Excimer Laser

Excimerlaser sind gepulste Gaslaser, die Laseremission in Form von Linienstrahlung – abhängig von der Gasmischung – im UV erzeugen. Der erste entladungsgepumpte Excimerlaser wurde 1977 von Ischenko demonstriert. Alle kommerziell verfügbaren Excimerlaser sind entladungsgepumpte Systeme. Um eine Inversion der Besetzungsdichte zu erhalten, die notwendig ist, um den Laser zum Anschwingen zu bekommen, muss aufgrund der kurzen Wellenlänge sehr stark gepumpt werden. Diese Pumpleistung muss von einem Impulsleistungsmodul erzeugt werden. Als Schaltelement gebräuchlich sind Thyratrons, Niederdruckschaltröhren, deren Lebensdauer jedoch sehr limitiert ist. Deshalb haben sich seit Mitte der 1990iger Jahre Halbleiterschalter mit Pulskompressionsstufen auch in dieser Anwendung mehr und mehr durchgesetzt. In dieser Arbeit wird versucht, die Pulskompression durch einen direkt schaltenden Halbleiterstapel zu ersetzen und dadurch die Verluste zu reduzieren sowie den Aufwand für diese Pulskompression einzusparen. Zudem kann auch die maximal mögliche Repetitionsrate erhöht werden. Um die Belastung der Bauelemente zu berechnen, wurden für alle Komponenten möglichst einfache, aber leistungsfähige Modelle entwickelt. Da die normalerweise verfügbaren Daten der Bauelemente sich aber auf andere Applikationen beziehen, mussten für alle Bauteile grundlegende Messungen im Zeitbereich der späteren Applikation gemacht werden. Für die nichtlinearen Induktivitäten wurde ein einfaches Testverfahren entwickelt um die Verluste bei sehr hohen Magnetisierungsgeschwindigkeiten zu bestimmen. Diese Messungen sind die Grundlagen für das Modell, das im Wesentlichen eine stromabhängige Induktivität beschreibt. Dieses Modell wurde für den „magnetic assist“ benützt, der die Einschaltverluste in den Halbleitern reduziert. Die Impulskondensatoren wurden ebenfalls mit einem in der Arbeit entwickelten Verfahren nahe den späteren Einsatzparametern vermessen. Dabei zeigte sich, dass die sehr gebräuchlichen Class II Keramikkondensatoren für diese Anwendung nicht geeignet sind. In der Arbeit wurden deshalb Class I Hochspannungs- Vielschicht- Kondensatoren als Speicherbank verwendet, die ein deutlich besseres Verhalten zeigen. Die eingesetzten Halbleiterelemente wurden ebenfalls in einem Testverfahren nahe den späteren Einsatzparametern vermessen. Dabei zeigte sich, dass nur moderne Leistungs-MOSFET´s für diesen Einsatz geeignet sind. Bei den Dioden ergab sich, dass nur Siliziumkarbid (SiC) Schottky Dioden für die Applikation einsetzbar sind. Für die Anwendung sind prinzipiell verschiedene Topologien möglich. Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass nur die C-C Transfer Anordnung die gewünschten Ergebnisse liefern kann. Diese Topologie wurde realisiert. Sie besteht im Wesentlichen aus einer Speicherbank, die vom Netzteil aufgeladen wird. Aus dieser wird dann die Energie in den Laserkopf über den Schalter transferiert. Aufgrund der hohen Spannungen und Ströme müssen 24 Schaltelemente in Serie und je 4 parallel geschaltet werden. Die Ansteuerung der Schalter wird über hochisolierende „Gate“-Transformatoren erreicht. Es zeigte sich, dass eine sorgfältig ausgelegte dynamische und statische Spannungsteilung für einen sicheren Betrieb notwendig ist. In der Arbeit konnte ein Betrieb mit realer Laserkammer als Last bis 6 kHz realisiert werden, der nur durch die maximal mögliche Repetitionsrate der Laserkammer begrenzt war.

Theory of laser-induced ultrafast structural changes in solids

The present thesis is a contribution to the study of laser-solid interaction. Despite the numerous applications resulting from the recent use of laser technology, there is still a lack of satisfactory answers to theoretical questions regarding the mechanism leading to the structural changes induced by femtosecond lasers in materials. We provide here theoretical approaches for the description of the structural response of different solids (cerium, samarium sulfide, bismuth and germanium) to femtosecond laser excitation. Particular interest is given to the description of the effects of the laser pulse on the electronic systems and changes of the potential energy surface for the ions. Although the general approach of laser-excited solids remains the same, the potential energy surface which drives the structural changes is calculated with different theoretical models for each material. This is due to the difference of the electronic properties of the studied systems. We use the Falicov model combined with an hydrodynamic method to study photoinduced phase changes in cerium. The local density approximation (LDA) together with the Hubbard-type Hamiltonian (LDA+U) in the framework of density functional theory (DFT) is used to describe the structural properties of samarium sulfide. We parametrize the time-dependent potential energy surface (calculated using DFT+ LDA) of bismuth on which we perform quantum dynamical simulations to study the experimentally observed amplitude collapse and revival of coherent $A_{1g}$ phonons. On the basis of a time-dependent potential energy surface calculated from a non-orthogonal tight binding Hamiltonian, we perform molecular dynamics simulation to analyze the time evolution (coherent phonons, ultrafast nonthermal melting) of germanium under laser excitation. The thermodynamic equilibrium properties of germanium are also reported. With the obtained results we are able to give many clarifications and interpretations of experimental results and also make predictions.

Highly Sensitive Sensor Based On Intracavity Laser Absorption Spectroscopy By Means of Relative Intensity Noise

This thesis concerns with the main aspects of medical trace molecules detection by means of intracavity laser absorption spectroscopy (ICLAS), namely with the equirements for highly sensitive, highly selective, low price, and compact size sensor. A novel two modes semiconductor laser sensor is demonstrated. Its operation principle is based on the competition between these two modes. The sensor sensitivity is improved when the sample is placed inside the two modes laser cavity, and the competition between the two modes exists. The effects of the mode competition in ICLAS are discussed theoretically and experimentally. The sensor selectivity is enhanced using external cavity diode laser (ECDL) configuration, where the tuning range only depends on the external cavity configuration. In order to considerably reduce the sensor cost, relative intensity noise (RIN) is chosen for monitoring the intensity ratio of the two modes. RIN is found to be an excellent indicator for the two modes intensity ratio variations which strongly supports the sensor methodology. On the other hand, it has been found that, wavelength tuning has no effect on the RIN spectrum which is very beneficial for the proposed detection principle. In order to use the sensor for medical applications, the absorption line of an anesthetic sample, propofol, is measured. Propofol has been dissolved in various solvents. RIN has been chosen to monitor the sensor response. From the measured spectra, the sensor sensitivity enhancement factor is found to be of the order of 10^(3) times of the conventional laser spectroscopy.

Electron-Nuclear Correlation in Laser-Driven Diatomic Molecules

The interaction of short intense laser pulses with atoms/molecules produces a multitude of highly nonlinear processes requiring a non-perturbative treatment. Detailed study of these highly nonlinear processes by numerically solving the time-dependent Schrodinger equation becomes a daunting task when the number of degrees of freedom is large. Also the coupling between the electronic and nuclear degrees of freedom further aggravates the computational problems. In the present work we show that the time-dependent Hartree (TDH) approximation, which neglects the correlation effects, gives unreliable description of the system dynamics both in the absence and presence of an external field. A theoretical framework is required that treats the electrons and nuclei on equal footing and fully quantum mechanically. To address this issue we discuss two approaches, namely the multicomponent density functional theory (MCDFT) and the multiconfiguration time-dependent Hartree (MCTDH) method, that go beyond the TDH approximation and describe the correlated electron-nuclear dynamics accurately. In the MCDFT framework, where the time-dependent electronic and nuclear densities are the basic variables, we discuss an algorithm to calculate the exact Kohn-Sham (KS) potentials for small model systems. By simulating the photodissociation process in a model hydrogen molecular ion, we show that the exact KS potentials contain all the many-body effects and give an insight into the system dynamics. In the MCTDH approach, the wave function is expanded as a sum of products of single-particle functions (SPFs). The MCTDH method is able to describe the electron-nuclear correlation effects as the SPFs and the expansion coefficients evolve in time and give an accurate description of the system dynamics. We show that the MCTDH method is suitable to study a variety of processes such as the fragmentation of molecules, high-order harmonic generation, the two-center interference effect, and the lochfrass effect. We discuss these phenomena in a model hydrogen molecular ion and a model hydrogen molecule. Inclusion of absorbing boundaries in the mean-field approximation and its consequences are discussed using the model hydrogen molecular ion. To this end, two types of calculations are considered: (i) a variational approach with a complex absorbing potential included in the full many-particle Hamiltonian and (ii) an approach in the spirit of time-dependent density functional theory (TDDFT), including complex absorbing potentials in the single-particle equations. It is elucidated that for small grids the TDDFT approach is superior to the variational approach.

Many-body theory of laser-induced ultrafast demagnetization and angular momentum transfer in ferromagnetic transition metals

An electronic theory is developed, which describes the ultrafast demagnetization in itinerant ferromagnets following the absorption of a femtosecond laser pulse. The present work intends to elucidate the microscopic physics of this ultrafast phenomenon by identifying its fundamental mechanisms. In particular, it aims to reveal the nature of the involved spin excitations and angular-momentum transfer between spin and lattice, which are still subjects of intensive debate. In the first preliminary part of the thesis the initial stage of the laser-induced demagnetization process is considered. In this stage the electronic system is highly excited by spin-conserving elementary excitations involved in the laser-pulse absorption, while the spin or magnon degrees of freedom remain very weakly excited. The role of electron-hole excitations on the stability of the magnetic order of one- and two-dimensional 3d transition metals (TMs) is investigated by using ab initio density-functional theory. The results show that the local magnetic moments are remarkably stable even at very high levels of local energy density and, therefore, indicate that these moments preserve their identity throughout the entire demagnetization process. In the second main part of the thesis a many-body theory is proposed, which takes into account these local magnetic moments and the local character of the involved spin excitations such as spin fluctuations from the very beginning. In this approach the relevant valence 3d and 4p electrons are described in terms of a multiband model Hamiltonian which includes Coulomb interactions, interatomic hybridizations, spin-orbit interactions, as well as the coupling to the time-dependent laser field on the same footing. An exact numerical time evolution is performed for small ferromagnetic TM clusters. The dynamical simulations show that after ultra-short laser pulse absorption the magnetization of these clusters decreases on a time scale of hundred femtoseconds. In particular, the results reproduce the experimentally observed laser-induced demagnetization in ferromagnets and demonstrate that this effect can be explained in terms of the following purely electronic non-adiabatic mechanism: First, on a time scale of 10–100 fs after laser excitation the spin-orbit coupling yields local angular-momentum transfer between the spins and the electron orbits, while subsequently the orbital angular momentum is very rapidly quenched in the lattice on the time scale of one femtosecond due to interatomic electron hoppings. In combination, these two processes result in a demagnetization within hundred or a few hundred femtoseconds after laser-pulse absorption.

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.

Theoretical and experimental study of intracavity laser absorption spectroscopy

In this thesis, a dual mode tunable gas sensor based on intracavity laser absorption spectroscopy (ICLAS) principle is investigated, both, numerically and experimentally. In order to minimize the cost and size of the gas sensor, relative intensity noise (RIN) is implemented as a detection parameter. Investigation is performed to determine the effect of injection current, operating temperature, mode spacing, and cavity length on RIN. It has been found that it is best to operate the gas sensor at smaller mode spacing and near the threshold current or at larger mode spacing and far above the threshold current for the use of RIN as the readout parameter.

Ab initio Molecular Dynamics Simulations of the Structural Response of Solids to Ultrashort Laser and XUV Pulses

The theoretical model and underlying physics described in this thesis are about the interaction of femtosecond-laser and XUV pulses with solids. The key to understand the basics of such interaction is to study the structural response of the materials after laser interaction. Depending on the laser characteristics, laser-solid interaction can result in a wide range of structural responses such as solid-solid phase transitions, vacuum phonon squeezing, ultrafast melting, generation of coherent phonons, etc. During my research work, I have modeled the systems irradiated by low-, medium- and high-laser intensities, and studied different types of structural dynamics of solids at various laser fluences.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.