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Ablationsprozesse an flüssigen Medien

Dr. Heiko Kurz

QUEST - Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research
Institute of Quantum Optics
Leibniz Universität Hannover
Welfengarten 1
30167 Hannover

Tel.: +49 511.762 - 762 2259
e-mail: kurziqo.uni-hannover.de

Kurzbeschreibung

Zur Messung ultraschneller Prozesse, wie Elektronen- und Ionenbewegungen in Molekülen oder Plasmen werden Lichtimpulse von kürzerer Zeitdauer als der zu beobachtende Prozess benötigt. Die heute kürzesten Lichtimpulse haben eine Zeitdauer im Attosekundenbereich (1as = 10-18s) und werden mittels einer nichtlinearen Frequenzkonversion aus  Femtosekundenpulsen erzeugt. Der zugrundeliegende Prozess ist die Erzeugung höherer harmonischer Ordnungen (engl.: high-harmonic generation, HHG) des fundamentalen, infraroten (IR) Lichtimpulses in einem atomaren oder molekularen Medium (Target). Die erzeugte Strahlung liegt dabei im extrem-ultravioletten Spektralbereich (XUV) und ermöglicht über Anregungs-Abfrage-Experimente beispielsweise die zeitaufgelöste Beobachtung von Ionisationsprozessen in Atomen, oder molekularer Dynamiken während chemischer Reaktionen. Darüber hinaus können durch HHG Informationen über die Struktur der für den Prozess verwendeten Materie gewonnen werden. Für gewöhnlich liegt das verwendete Medium dabei in der Gasphase vor und ist somit in der maximalen Dichte limitiert. In aktuellen Veröffentlichungen haben wir die für HHG-Experimente maximale Targetdichte durch die Verwendung von Flüssigkeitströpfchen unter Ultra-Hochvakuum-Bedingungen (UHV) erhöht. Dabei wurde gezeigt, dass selbst thermodynamische Zustandsänderungen komplexer Systeme, wie eines makroskopischen Wassertropfens unter UHV-Bedingungen mit bisher unerreichter Zeitauflösung analysiert werden können. Weiterhin konnte die hohe harmonische Strahlung verwendet werden, um Aussagen über den Ionisationsgrad des Tröpfchens nach der Wechselwirkung mit einem intensiven IR-Laserpuls zu treffen. Die Ionisation von Targets hoher Dichte durch intensive Laserpulse ist von besonderem wissenschaftlichem Interesse, da an die initiale Ionisation eine Bewegung der Elektronen und Ionen anknüpft. Mit dieser ionisationsinduzierten Bewegung ist ein Materialabtrag verbunden, die sogenannte Ablation, welche in großem Umfang in der Materialbearbeitung von Festkörpern Verwendung findet, da der Ablationsprozess einen Materialabtrag ohne Wärmediffusion in das Werkstück ermöglicht. Allerdings ist der der Ablation zugrundeliegende Prozess nicht identifiziert und kann durch zwei verschiedene Modelle beschrieben werden: (i) eine elektrostatische Expansion von Elektronen und Ionen oder (ii) durch eine Coulomb-Explosion. Während der elektrostatischen Expansion werden durch eine anziehende Coulomb-Kraft die Ionen durch freie Elektronen aus dem Material gezogen. Dagegen spielen die Elektronen im Modell der Coulomb-Explosion eine untergeordnete Rolle, da sie zu weit von den Ionenrümpfen entfernt sind, so dass die Ionenbewegung allein aus einer abstoßenden Coulomb-Kraft zwischen den Ionen resultiert. Ziel dieses Projektes ist die experimentelle Identifikation des der Ablation zugrundeliegenden physikalischen Prozesses, der elektrostatischen Expansion oder der Coulomb- Explosion. Dafür soll in einem Zwei-Farben-Anregungs-Abfrage-Experiment (engl.: pumpprobe) mit Wassertropfen unter UHV-Bedingungen zunächst die Elektronendynamik charakterisiert werden. Die Ionendynamik soll daraufhin in einem IR-Anregungs/XUVAbfrage- Experiment durch transiente Absorption untersucht werden. Ein Vergleich beider Messungen soll Aussagen über den Ablationsmechanismus erlauben.

Laufzeit

12 Monate