Hubertus Wabnitz, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2003 :

"Wechselwirkung intensiver VUV-Strahlung eines Freie-Elektronen Lasers mit Edelgasatomen und Edelgasclustern"


"Interaction of Intense VUV Radiation from a Free-Electron laser with Rare Gas Atoms and Clusters"



Schlagwörter: ULTRAVIOLET RADIATION EFFECTS; LASER BEAM EFFECTS; XENON; PHOTOIONISATION; ATOMIC CLUSTERS
PACS : 32.80.Fb; 33.80.Eh; 36.40.-c
Volltext

Summary

Kurzfassung

Im September 2001 wurde bei DESY der Freie-Elektronen-Laser (FEL) für kurzwellige Strahlung an der TESLA Test-Facility (TTF1) in Betrieb genommen. Im Bereich der vakuum-ultravioletten (VUV) Strahlung überstieg die Pulsleistung des FEL diejenige bestehender Lichtquellen um mehr als das tausendfache. Damit wurde es erstmals möglich die Wechselwirkung von intensiver, kurzwelliger Strahlung mit Materie zu untersuchen. Die ersten Experimente wurden an Atom- und Clusterstrahlen durchgeführt. Atom- und Clusterstrahlen der Edelgase werden mithilfe einer Düsenstrahlexpansion erzeugt. Zum Nachweis der Ionisationsprodukte wurden Flugzeitdetektoren eingesetzt. Bei einer Wellenlänge von 98 nm kann die Ionisierung der Edelgasatome als "stufenweise" Multiphotonen-Ionisation interpretiert werden. Verglichen mit einem Atomstrahl ist die Absorption im Clusterstrahl weitaus stärker. Bei einer Leistungsdichte von ~ 3 x 1013 W/cm2 absorbiert jedes Atom in einem Xe2500 Cluster durchschnittlich ~ 600 eV. Das entspricht einer Absorption von etwa 50 VUV-Photonen. Als Resultat der starken Absorption werden bis zu achtfach geladene atomare Xenonionen nachgewiesen. Die Cluster werden durch eine Coulombexplosion zerstört und emittieren hochenergetische Ionen mit bis zu 3 keV kinetischer Energie. Im Gegensatz zu Experimenten mit optischen Lasern beginnt die Coulombexplosion bereits bei sehr viel niedrigeren, ungefähr zwei Größenordnungen geringeren Leistungsdichten. Ein Vergleich mit klassischen Modellen, die die Absorption bei optischen Wellenlängen quantitativ beschreiben, zeigt, dass wahrscheinlich quantenmechanische Prozesse berücksichtigt werden müssen, um die hohe Absorption im FEL-Experiment bei kurzen Wellenlängen zu erklären.

Titel

Kurzfassung

Summary

At DESY, the short wavelength free-electron laser of the TESLA Test Facility (TTF1-FEL) showed in September 2001 the production of vacuum-ultraviolet radiation, whose peak power exceeded that of existing light-sources by a factor of more than thousand. Thus it opened the way to studies of matter with intense, short wavelength radiation. First experiments on the interaction of intense, short wavelength radiation with rare gas atom and cluster beams have been conducted. Atomic and cluster beams are produced by a supersonic nozzle expansion. The ionisation products are detected by time-of-flight techniques. At 98 nm wavelength the ionisation of rare gas atoms is attributed to a stepwise multiphoton ionisation. Compared to the atomic beam the absorption in the cluster beam is strongly enhanced. At a power density of ~ 3 x 1013 W/cm2 each atom in a Xe2500 cluster absorbs on average ~600 eV, corresponding to ~50 VUV photons. As a result of the strong absorption multiply charged atomic ions up to Xe8+ are produced. Finally, the cluster completely disintegrates by Coulomb explosion, causing high kinetic energies of the ejected ions up to 3 keV. Coulomb explosion begins at a power density approximately two orders of magnitude lower than the threshold for such processes in optical laser experiments. A comparison is made with classical models describing quantitatively the energy absorption at optical wavelengths. It appears that quantum mechanical processes have to be included, in order to explain the energy absorption in the present FEL experiment at short wavelengths.