Kurzfassung
Die elektronische Relaxation von Atomen oder Molekülen durch die Aussendung von Auger-Elektronen erfolgt sehr schnell, gewöhnlich innerhalb von wenigen Femtosekunden. In der vorliegenden Arbeit werden Lebensdauern von Inner-Schalen Lochzuständen in Atomen und Molekülen direkt in der Zeitdomäne gemessen. Die für die Inner-Schalen Anregung benötigten ultrakurzen Pulse mit Photonenenergien des extrem ultravioletten (XUV)-Spektralbereichs liefert der Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH). Die Bestimmung der Lebensdauern erfolgt durch die Messung von relativen Emissionszeitpunkten der Auger-Elektronen, die mittels eines Streak-Experiments aus der Streak-Feld-induzierten Änderung ihrer kinetischen Energie ermittelt werden. Als Streak-Felder werden Terahertz (THz)-Pulse aus verschiedenen THz-Quellen genutzt, deren Perioden die für die untersuchten Prozesse benötigten Zeitauflösungen ermöglichen. Neben dem THz-Undulator von FLASH kommt auch eine Laser-basierte THz-Quelle zum Einsatz, bei der THz-Strahlung
durch optische Gleichrichtung in einem Lithiumniobat-Kristall erzeugt wird. Zudem ist im Rahmen der Arbeit auch die Konversionseffizienz in einem organischen Kristall
untersucht worden. Die Verifizierung des Auflösungsvermögen der durchgeführten THz-Streak-Experimente erfolgt jeweils durch die Bestimmung der Lebensdauer der gut bekannten Inner-Schalen Lochzuständen von atomarem Krypton. Bei der Kombination der FEL Pulse mit THz-Pulsen aus einer Laser-basierten THz-Quelle führen die durch das SASE Erzeugungsprinzip verursachten Fluktuationen der FEL-Pulsparameter, insbesondere der zeitliche Jitter, zu einer Verschlechterung der zeitlichen Auflösung des Streak-Experiments. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Auswerteprozeduren
durchgeführt, um das Auflösungsvermögen eines Laser-basierten THz-Streak-Experiments zu erhöhen. Anhand einer Pulslängencharakterisierung wird die Funktionalität der Prozeduren überprüft.
In einem zweiten Experiment, bei dem die THz-Strahlung des THz-Undulators als Streak-Feld verwendet wird, wird die elektronische Relaxation von Chlorwasserstoff nach resonanter Anregung untersucht. Dabei führt die Anregung zur Dissoziation des Moleküls, während es gleichzeitig zur Aussendung von Auger-Elektronen kommt. Beide Prozesse spielen sich auf gleichen Zeitskalen im Femtosekunden Bereich ab. Mittels der THz-Streak-Methode wird die Lebensdauer von Cl 2p^(−1) gemessen. Das Ergebnis wird mit einer Simulation der ultraschnellen Dissoziation von HCl verglichen,
die auf einem kinematischen Ansatz basiert.
Electronic de-excitation via the emission of an Auger electron is usually very fast and occurs within a few femtoseconds. Within this thesis, lifetimes of core-excited atoms and molecules are measured directly in the time domain. Ultra-short pulses with photon energies in the extreme ultraviolet (XUV) range which are required for core-excitation and are delivered by the free-electron laser in Hamburg (FLASH). The lifetimes are determined by means of a streaking experiment where the relative time of emission of the Auger electrons is encoded in the streaking field-induced change of the electron’s kinetic energy. Terahertz (THz) pulses from various THz sources are used as streaking fields in order to enable the time resolution which is required for the processes under investigation. The THz undulator from FLASH as well as a laser-based THz-source where the THz radiation is generated by optical rectification in a lithium niobate crystal are used. Within the scope of this work, the conversion efficiency of THz generation in an organic crystal has also been investigated. The resolving power of the THz-streaking experiments is verified by determining the lifetime of the well-known M-shell vacancies of atomic krypton. When combining the FEL pulses with THz pulses from a laser-based THz source, the fluctuations of the FEL pulse parameters which originate due to the SASE generation principle are important to consider. In particular, the temporal jitter leads to a deterioration in the temporal resolution of the streaking experiment. Within the scope of this work, different evaluation procedures are performed in order to increase the resolution of a THz-streaking experiment. The functionality of the procedures is confirmed on the basis of a pulse length characterization. In a second experiment, in which the THz radiation from the THz undulator is used as a streaking field, the electronic relaxation of resonantly excited hydrogen chloride is investigated. The excitation leads to the dissociation of the molecule, while at the same time Auger electrons are emitted. Both processes compete on similar ultrashort femtosecond time scales. Using the THz-streaking method, the lifetime of Cl 2p^(−1) is measured. For further validation, the result is compared with a simulation of the ultrafast dissociation of HCl based on a kinematic approach.