Nils Christian Gerken, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2014 :

"XUV Multiphotonen Anregung und Dynamik geladener Zustände in kleinen Quanten Systemen"


"XUV Multiphoton Excitation and Charged State Dynamics in Small Quantum Systems"



Schlagwörter: XUV Excitation, Multiphoton Processes, Photodissociation, Ultrafast Spectroscopy, Molecular Dynamics, Monte-Carlo Simulation
PACS : 82.50.Pt, 33.80.Gj, 32.80.Fb, 32.80.Aa, 32.80.Rm, 33.80.Eh, 33.80.Rv, 71.27.+a
Der Volltext wurde als Buch/Online-Dokument (ISBN 978-3-8439-1731-5) im Verlag Dr. Hut, München veröffentlicht.

Summary

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung nichtlinearer Effekte, welche bei der Multiphotonenionisation von Xenon sowie Iod enthaltenden Molekülen ablaufen. Die aufgrund des hohen Wirkungsquerschnittes geeigneten 4d-Elektronen wurden benutzt, um mit Hilfe von stark fokussierter EUV Strahlung hoher Intensität (bis zu 10E14 W/cm2) und sehr kurzer Pulsdauer (ca. 100 fs) die Photoionisations- und Dissoziationsprozesse beschreiben zu können. Für diese Beschreibung wurden detaillierte intensitäts-, energie- und zeitabhängige Messungen am Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg mit Hilfe von Ionen-Flugzeitspektroskopie durchgeführt. Bis heute ist nicht genau verstanden, welcher Mechanismus zu den ungewöhnlich hohen Ladungszuständen bis zu Xe21+ bei der Multiphotonenionisation von Xenon führt. In dieser Arbeit werden neue Ergebnisse bezüglich der Ionisationsraten von Xenon bei fünf verschiedenen Photonenenergien in der Umgebung der sogenannten „4d giant resonance“ beschrieben. Dabei werden mit Hilfe intensitätsabhängiger Messungen Aussagen über die mögliche Anzahl der involvierten Photonen pro Ionisationsschritt getroffen. Beim Vergleich verschiedener Photonenenergien fällt auf, dass es enorme Unterschiede bei den maximal auftretenden Ladungszuständen gibt. Dies kann nicht allein auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass die Photonen höherer Energie auch einfacher bestimmte Ionisationspotentiale überwinden können. Die mittleren Ladungszustände werden hauptsächlich durch aufeinanderfolgende Anregungen von Elektronen in der 4d Schale mit anschließenden Auger-Zerfällen erzeugt. Da die Auger Zerfallszeit zwar kürzer, aber dennoch vergleichbar zur Photonenpulsdauer ist, reichen schon sehr kleine Abweichungen in der Photonenpulslänge, um erkennbare Änderungen im Ionensignal der mittleren Xenon Ladungszustände um Xe5+ hervorzurufen. Dieser Effekt wird zusammen mit einem einfachen Ratengleichungsmodell vorgestellt, welches die Zeitabhängigkeit dieses Prozesses demonstriert. Die entsprechenden Multiphotonenprozesse in Molekülen werden mit Hilfe der Kovarianz Mapping Methode, welche auf die Flugzeitspektren angewendet wird, untersucht. Durch entsprechende Normalisierungsschritte kann direkt der Grad der Korrelation aller auftretenden Kombinationen der Ladungszustände bestimmt werden. Die Kombination von Korrelations-Informationen, „Kinetic Energy Release“ Informationen und Monte Carlo Simulationen wird dabei für eine zeitaufgelöste, kinematische Beschreibung des Dissoziationsprozesses und der Ladungstransfervorgänge verwendet.

Titel

Kurzfassung

Summary

The investigation of nonlinear effects occurring at multi-photon ionization of small quantum systems is the subject of this thesis. The 4d electrons of xenon atoms and iodine containing molecules were used as target systems irradiated by focused, high intensity XUV laser pulses with intensities up to 1014 W/cm2 created by the free-electron laser FLASH at DESY in Hamburg. Detailed pulse energy, photon energy and pulse duration dependent measurements using time-of-flight spectroscopy were used for a description of the multi-photon processes happening at high intensity radiation. The mechanism which leads to the generation of unusually highly charged xenon states up to Xe21+ after irradiation of high intensity XUV radiation is still not understood completely. The still open question of origin of these highly charged states is complemented by new ion yield results of the multi-photon ionization of xenon at five different energies within the vicinity of the giant resonance. Intensity dependent measurements are used to reveal the number of involved photons in the photoionization process. When using different photon energies in the XUV regime enormous differences in the maximum charge level are observed. This cannot be attributed only to changes in the ability to surmount the ionization thresholds by the photons. The medium charged states are generated through several sequential 4d electron excitation and relaxation processes including Auger decays. Since the Auger decay time is shorter, but still comparable to the photon pulse duration, already diminutive changes in the photon pulse duration lead to perceptible changes in the medium charged xenon ion signal around Xe5+ which has been created after several Auger decay steps. This effect is going to be presented together with a simple rate equation model which underlines the time dependency of several charge states. The related multi-photon processes in molecules are investigated by applying the covariance mapping technique at time-of-flight spectra of iodine containing molecules. By using a normalization process the degree of correlation can be determined for all possible charge state combinations of the participating iodine ions. The combination of the correlation information with kinetic energy release (KER) investigations and Monte Carlo simulations is used for a time resolved, kinematic description of the dissociation process and the preceding charge migration processes.