Simulation of the dynamics of laser-cluster interaction

Abstract

Mit Größen von einigen Dutzend Atomen bis hin zu mehreren Millionen Atomen bilden Cluster ein Zwischenstadium zwischen Gasen und Festkörpern. Die bei der Bestrahlung von Clustern mit kurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich beobachteten hochgeladenen schnellen Ionen, hochenergetischen Elektronen, sowie UV- und Röntgenphotonen, zeugen von einem äußerst effizienten Energietransfer. Die Größe des Systems und die Fülle von physikalischen Vorgängen stellen eine wesentliche Herausforderung für eine theoretische Beschreibung der Wechselwirkung dar. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine "Classical Trajectory Monte Carlo" Simulation entwickelt, welche Einblicke in die Teilchendynamik während der Wechselwirkung von Laserpulsen mit großen Argonclustern (mit mehr als 10000 Atomen) gewährt. Elastische Elektron-Ion Streuung, Elektron-Elektron Streuung, Elektronenstoßionisation und -anregung, sowie Dreikörperrekombination und Auger Zerfall wurden als stochastische Prozesse implementiert. Stark vereinfacht lässt sich die Dynamik wie folgt zusammenfassen: das starke Laserfeld ionisiert die Clusteratome und treibt die quasifreien Elektronen. Durch Stoßionisation werden weitere freie Elektronen und hohe ionische Ladungszustände produziert. Sobald einige der freien Elektronen den Cluster verlassen, fühlen die Ionen eine positive Gesamtladung. Der Cluster beginnt zu expandieren und zerfällt schlussendlich in einer Coulomb Explosion. Selbst bei gemäßigten Laserintensitäten (ca. 10 15 W/cm2) kommt es während des Laserpulses zur Erzeugung von Löchern in den innersten atomaren Schalen durch Stoßionisation, was zur Emission von charakteristischer Röntgenstrahlung führt. Die hierzu benötigte kleine Population von hochenergetischen Elektronen wird in der Nähe der Clusterpole erzeugt, wo die Kombination von Aufladung und Polarisation des Clusters zu stark erhöhten elektrischen Feldstärken führt. Die aus der Simulation gewonnenen quantitativen Voraussagen für die Röntgenemission stimmen über weite Parameterbereiche sehr gut mit Röntgenspektroskopieexperimenten überein.<br />Die Abhängigkeit der Röntgenausbeute von der Laserintensität, Pulslänge und Clustergröße wurde untersucht. Hierbei wurde klar, dass zur Beschreibung gewisser Parameterabhängigkeiten die Emissionseffizienz eines einzelnen Clusters nicht alleine ausreicht, sondern auch die Veränderung der Gesamtzahl an emittierenden Clustern im Laserfokus in Betracht gezogen werden muss.

Ranging in size from a few atoms to several million atoms, clusters form a link between gases and solids. When irradiating clusters with intense femtosecond laser pulses, the production of energetic and highly charged ions, hot electrons, and extreme UV and X-ray photons, gives evidence of a very efficient energy conversion. The size of the system and the multitude of mechanisms at play provide a considerable challenge for the theoretical treatment of the interaction. In this thesis, we have developed a Classical Trajectory Monte Carlo simulation that gives insight into the particle dynamics during the interaction of laser pulses with large argon clusters (with more than 10000 atoms per cluster). Elastic electron-ion scattering, electron-electron scattering, electron-impact ionization and excitation, as well as three-body recombination and Auger decay are included via stochastic events. In a strongly simplified picture, the dynamics of the laser-cluster interaction can be summarized as follows: the intense laser field ionizes the cluster atoms and drives the population of quasi-free electrons. In collision events, further free electrons and high ionic charge states are created. As some electrons leave the cluster, the ions feel a net positive charge, and the cluster ultimately disintegrates in a Coulomb explosion. Even at moderate laser intensities (approx. 10 15 W/cm2), impact ionization produces inner-shell vacancies in the cluster ions that decay by emitting characteristic X-ray radiation. The small population of fast electrons responsible for these ionization events is produced near the cluster poles, where the combination of polarization and charging of the cluster leads to strongly enhanced field strengths.<br />We achieve a good agreement over large parameter ranges between the simulation and X-ray spectroscopy experiments. We also investigate the dependence of X-ray emission on laser intensity, pulse duration and cluster size. We find that in order to understand certain parameter dependencies, one needs to consider the impact of the parameter variation on both the emission from a single cluster and on the total number of emitting clusters.