Tools for probing on short time and length scales: mid-infrared high harmonic generation and charged-particle guiding

Abstract

Wir behandeln zwei Phänomene welche beide heutzutage häufig als mögliche Werkzeuge für die Manipulation von geladenen Teilchen auf kleinen Skalen und in extrem kurzen Zeitspannen diskutiert werden: Auf dem Gebiet der ultraschnellen Laser-Atom Wechselwirkung beschäftigen wir uns im Speziellen mit der Abhängigkeit der Generierung von hoch-harmonischer Strahlung von der im mittleren Infrarot liegenden Wellenlänge des treibenden Lasers. Die Dynamik von Elektronen wird während der Wechselwirkung mit dem Laser von diesem auf einer atomarer Zeit- und Längenskala kontrolliert. Die dabei erzeugte Strahlung wird unter anderem zur Synthese von hoch-frequenten, kohärenten Pulsen verwendet, welche sich durch eine Dauer von oft weniger als eine Femtosekunde und einer räumlichen Auflösung im Mikrometer-Bereich auszeichnen. Wir betrachten die Abhängigkeit der emittierten Leistung von der Laser-Wellenlänge auf großen Skalen, wobei unsere Resultate sehr gut mit jüngsten Experimenten übereinstimmen. Auf kleinen Skalen, im Bereich von nur einigen Nanometer, finden sich überraschend regelmäßige Oszillationen in der emittierten Strahlungsleistung. Diese können durch die Interferenz von Elektronen, die zu verschiedenen Zeiten ionisiert werden und danach gemeinsam zur Strahlungsleistung des Atoms beitragen, erklärt werden. Die hier beobachteten Oszillationen sind eng mit der bereits etablierten Theorie über die Schließung von Ionisationskanälen (``channel closing effect'') verbunden, welche ursprünglich für die Wechselwirkung von Systemen kurzreichweitiger Potentiale mit Dauerstrich-Lasern entwickelt wurde. Abweichungen von der Theorie des ``channel closing effect'' werden von uns als Einfluss des langreichweitigen Coulomb-Potentials eines realen Atoms erklärt. Weiters untesuchen wir geführte Transmission von geladenenen Teilchen durch nicht-leitende Nanokapillaren. Dieser erst vor kurzem gefundene Effekt verspricht Präparierung und Ablenkung von Teilchen-Strahlen mit einem Durchmesser im Bereich von Mikrometern, ohne dabei auf konventionelle Teilchen-Optik zurückzugreifen. Wir präsentieren eine klassische Transporttheorie zur Beschreibung der geladener Teilchen in Nanokapillaren und betrachten dabei die Wechselwirkung von langsamen, hochgeladene Ionen im Energiebereich von einigen tausend Elektronenvolt (eV) und Elektronen mit Energien von einigen hundert eV mit der Oberfläche eines Nicht-Leiters im Inneren einer Nanokapillare. Wir vergleichen unsere Rechnungen mit den Ergebnissen der jüngsten Experimente, wobei qualitative und teils auch quantitative Übereinstimmung erzielt wurde.