TY  - THES
A1  - Fechner, Susanne
T1  - Quantenkontrolle im Zeit-Frequenz-Phasenraum
T1  - Phase-Space Quantum Control
N2  - Die in der vorliegenden Arbeit eingeführte von Neumann-Darstellung beschreibt jeden Laserpuls auf eineindeutige Weise als Summe von an verschiedenen Punkten des Zeit-Frequenz-Phasenraumes zentrierten, bandbreitebegrenzten Gaußimpulsen. Diese Laserpulse bilden sozusagen die „elementaren“ Bausteine, aus denen jeder beliebige Lichtimpuls konstruiert werden kann. Die von Neumann-Darstellung vereint eine Reihe von Eigenschaften, die sie für eine Anwendung auf dem Gebiet der Quantenkontrolle besonders geeignet erscheinen lässt. So ist sie eine bijektive Abbildung zwischen den Freiheitsgraden des verwendeten Impulsformers und der Phasenraumdarstellung der resultierenden, geformten Laserpulse. Jeder denkbaren Wahl von Impulsformerparametern entspricht genau eine von Neumann-Darstellung und umgekehrt. Trotzdem ermöglicht sie, ebenso wie die Husimi- oder die Wigner-Darstellung, eine intuitive Interpretation der dargestellten Lichtimpulse, da deren zeitliche und spektrale Struktur sofort zu erkennen ist.
N2  - The von Neumann-representation introduced in this thesis describes each laser pulse in a one-to-one manner as a sum of bandwidth-limited, Gaussian laser pulses centered around different points in phase space. These pulses can be regarded as elementary building blocks from which every single laser pulse can be constructed. The von Neumann-representation combines different useful properties for applications in quantum control. First, it is a one-to-one map between the degrees of freedom of the pulse shaper and the phase-space representation of the corresponding shaped laser pulse. In other words: Every possible choice of pulse shaper parameters corresponds to exactly one von Neumann-representation and vice versa. Moreover, since temporal and spectral structures become immediately seizable, the von Neumann-representation, as well as the Husimi- or the Wigner-representations, allows for an intuitive interpretation of the represented laser pulse.
KW  - Femtosekundenlaser
KW  - Wigner-Verteilung
KW  - Quantenkontrolle
KW  - Pulsformung
KW  - Phasenraumdarstellung
KW  - Wigner
KW  - Husimi
KW  - quantum control
KW  - pulse shaping
KW  - phase-space-representation
KW  - Wigner
KW  - Husimi
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-28569
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wolpert, Daniel
T1  - Quantum Control of Photoinduced Chemical Reactions
T1  - Quantenkontrolle von photoinduzierten chemischen Reaktionen
N2  - The control of quantum mechanical processes, especially the selective manipulation of photochemical reactions by shaped fs laser pulses was successfully demonstrated in many experiments in the fields of physics, chemistry and biology. In this work, attention is directed to the control of two systems that mark a bridge to real synthetic chemistry. In a liquid phase environment the outcome of the photo-induced Wolff rearrangement of an industrially relevant diazonaphthoquinone compound, normally used in photoresists (e.g. Novolak) was optimized using shaped fs laser pulses. In the second series of experiments chemical reactions on a catalyst metal surface which comprise laser induced molecular bond formation channels were selectively manipulated for the first time. The control of liquid phase reactions necessitates adequate spectroscopic signals that are characteristic for the formed product species. Therefore, a pump-probe setup for transient absorption spectroscopy in the mid-infrared for the purpose of investigating ultrafast structural changes of molecules during photoreactions was constructed. This versatile setup enables to monitor structural changes of molecules in the liquid phase and to find appropriate feedback signals for the control of these processes. Prior to quantum control experiments, the photoinduced Wolff-rearrangement reaction of 2-diazo-1-naphthoquinone (DNQ) dissolved in water and methanol was thoroughly investigated. Steady state absorption measurements in the mid-infrared in combination with quantum chemical density functional theory (DFT) calculations revealed the characteristic vibrational bands of DNQ and of possible products. A mid-infrared transient absorption study was performed, to illuminate the structural dynamics of the ultrafast rearrangement reaction of DNQ. The experimental observations indicate, that the Wolff rearrangement reaction of DNQ proceeds within 300 fs. A model for the relaxation dynamics of the ketene photoproduct and DNQ after photoexcitation can be deduced that fits the measured data very well. The object of the quantum control experiments on DNQ was the improvement of the ketene yield. It was shown that the ketene formation after Wolff rearrangement of DNQ is very sensitive to the shape of the applied excitation laser pulses. The variation of single parameters, like the linear chirp as well as the pulse separation of colored double pulses lead to the conclusion that the well known intrapulse dumping mechanism is responsible for the impact of the frequency ordering within the excitation pulse on the photoproduct yield. Adaptive optimizations using a closed learning loop basically lead to the same result. Adaptive fs quantum control was also applied to surface reactions on a catalyst metal surface for the first time. Therefore, the laser-induced catalytic reactions of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2) on a Pd(100) single crystal surface were studied. This photochemical reaction initiated with fs laser pulses has not been observed before. Several product molecules could be synthesized, among them also species (e.g. CH^3+) for whose formation three particles are involved. The systematic variation of different parameters showed that the reactions are sensitive to the catalyst surface, the composition of the adsorbate and to the laser properties. A pump-probe study revealed that they occur on an ultrafast time scale. These catalytic surface reactions were then investigated and improved with phaseshaped fs laser pulses. By applying a feedback optimal control scheme, the reaction outcome could be successfully manipulated and the ratio of different reaction channels could be selectively controlled. Evidence has been found that the underlying control mechanism is nontrivial and sensitive to the specific conditions on the surface. The experiments shown here represent the first successful experiment on adaptive fs quantum control of a chemical reaction between adsorbate molecules on a surface. In contrast to previous quantum control experiments, reaction channels comprising the formation of new molecular bonds rather than the cleavage of already existing bonds are controlled. This work successfully showed that quantum control can be extended to systems closer to situations encountered in synthetic chemistry as was demonstrated in the two examples of the optimization of a complicated rearrangement reaction and the selective formation of chemical bonds with shaped fs laser pulses.
N2  - Die Kontrolle quantenmechanischer Prozesse, insbesondere die selektive Manipulation photochemischer Reaktionen mit Hilfe geformter fs-Laserpulse wurde auf den Gebieten der Physik, Chemie und Biologie in vielen Experimenten erfolgreich gezeigt. In dieser Arbeit wird das Augenmerk auf die Kontrolle zweier Systeme gerichtet, die eine Brücke zur synthetischen Chemie darstellen. In der flüssigen Phase wurde das Resultat der photoinduziertenWolff Umlagerung einer industriell relevanten Diazonaphthoquinone Verbindung, die gewöhnlich in Photolacken (z.B. Novolak) Verwendung findet, durch geformte fs-Laserpulse optimiert. In der zweiten Reihe von Experimenten wurden chemische Reaktionen auf einer Katalysator-Metalloberfläche, die Kanäle mit laserinduzierter molekularer Bindungsknüpfung beinhalten, zum ersten Mal selektiv beeinflusst. Für die Kontrolle von Reaktionen in der flüssigen Phase benötigt man geeignete spektroskopische Messsignale, die charakteristisch für die gebildeten Produktspezies sind. Zu diesem Zweck wurde ein Versuchsaufbau für Anrege-Abfrage Experimente zur transienten Absorptionsspektroskopie im mittleren Infrarot aufgebaut, um ultraschnelle strukturelle Veränderungen von Molekülen während Photoreaktionen zu untersuchen. Dieser vielseitige Versuchsaufbau ermöglicht die Messung struktureller Veränderungen in Molekülen in flüssiger Phase und damit das Auffinden geeigneter Rückkopplungssignale zur Kontrolle dieser Prozesse. Vor den Quantenkontrollexperimenten wurde die photoinduzierte Wolff Umlagerung von 2-Diazo-1-Naphthoquinone (DNQ) in den Lösungsmitteln Wasser und Methanol sorgfältig untersucht. Lineare Absorptionsmessungen im mittleren Infrarot in Verbindung mit quantenchemischen Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen lieferten die charakteristischen Schwingungsbanden von DNQ und möglichen Photoprodukten. Untersuchungen mit transienter Absorptionsspektroskopie im mittleren Infrarot wurden durchgeführt, um die strukturelle Dynamik der ultraschnellen Umlagerungsreaktion von DNQ zu beleuchten. Die experimentellen Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Wolff Umlagerung von DNQ innnerhalb von 300 fs abläuft. Ein Modell für die Relaxationsdynamik des Keten Photoprodukts und DNQ, dass die gemessenen Daten sehr gut beschreibt wurde abgeleitet. Das Ziel der Quantenkontrollexperimente an DNQ war die Erhöhung der Ketenausbeute. Es wurde gezeigt, dass die Bildung des Keten nach der Wolff Umlagerung des DNQ empfindlich auf die Form der Anregungspulse reagiert. Die Variation einzelner Parameter, wie des linearen Chirps sowie des Pulsabstands von farbigen Doppelpulsen führen zu dem Schluss, dass der gut bekannte Intrapuls-Abregemechanismus verantwortlich für den Einfluss der Frequenzfolge innerhalb des Anregepulses auf die Ausbeute des Photoprodukts ist. Adaptive Optimierungen führen zum gleichen Ergebnis. Adaptive Quantenkontrolle wurde auch erstmalig auf Oberflächenreaktionen auf einer Katalysator-Metalloberfläche angewendet. Dazu wurden die laserinduzierten katalytischen Oberflächenreaktionen von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) auf einer Pd(100) Einkristalloberfläche untersucht. Diese photochemische Reaktion, die durch fs-Laserpulse ausgelöst wird wurde bisher noch nicht beobachtet. Mehrere Produktmoleküle konnten synthetisiert werden, darunter auch Moleküle für deren Bildung mindestens drei Eduktmoleküle zusammenkommen und reagieren müssen. Die systematische Änderung verschiedener Parameter zeigte, dass die Reaktionen von der Katalysatoroberfläche, der Zusammensetzung des Adsorbats und den Eigenschaften der fs-Laserpulse abhängen. Eine Anrege-Abfrage Untersuchung machte deutlich, dass die Reaktionen auf einer ultrakurzen Zeitskala ablaufen. Diese katalytischen Oberflächenreaktionen wurden im Anschluss mit Hilfe von phasengeformten fs-Laserpulsen weiter untersucht und gezielt gesteuert. In adaptiven Quantenkontrollexperimenten konnte das Reaktionsergebnis sowie das Verhältnis unterschiedlicher Reaktionskanäle selektiv manipuliert werden. Es wurden Hinweise gefunden, dass der zugrundeliegende Kontrollmechanismus nichttrivial ist und von den genauen Bedingungen auf der Oberfläche abhängt. Diese Experimente stellen die ersten erfolgreichen adaptiven Quantenkontrollexperimente an einer chemischen Reaktion zwischen Adsorbatmolekülen auf einer Oberfläche dar. Im Gegensatz zu bisherigen Quantenkontrollexperimenten wurden hierbei Reaktionskanäle optimiert, die die Formung und nicht nur den Bruch einer molekularen Bindung umfassen. Diese Arbeit zeigt, dass die Methoden der Quantenkontrolle auf Systeme, die den Situationen in der synthetischen Chemie nahekommen, erfolgreich angewendet werden können, wie mit den zwei Beispielen, der Optimierung einer komplizierten Umlagerungsreaktion und der selektiven Bildung chemischer Bindungen mit geformten fs-Laserpulsen demonstriert wurde.
KW  - Nichtlineare Spektroskopie
KW  - Infrarotspektroskopie
KW  - Massenspektrometrie
KW  - Laserchemie
KW  - Femtosekundenpulse
KW  - Pulsformung
KW  - Quantenkontrolle
KW  - quantum control
KW  - pulse shaping
KW  - femtosecond pulses
KW  - time-of-flight mass spectrometry
KW  - infrared spectroscopy
KW  - nonlinear spectroscopy
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27171
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TY  - THES
A1  - Selle, Reimer Andreas
T1  - Adaptive Polarization Pulse Shaping and Modeling of Light-Matter Interactions with Neural Networks
T1  - Adaptive Polarisationspulsformung und Modellierung von Licht-Materie-Wechselwirkungen mit Neuronalen Netzwerken
N2  - The technique of ultrafast polarization shaping is applied to a model quantum system, the potassium dimer. The polarization dependence of the multiphoton ionization dynamics in this molecule is first investigated in pump–probe experiments, and it is then more generally addressed and exploited in an adaptive quantum control experiment utilizing near–IR polarization–shaped laser pulses. The extension of these polarization shaping techniques to the UV spectral range is presented, and methods for the generation and characterization of polarization–shaped laser pulses in the UV are introduced. Systematic scans of double–pulse sequences are introduced for the investigation and interpretation of control mechanisms. This concept is first introduced and illustrated for an optical demonstration experiment, and it is then applied for the analysis of the intrapulse dumping mechanism that is observed in the excitation of a large dye molecule in solution with ultrashort laser pulses. Shaped laser pulses are employed as a means for obtaining copious amounts of data on light–matter interactions. Neural networks are introduced as a novel tool for generating computer–based models for these interactions from the accumulated data. The viability of this approach is first tested for second harmonic generation (SHG) and molecular fluorescence processes. Neural networks are then utilized for modeling the far more complex coherent strong–field dynamics of potassium atoms.
N2  - Die Technik der ultraschnellen Polarisationspulsformung wird auf ein Modell-Quantensystem, das Kalium-Dimer angewandt. Die Polarisationsabhängigkeit der Ionisationsdynamik wird zunächst mit Anrege-Abfrage-Experimenten untersucht, und anschließend in einem adaptiven Optimierungsexperiment mit polarisationsgeformten Nahinfrarot-Laserpulsen ausgenutzt. Die Polarisationspulsformungstechnik wird auf den ultravioletten Spektralbereich erweitert, und es werden Methoden zur Erzeugung und Charakterisierung von polarisationsgeformten UV-Pulsen vorgestellt. Systematische Abtastungen von Doppelpulsfolgen werden für die Untersuchung und Interpretation von Kontrollmechanismen vorgestellt. Geformte Laserpulse werden verwendet, um umfangreiche Daten über die Licht-Materie Wechselwirkung zu sammeln. Neuronale Netzwerke werden erstmals dazu verwendet, um aus den Daten numerische Modelle für die Wechselwirkung von Licht und Materie zu erzeugen. Die Durchführbarkeit dieses Ansatzes wird zunächst an SHG und Fluoreszenzprozessen demonstriert. Neuronale Netzwerke werden desweiteren dazu verwendet, um die weitaus komplexere Dynamik von Kaliumatomen in starken elektromagnetischen Feldern zu modellieren.
KW  - Lasertechnologie
KW  - Impulslaser
KW  - Optimale Kontrolle
KW  - Pulsformung
KW  - Neuronale Netzwerke
KW  - adaptive Optimierung
KW  - Polarisation
KW  - pulse shaping
KW  - neural networks
KW  - adaptive optimization
KW  - polarization
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-25596
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TY  - THES
A1  - Marquetand, Philipp
T1  - Vectorial properties and laser control of molecular dynamics
T1  - Vektorielle Eigenschaften und Laser-Kontrolle molekularer Dynamik
N2  - In this work, the laser control of molecules was investigated theoretically. In doing so, emphasis was layed on entering vectorial properties and in particular the orientation in the laboratory frame. Therefore, the rotational degree of freedom had to be included in the quantum mechanical description. The coupled vibrational and rotational dynamics was examined, which is usually not done in coherent control theory. Local control theory was applied, where the field is determined from the dynamics of a system, which reacts with an instantaneous response to the perturbation and, in turn, determines the field again. Thus, the field is entangled with the quantum mechanical motion and the presented examples document, that this leads to an intuitive interpretation of the fields in terms of the underlying molecular dynamics. The limiting case of a classical treatment was shown to give similar results and hence, eases to understand the complicated structure of the control fields. In a different approach, the phase- and amplitude shaping of laser fields was systematically studied in the context of controlling population transfer in molecules.
N2  - Das Ziel dieser Arbeit war die theoretische Analyse der Laserkontrolle von Molekülen. Ein Schwerpunkt lag dabei auf vektoriellen Eigenschaften und im Besonderen auf der Orientierung eines Moleküls im Laboratorium. Hierfür wurde der Rotationsfreiheitsgrad in die quantenmechanische Beschreibung einbezogen. Die Kopplung zwischen Vibrations- und Rotationsdynamik wurde explizit berücksichtigt, während dieser Vorgang normalerweise bei theoretischen Untersuchungen zur kohärenten Kontrolle vernachlässigt wird. Als Kontrollschema wurde die lokale Kontrolltheorie (LCT) verwendet, in der das Feld aus der Dynamik eines Systems bestimmt wird, welche sofort auf diese äußere Störung antwortet und damit wiederum das Feld bestimmt. Somit ist das Feld mit der quantenmechanischen Bewegung verknüpft. Die vorgestellten Beispiele dokumentieren, dass dies zu einer intuitiven Interpretation der Felder bzgl. der zu Grunde liegenden molekularen Dynamik führt. In der vereinfachten, klassischen Darstellung der Probleme findet man vergleichbare Resultate. Die klassische Sichtweise ermöglicht ein anschauliches Verständnis der komplizierten Strukturen der Kontrollfelder. Zusätzlich wurde mit einem anderen Ansatz die Phasen- und Amplitudenformung von Laserfeldern systematisch untersucht, wobei der Populationstransfer in Molekülen kontrolliert werden sollte.
KW  - Laserchemie
KW  - Molekularbewegung
KW  - Vektor
KW  - Orientierung
KW  - Orientiertes Molekül
KW  - Photochemie
KW  - Zweiatomiges Molekül
KW  - Nichtstarres Molekül
KW  - Molekülzu
KW  - Kohärente Kontrolle
KW  - Femtochemie
KW  - Pulsformung
KW  - Laser-Kontrolle
KW  - Femtosekunden-Spektroskopie
KW  - Coherent control
KW  - Femto-chemistry
KW  - pulse shaping
KW  - laser control
KW  - femtosecond spectroscopy
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-24697
ER  - 
TY  - THES
A1  - Walter, Dominik
T1  - Adaptive Control of Ultrashort Laser Pulses for High-Harmonic Generation
T1  - Adaptive Kontrolle ultrakurzer Laserpulse zur Erzeugung Hoher Harmonischer
N2  - The generation of high harmonics is an ideal method to convert frequencies of the infrared- or visible range into the soft x-ray range. This process demands high laser intensities that are nowadays supplied by femtosecond laser systems. As the temporal and spatial coherence properties of the laser are transferred during the conversion process, the generated high harmonics will propagate as a beam with high peak-brightness. Under ideal conditions the generation of soft-x-ray pulses shorter than one femtosecond is possible. These properties are exploited in many applications like time-resolved x-ray spectroscopy. The topic of this thesis is the generation and optimization of high harmonics. A variety of conversion setups is investigated (jet of noble gas atoms, gas-filled hollow-fiber, water microdroplets) and theoretical models present ideas to further enhance the conversion efficiency (using excited atoms or aligned molecules). In different setups the peak intensity of the fundamental laser pulses is increased by spectral broadening and subsequent temporal compression. This is achieved with the help of pulse shaping devices that can modify the spectral phase and therefore also the temporal intensity distribution of laser pulses. These pulse shaping devices are controlled by an evolutionary algorithm. With this setup not only adaptive compression of laser pulses is possible, but also the engineering of specific laser pulse shapes to optimize an experimental output. This setup was used to influence the process of high harmonic generation. It is demonstrated that the spectral distribution of the generated soft-x-ray radiation can be controlled by temporal pulse shaping. This method to tailor high harmonics is complemented by spatial shaping techniques. These findings demonstrate the realization of a tunable source of soft-x-ray radiation.
N2  - Die Erzeugung hoher Harmonischer ist eine ideale Methode zur Frequenzkonversion von Licht aus dem sichtbaren- oder Infrarotbereich in den weichen Röntgenbereich. Für diesen Prozess werden hohe Laserintensitäten benötigt, die heutzutage von Femtosekundenlasersystemen bereitgestellt werden können. Da die zeitlichen und räumlichen Kohärenzeigenschaften des Lasers während der Ereugung der hohen Harmonischen Frequenzen nicht verlorengehen, erhält man unter geeigneten Bedingungen räumlich gerichete Pulse weicher Röntgenstrahlung mit Pulsdauern unter einer Femtosekunde. Die hohe Frequenz der erzeugten Strahlung und die kurze Zeitstruktur sind für eine Vielzahl von Anwendungen von grossem Nutzen, z.B. der zeitaufgelösten Röntgenspektroskopie. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich insbesondere mit der Erzeugung und Optimierung Hoher Harmonischer. Es werden experimentelle Ergebnisse unterschiedlicher Aufbauten zur Frequenzkonversion untersucht (Gas Strahl aus Edelgasatomen, gasgefüllte Hohlfaser, Wasser-Mikrotröpfchen) und theoretische Modelle zur effizienteren Erzeugung hoher Harmonischer (Erzeugung in angeregten Atomen oder ausgericheten Molekülen). Um die zur Verfügung stehende Laserintensität weiter zu erhöhen, werden verschiedene Aufbauten zur spektralen Verbreiterung und anschliessenden zeitlichen Kompression genutzt. Dabei kommen Pulsformer zum Einsatz, mit denen sich die spektrale Phase der Laserpulse, und damit gleichzeitig deren zeitlicher Intensitätsverlauf, kontrollieren lässt. Die Pulsformer werden von einem evolutionären Algorithmus gesteuert, wodurch beispielsweise eine automatisierte Pulskompression möglich ist oder Pulsformen erzeugt werden können, die gezielt das Ergebnis eines Experimentes optimieren. Mithilfe eines solchen adaptiven optischen Aufbaus ist es möglich auch den Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer zu beeinflussen. Wie gezeigt wird, lässt dich damit die spektrale Verteilung hoher Harmonischer steuern. Der Grad an Kontrolle der erzeugten Strahlung kann durch räumliche Pulsformung noch weiter erhöht werden. Somit ist eine durchstimmbare Quelle köhärenter weicher Röntgenstrahlung realisiert.
KW  - Frequenzvervielfachung
KW  - Ultrakurzer Lichtimpuls
KW  - Femtosekundenbereich
KW  - Adaptivregelung
KW  - ultrakurz
KW  - Hohe Harmonische
KW  - Pulsformung
KW  - Evolutionärer Algorithmus
KW  - Adaptive Optimierung
KW  - ultrashort
KW  - high harmonic generation
KW  - pulse shaping
KW  - evolutionary algorithm
KW  - adaptive optimization
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21975
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TY  - THES
A1  - Winterfeldt, Carsten
T1  - Generation and control of high-harmonic radiation
T1  - Erzeugung und Kontrolle Hoher Harmonischer
N2  - High-harmonic generation provides a powerful source of ultrashort coherent radiation in the XUV and soft-x-ray range, which also allows for the production of attosecond light pulses. Based on the unique properties of this new radiation it is now possible to perform time-resolved spectroscopy at high excitation energies, from which a wide field of seminal discoveries can be expected. Since the exploration and observation of the corresponding processes in turn are accompanied by the desire to control them, this work deals with new ways to manipulate and characterize the properties of these high-harmonic-based soft-x-ray pulses. After introductory remarks this work first presents a comprehensive overview over recent developments and achievements on the field of the control of high-harmonic radiation in order to classify the experimental results obtained in this work. These results include the control of high-harmonic radiation both by temporally shaping and by manipulating the spatial properties of the fundamental laser pulses. In addition, the influence of the conversion medium and of the setup geometry (gas jet, gas-filled hollow fiber) was investigated. Using adaptive temporal pulse shaping of the driving laser pulse by a deformable mirror, this work demonstrates the complete control over the XUV spectrum of high harmonics. Based on a closed-loop optimization setup incorporating an evolutionary algorithm, it is possible to generate arbitrarily shaped spectra of coherent soft-x-ray radiation in a gas-filled hollow fiber. Both the enhancement and suppression of narrowband high-harmonic emission in a selected wavelength region as well as the enhancement of coherent soft-x-ray radiation over a selectable extended range of harmonics (multiple harmonics) can be achieved. Since simulations that do not take into account spatial properties such as propagation effects inside a hollow fiber cannot reproduce the experimentally observed high contrast ratios between adjacent harmonics, a feedback-controlled adaptive two-dimensional spatial pulse shaper was set up to examine selective fiber mode excitation and the optimization of high-harmonic radiation in such a geometry. It is demonstrated that different fiber modes contribute to harmonic generation and make the high extent of control possible. These results resolve the long-standing issue about the controllability of high-harmonic generation in free-focusing geometries such as gas jets as compared to geometries where the laser is guided. Temporal pulse shaping alone is not sufficient. It was possible to extend the cutoff position of harmonics generated in a gas jet, however, selectivity cannot be achieved. The modifications of the high-harmonic spectrum have direct implications for the time structure of the harmonic radiation, including the possibility for temporal pulse shaping on an attosecond time scale. To this end, known methods for the temporal characterization of optical pulses and high-harmonic pulses (determination of the harmonic chirp on femtosecond and attosecond time scales) were introduced. The experimental progress in this work comprises the demonstration of different setups that are in principle suitable to determine the time structure of shaped harmonic pulses based on two-photon two-color ionization cross-correlation techniques. Photoelectron spectra of different noble gases generated by photoionization with high-harmonic radiation reproduce the spin-orbit splitting of the valence electrons and prove the satisfactory resolution of our electron time-of-flight spectrometer for the temporal characterization of high harmonics. Unfortunately no positive results for this part could be achieved so far, which can probably be attributed mainly to the lack of the focusability of the high harmonics and to the low available power of our laser system. However, we have shown that shaping the high-harmonic radiation in the spectral domain must result in modifications of the time structure on an attosecond time scale. Therefore this constitutes the first steps towards building an attosecond pulse shaper in the soft-x-ray domain. Together with the ultrashort time resolution, high harmonics open great possibilities in the field of time-resolved soft-x-ray spectroscopy, for example of inner-shell transitions. Tailored high-harmonic spectra as generated in this work and shaped attosecond pulses will represent a multifunctional toolbox for this kind of research.
N2  - Die Erzeugung von Hohen Harmonischen stellt eine leistungsfähige Quelle ultrakurzer und kohärenter Strahlung im extremen Ultraviolett- und weichen Röntgenbereich dar, die auch die Erzeugung von Attosekundenlichtimpulsen erlaubt. Durch die einzigartigen Eigenschaften dieser neuen Strahlung ist es nun möglich, zeitaufgelöste Spektroskopie mit hohen Anregungsenergien durchzuführen, was eine Vielzahl bahnbrechender Entdeckungen erwarten lässt. Da die Erforschung und Beobachtung entsprechender Prozesse gekoppelt sind mit dem Wunsch, diese zu kontrollieren, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit Wegen, die Eigenschaften dieser Röntgenpulse aus Hohen Harmonischen zu manipulieren und zu charakterisieren. Nach einleitenden Bemerkungen gibt diese Arbeit zunächst einen umfassenden Überblick über neueste Entwicklungen und Ergebnisse auf dem Gebiet der Kontrolle von Hohen Harmonischen, um die in dieser Arbeit erreichten experimentellen Ergebnisse einordnen zu können. Diese beinhalten die Kontrolle der Strahlung von Hohen Harmonischen sowohl durch die zeitliche Formung als auch durch die Manipulation der räumlichen Eigenschaften der fundamentalen Laserpulse. Untersucht wurde auch der Einfluss des Konversionsmediums und der Geometrie des Aufbaus (Gasstrahl, gasgefüllte Hohlfaser). Durch adaptive zeitliche Pulsformung der erzeugenden Laserpulse mit Hilfe eines deformierbaren Spiegels zeigt die vorliegende Arbeit die komplette Kontrolle über das XUV-Spektrum von Hohen Harmonischen. Basierend auf einem Optimierungsexperiment mit einer Rückkopplungsschleife und einem evolutionären Algorithmus ist es möglich, willkürlich geformte Spektren von kohärenter Strahlung im weichen Röntgenbereich in einer gasgefüllten Hohlfaser zu erzeugen. Sowohl die Steigerung und Unterdrückung von schmalbandiger Hohen-Harmonischen-Strahlung über einen ausgewählten Wellenlängenbereich als auch die Verstärkung von kohärenter weicher Röntgenstrahlung über einen wählbaren ausgedehnten Bereich von Harmonischen können erreicht werden. Da Simulationen ohne die Berücksichtigung von räumlichen Eigenschaften wie zum Beispiel Propagationseffekten in einer Hohlfaser die experimentell beobachteten hohen Kontrastverhältnisse zwischen benachbarten Harmonischen nicht reproduzieren konnten, wurde ein rückkopplungsgesteuerter zweidimensionaler räumlicher Pulsformer in Betrieb genommen, um die gezielte Anregung von Fasermoden und die Optimierung von Hohen Harmonischen in einer solchen Geometrie zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass verschiedene Fasermoden zur Erzeugung von Harmonischen beitragen und erst das hohe Maß an Kontrolle ermöglichen. Diese Ergebnisse lösen eine lang bestehende Frage nach der Kontrollierbarkeit der Erzeugung von Hohen Harmonischen in Geometrien mit einem freien Fokus wie zum Beispiel in Gasstrahlen im Vergleich zu Geometrien, in denen der Laser geführt wird. Zeitliche Pulsformung allein reicht nicht aus. In einem Gasstrahl konnten zwar beispielsweise die höchsten erzeugten Harmonischen zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben werden, eine Selektivität ist jedoch nicht möglich. Die Modifizierungen des Spektrums von Hohen Harmonischen haben direkte Auswirkungen auf die Zeitstruktur der Harmonischen-Strahlung, einschließlich der Möglichkeit für zeitliche Pulsformung im Attosekundenbereich. Dazu wurden bekannte Methoden zur zeitlichen Charakterisierung von optischen Pulsen und Hohen-Harmonischen-Pulsen vorgestellt. Der experimentelle Fortschritt in dieser Arbeit beinhaltet die Demonstration von verschiedenen Aufbauten, die im Prinzip geeignet sind, die Zeitstruktur von geformten Harmonischen-Pulsen mit Kreuzkorrelationsmethoden durch Zwei-Photonen-zwei-Farben-Ionisation zu bestimmen. Photoelektronenspektren verschiedener Edelgase, die durch Photoionisation mit der Hohen-Harmonischen-Strahlung erzeugt wurden, können die Spin-Bahn-Aufspaltung der Valenzelektronen reproduzieren und belegen die ausreichende Auflösung unseres Elektronen-Flugzeit-Spektrometers zur zeitlichen Charakterisierung von Hohen Harmonischen. Leider konnten bislang keine positiven Ergebnisse zu diesem Teil erzielt werden, was sich wohl hauptsächlich auf die fehlende Fokussierbarkeit der Harmonischen und die zu niedrige zur Verfügung stehende Leistung unseres Lasersystems zurückführen lässt. Wir haben jedoch gezeigt, dass die Formung der Hohen-Harmonischen-Strahlung im Spektralbereich Veränderungen der Zeitstruktur auf Attosekundenzeitskalen nach sich ziehen muss. Dies stellt daher erste Schritte in Richtung des Baus eines Attosekundenpulsformers im weichen Röntgenbereich dar. Zusammen mit der ultrakurzen Zeitauflösung eröffnen Hohe Harmonische daher viele Möglichkeiten auf dem Gebiet der zeitaufgelösten Spektroskopie im weichen Röntgenbereich, beispielsweise bei Innenschalen-Übergängen. Maßgeschneiderte Spektren von Hohen Harmonischen, wie sie in dieser Arbeit erzeugt werden konnten, und geformte Attosekundenpulse werden dabei vielseitige Werkzeuge darstellen.
KW  - Frequenzvervielfachung
KW  - Ultrakurzer Lichtimpuls
KW  - Attosekundenbereich
KW  - Adaptivregelung
KW  - Erzeugung Hoher Harmonischer
KW  - Wechselwirkung intensiver Laserpulse mit Materie
KW  - adaptive Kontrolle
KW  - Pulsformung
KW  - ultraschnelle Optik
KW  - high-harmonic generation
KW  - high-intensity laser-matter interaction
KW  - adaptive control
KW  - pulse shaping
KW  - ultrafast optics
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20309
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gräfe, Stefanie
T1  - Laser-control of molecular dynamics
T1  - Lasergesteuerte Kontrolle molekularer Dynamik
N2  - In this work a new algorithm to determine quantum control fields from the instantaneous response of systems has been developed. The derived fields allow to establish a direct connection between the applied perturbation and the molecular dynamics. The principle is most easily illustrated in regarding a classical forced oscillator. A particle moving inside the respective potential is accelerated if an external field is applied acting in the same direction as its momentum (heating). In contrary, a deceleration is achieved by a field acting in the opposite direction as the momentum (cooling). Furthermore, when the particle reaches a classical turning point and then changes its direction, the sign of the field has to be changed to further drive the system in the desired way. The frequency of the field therefore is in resonance with the oscillator. This intuitively clear picture of a driven classical oscillator can be used for directing (or controlling) quantum mechanical wave packet motion. The efficiency of the instantaneous dynamics algorithm was demonstrated in treating various model problems, the population transfer in double well potentials, excitation and dissociation of selective modes, and the population transfer between electronic states. Although it was not tried to optimize the fields to gain higher yields, the control was found to be very efficient. Driving population transfer in a double well potential could be shown to take place with nearly 100% efficiency. It was shown that selective dissociation within the electronic ground state of HOD can be performed by either maximizing a selected coordinate's differential momentum change or the energy absorption. Concerning the population transfer into excited electronic states, a direct comparison with common control algorithms as optimal control theory and genetic algorithms was accomplished using a one-dimensional representation of methyl iodide. The fields derived from the various control theories were effective in transferring population into the chosen target state but the underlying physical background of the derived optimal fields was not obvious to explain. The instantaneous dynamics algorithm allowed to establish a direct relation between the derived fields and the underlying molecular dynamics. Bound-to-bound transitions could be handled more effectively. This was demonstrated on the sodium dimer in a representation of 3 electronic states being initially in its vibronic ground state. The objective was to transfer population into a predefined excited state. Choosing the first or the second state as a target, the control fields exhibited quite different features. The pulse-structure is related to the excited state wave packet, moving in, and out of the Franck-Condon region. Changing the control objective, the derived control field performed pure electronic transitions on a fast time-scale via a two-step transition. Futhermore, orientational effects have been investigated. The overall-efficiency of the population transfer for differently oriented molecules was about 70 % or more if applying a control field derived for a 45° orientation. Spectroscopic methods to gain information about the outcome of the control process have been investigated. It was shown that pump/probe femtosecond ionization spectroscopy is suited to monitor time-dependent molecular probability distributions. In particular, time-dependent photoelectron spectra are able to monitor the population in the various electronic states. In the last chapter a different possibility of controlling molecules was regarded by investigating molecular iodine with a setup similar to the STIRAP (“Stimulated Raman Adiabatic passage”) scenario. The possibility to extend this technique to a fs-time scale was examined in theory as well as in experiments, the latter being performed by Dr. Torsten Siebert in the Kiefer group, University of Würzburg. It was shown that off-resonant excitation with implementation of the pulses with a higher intensity of the Stokes pulse as compared to the pump pulse - describing a so-called f-STIRAP like configuration - was shown to effectively transfer population into excited ground-state vibrational levels. This was theoretically underlined by comparing the numerically exact coupling case with the adiabatic picture. The process was described to run in the vicinity of adibaticity. A new model explaining the process by the system's vector rotating around the dressed state vector will be adopted in future calculations. Altogether, a new promising algorithm to control dynamical processes based on the instantaneous response has been developed. Because the derived control fields have been shown to be very efficient in selectively influencing molecules, it is to be expected that farther reaching applications can be realized in future investigations.
N2  - In dieser Arbeit wurde ein neuer Algorithmus zur Bestimmung von Kontrollfeldern aus der instantanen Respons von Systemen auf die Wirkung von Laserfeldern entwickelt. Die damit berechneten Felder ermöglichen es, eine Verbindung zwischen der Störung durch das Laserfeld und der molekularen Dynamik herzustellen. Das Prinzip lässt sich an einem klassischen Oszillator veranschaulichen: Ein sich innerhalb dieses Oszillatorpotenzials bewegendes Teilchen wird durch ein externes Feld beschleunigt, wenn dieses und der Impuls des Teilchens in die gleiche Richtung weisen. Ein Abbremsen des Teilchens wird durch ein Feld erzielt, welches dem Impuls des Teilchens entgegen gerichtet ist. Wenn das Teilchen in dem Oszillator einen Umkehrpunkt erreicht und dort seine Richtung ändert, wird das Vorzeichen des Feldes an die neue Richtung angepasst: Die Frequenz des Feldes befindet sich in Resonanz mit der Oszillatorfreuqenz. Dieses klassische Bild der erzwungenen Schwingung eines Oszillators kann für die Kontrolle quantenmechanischer Wellenpaketbewegungen angewendet werden. Die Effizienz des Algorithmus' wurde an verschiedenen Problemen, wie dem Populationstransfer (PT) in Doppelminimum-Potenzialen, Anregung und Dissoziation selektiver Moden und den PT in unterschiedliche el. Zuständen aufgezeigt. Obwohl keine Optimierung der Felder bezüglich höherer Ausbeuten durchgeführt wurde, konnte eine hohe Effizienz der Prozesse nachgewiesen werden. Ein PT in Doppelminimum-Potentialen wurde nahezu vollständig erreicht. Selektive Dissoziation innerhalb des el. Grundzustandes des HOD-Moleküls wurde unter Verwendung zweier unterschiedlicher Methoden, der Maximierung der zeitlichen Änderung des Impulses oder der Energieabsorption einer Koordinate, erzielt. Bezüglich des PT in el. angeregte Zustände wurden bekannte Kontrollalgorithmen wie die Theorie der optimalen Kontrolle und genetischer Algorithmen mit dem in dieser Arbeit entwickelten Prinzip der instantanen Respons anhand einer 1D Darstellung des Methyliodids verglichen. Die aus den verschiedenen Theorien konstruierten Felder erzielten einen effektiven PT in den zuvor definierten Zielzustand, jedoch ist der dem zu Grunde liegende, physikalische Hintergrund nicht einfach zu beschreiben. Mit Hilfe des Instantanen-Respons-Algorithmus' konnte eine direkte Relation zwischen den Feldern und der molekularen Dynamik hergestellt werden. Anhand des Na2 in einer Darstellung von 3 elektronischen Zuständen sollte nur ein Zustand selektiv angeregt werden. Je nach Wahl des Zielzustandes zeigten sich deutliche Unterschiede. Selektive Anregung des 1. Zustandes erzeugte ein Feld bestehend aus einer Pulsfolge, die durch ein Wellenpaket im angeregten Zustand, welches sich in und aus dem Franck-Condon Fenster heraus bewegt, erklärt werden konnte. Anregung des 2. Zustandes führte zu einem Feld, welches nicht auf Vibration, sondern rein elektronischer Anregung in einem 2-Stufen-Prozess beruht. Bei der Betrachtung von Orientierungseffekten konnte gezeigt werden, dass PT für alle Orientierungen mit einem Feld, welches aus einer mittleren Orientierung bestimmt wurde, effizient ist. Untersuchungen spektroskopischer Methoden, um Informationen über die Effizienz von Kontrollprozessen zu liefern, zeigten, dass Pump-Probe Ionisationsspektroskopie im Femtosekundenbereich (fs) dazu sehr gut dazu geeignet ist. Im Speziellen konnte mit zeitabh. Photoelektronenspektren die Populationen in den elektronischen Zuständen nach Anlegen des jeweiligen Feldes „beobachtet“ werden. Im letzten Kapitel wurde eine andere Methode der Kontrolle von Molekülen in Anlehnung an einen STIRAP ("Stimulated Raman Adiabatic Passage“) Prozess am Beispiel molekularen Iods vorgestellt. Dabei wurde die Möglichkeit, diese Technik auf die fs-Zeitskala auszudehnen,in Theorie und Experiment untersucht, wobei die Messungen von Dr. Torsten Siebert (Universität Würzburg, Arbeitskreis Prof. Kiefer) durchgeführt worden sind. Nicht-resonante Anregung, mit einer Abfolge der Pulse, in der der Stokes-Puls mit der höheren Intensität im Vergleich zum Pump-Puls in einer f-STIRAP-artigen Anordnung dem Pump-Puls vorausgeht, führte zu einem effizienten PT in einen schwingungsangeregten Zustand im el. Grundzustand. Dies konnte durch einen Vergleich des numerisch exakten Falls mit einer adiabatischen Behandlung theoretisch untermauert werden. Die zu Grunde liegenden Prozesse sind näherungsweise durch adiabatisches Verhalten charakterisiert. Dazu wird gerade ein neues Modell entwickelt, welches den Prozess mit einem um einen dressed-state rotierenden Vektor im Hilbertraum erklärt. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit ein Algorithmus zur Kontrolle von Moleküldynamik entwickelt, der auf der instantanen Antwort eines Systems bei Wechselwirkung mit einem elektrischen Feld beruht. Die daraus berechneten Kontrollfelder sind sehr effizient bezüglich einer selektiven Kontrolle von Molekülen und versprechen noch viele zukünftige Anwendungsmöglichkeiten.
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Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13388
ER  -