TY  - THES
A1  - Papastathopoulos, Evangelos
T1  - Adaptive control of electronic excitation utilizing ultrafast laser pulses
T1  - Adaptive Kontrolle elektronischer Anregung mitels Femtosekunden-Laserpulsen
N2  - The subject of this work has been the investigation of dynamical processes that occur during and after the interaction of matter with pulses of femtosecond laser radiation. The experiments presented here were performed in the gas phase and involve one atomic and several model molecular systems. Absorption of femtosecond laser radiation by these systems induces an electronic excitation, and subsequently their ionization, photofragmentation or isomerization. The specific adjustment of the excitation laser field properties offers the possibility to manipulate the induced electronic excitation and to influence the formation of the associated photoproducts. From the perspective of the employed spectroscopic methods, the development of photoelectron spectroscopy and its implementation in laser control experiments has been of particular interest in this thesis. This technique allows for a most direct and intuitive observation of electronic excitation dynamics in atomic as well as in complex polyatomic molecular systems. The propagation of an intermediate electronic transient state, associated to the formation of a particular photoproduct, can be interrogated by means of its correlation to a specific state of the atomic or molecular continuum. Such correlations involve the autoionization of the transient state, or by means of a second probe laser field, a structural correlation, as summarized by the Koopman's theorem (section 2.4.1). The technique of adaptive femtosecond quantum control has been the subject of development in our group for many years. The basic method, by which the temporal profile of near-infrared laser pulses at a central wavelength of 800 nm, can be adjusted, is a programmable femtosecond pulse-shaper that comprises of a zero dispersion compressor and a commercial liquid crystal modulator (LCD). This experimental arrangement was realized prior to this thesis and served as a starting point to extend the pulse-shaping technique to the ultraviolet spectral region. This technological development was realized for the purposes of the experiments presented in Chapter 5. It involves a combination of the LCD-pulse-shaper with frequency up-conversion techniques on the basis of producing specifically modulated laser pulses of central wavelength 266 nm. Furthermore, the optical method X-FROG had to be developed in order to characterize the often complex structure of generated ultraviolet pulses. In the adaptive control experiments presented in this work, the generated femtosecond laser pulses could be automatically adjusted by means of specifically addressing the 128 independent voltage parameters of the programmable liquid-crystal modulator. Additionally a machine learning algorithm was employed for the cause of defining laser pulse-shapes that delivered the desired (optimal) outcome in the investigated laser interaction processes. In Chapter 4, the technique of feedback-controlled femtosecond pulse shaping was combined with time-of-flight mass spectroscopy as well as photoelectron spectroscopy in order to investigate the multiphoton double ionization of atomic calcium. A pronounced absolute enhancement of the double ionization yield was obtained with optimized femtosecond laser pulses. On the basis of the measured photoelectron spectra and of the electron optimization experiments, a non-sequential process was found, which plays an important role in the formation of doubly charged Calcium ions. Then in Chapter 5, the dynamics following the pp* excitation of ethylene-like molecules were investigated. In this context, the model molecule stilbene was studied by means of femtosecond photoelectron spectroscopy. Due to the simplicity of its chemical structure, stilebene is one of the most famous models used in experimental as well as theoretical studies of isomerization dynamics. From the time-resolved experiments described in that chapter, new spectroscopic data involving the second excited electronic state S2 of the molecule were acquired. The second ethylenic product was the molecule tetrakis (dimethylamino) ethylene (TDMAE). Due to the presence of numerous lone pair electrons on the four dimethylamino groups, TDMAE exhibits a much more complex structure than stilbene. Nevertheless, previously reported studies on the dynamics of TDMAE provided vital information for planning and conducting a successful optimisation control experiment of the wavepacket propagation upon the (pp*) S1 excited potential surface of the molecule. Finally, in Chapter 6 the possibility of employing femtosecond laser pulses as an alternative method for activating a metallocene molecular catalyst was addressed. By means of an adaptive laser control scheme, an optimization experiment was realized. There, the target was the selective cleavage of one methyl-ligand of the model catalyst (Cp)^2Zr(CH3)^2, which induces a catalytic coordination position on the molecule. The spectroscopic studies presented in that chapter were performed in collaboration to the company BASF A.G. and constitute a proof-of principle attempt for a commercial application of the adaptive femtosecond quantum control technique.
N2  - Das Thema der hier vorgestellten Arbeit umfasst die Untersuchung von dynamischen Prozessen, die während der Wechselwirkung von Femtosekunden Laserpulsen mit Atomen und Molekülen stattfinden. Die entsprechenden Experimente sind in der Gasphase durchgeführt worden, wobei ein Atom- und mehrere Molekül-Modellsysteme untergesucht wurden. Die Absorption von Femtosekunden-Laserstrahlung induziert die elektronische Anregung der quantumsmechanischen Systeme und eventuell deren Ionisation, Photofragmentnation oder Isomerisierung. Die gezielte Einstellung der Laserfeldeigenschaften bietet die Möglichkeit, diese Prozesse zu beeinflussen, beziehungsweise die Formung von entsprechenden Photoprodukten zu steuern. Im Hinblick auf die verwendeten spektroskopischen Methoden wurde besonderes Interesse auf die Entwicklung von Photoelektronen-Spektroskopie und in deren Einsatz zur Durchführung von laserinduzierten Kontrollexperimente gelegt. Photoelektronen-Spektroskopie ermöglicht die direkte und intuitive Beobachtung elektronischer Anregungsdynamik in Atomen sowie in komplexen mehreratomaren Molekülsystemen. Die zeitliche Entwicklung von angeregten elektronischen Zuständen ist oft bei der Formung von bestimmten Photoprodukten assoziiert. Die Dynamik kann mittels der Korrelation des sich entwickelnden Zustandes zu den Kontinuumzuständen des Atom- oder Molekül-Systems untersucht werden. Das detektionsverfahren umfasst die Autoionization oder, mittels eines zweiten Laserpulses, die Weiteranregung des Systems ins Kontinuum. Denn, die Beobachtung der entsprechenden Strukturänderungen des Systems erfolgt mittels der Korrelation des zwischenangeregten Zustand zu den verschiedenen Kontinuumzuständen (Koopman Theorem). Seit mehreren Jahren wurde die Methode der adaptiven Femtosekunden-Pulsformung in unserer Gruppe entwickelt. Die anfängliche experimentelle Anordnung besteht aus einer Kombination von einem Flüssig-Kristall-Modulator (LCD) und einen Null-Dispersions-Kompressor. Damit ist es möglich, das zeitliche Profil von Laserpulsen im Infrarot (800 nm) Spektralbereich automatisch zu modulieren. Diese Entwicklungsarbeit stand bereits zu Verfügung vor dem Anfang der vorgestellten Dissertation. Hier wurde die Erweiterung dieser Methode in den uravioletten Spektralbereich vorgestellt (Kapitel 5). Es umfasst eine Kombination von dem bestehenden LCD-Pulsformer und einem Verfahren zur Frequenzkonversion, das die Erzeugung von modulierten aserpulsen mit eine Wellenlänge 266 nm ermöglicht. Die entsprechende Charakterisierungsmethoden (X-FROG) wurden ebenfalls entwickelt. Die Femtosekunden-Laserpulse können automatisch moduliert werden durch die entsprechende Einstellung der 128 unabhängigen Spannungsparametern des LCD-Modulators. Zusätzlich wurden die optimale Parameter für die Kontrolle eines bestimmten anregungsprozess mittels eines Machine-Learning Algorithmus gefunden. In Kapitel 4 wurde die Mehrphoton-Doppleionization von Calciumatomen untersucht. Dabei wurde die Methode der adaptiven Pulsformung zusammen mit time-of-flight Massenspektroskopie und Photoelektronenspektroskopie ingesetzt. Das absolute Signal der Doppleionization konnte verdoppelt werden durch die Anregung mit bestimmten komplexen Pulsformen. Gerade bei den Optimierungexperimenten an photoelektronenspektra konnte ein „non-sequential" Prozess entdeckt werden, der eine wichtige Rolle bei der Doppleionization von Calcium spielt. In Kapitel 5 wurde die Dynamik von pp* Anregungsprozessen von Ethylenähnlichen-Moleküle untersucht. Im diesen Zusammenhang wurde das Modelmolekül Stilbene mittels Photoelektronenspektroskopie weiteruntersucht. Wegen seiner einfachen Struktur ist Stilbene eines der meistbenutzten Moleküle für Untersuchungen zur Photoisomerisierungsdynamik. Gerade bei den hier dargestellten zeitaufgelüsten Messungen wurde neu spektroskopische Information über den zweiten angeregten elektronische Zustand S2 entdeckt. Das zweite untersuchte Molekül ist Tetrakis Dimethylamino) Ethylen (TDMAE). Wegen den zahlreichen „Lone-Pair" Elektronen an seinen Dimethylamino Gruppen ist die gesamte Struktur des Moleküls deutlich komplexer im Vergleich zu Stilbene. Allerdings, ausgehend von gegebenen spektroskopischen Informationen aus der Literatur konnte ein erfolgreiches Kontrollexperiment an der Wellenpackets-Propagation des pp* Anregungsprozesses (auf dem S1 Zustand) geplant und durchgeführt werden. In Kapitel 6 wurde schließlich die Möglichkeit erforscht, einen Metallocene-Katalysator mittels Femtosekunden-Laserpulsen zu aktivieren. Das Kotrollschema der adaptiven Pulsformung wurde dabei eingesetzt, um eine der zwei identischen Methylgruppen des Moleküls selektiv abzuspalten, was zur Aktivierung des Katalysators führt. Diese spektroskopische Untersuchung wurde in Kollaboration mit der Firma BASF A.G. durchgeführt. Es stellt einen Grundlagenversuch der industriellen Anwendung der adaptiven Quantumskontrollemethode dar.
KW  - Ultrakurzer Lichtimpuls
KW  - Femtosekundenbereich
KW  - Molekulardynamik
KW  - Photochemische Reaktion
KW  - Regelung
KW  - Laser
KW  - Femtosekundendynamik
KW  - Photofragmentation
KW  - Isomerizierung
KW  - Ionization
KW  - Laser
KW  - Femtosecond dynamics
KW  - Photofragmentation
KW  - Isomerization
KW  - Ionization
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12533
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krampert, Gerhard
T1  - Femtosecond quantum control and adaptive polarization pulse shaping
T1  - Femtosekunden Quanten Kontrolle und Adaptive Polarisations Puls Formung
N2  - Adaptive Femtosekunden-Quantenkontrolle hat sich in den letzten Jahren als eine sehr erfolgreiche Methode in vielen wissenschaftlichen Gebieten wie Physik, Chemie oder Biologie erwiesen. Eine Vielzahl von Quantensystemen und insbesondere Moleküle, die eine chemische Reaktion durchlaufen, sind durch speziell geformte, Femtosekunden-Laserimpulse kontrolliert worden. Diese Methode erlaubt es, nicht nur das Quantensystem zu beobachten, sondern einen Schritt weiterzugehen und aktive Kontrolle über quantenmechanische Dynamik zu erlangen. In diesem Schema werden Interferenzphänomene im Zeit- und Frequenzraum benutzt, um Selektivität zum Beispiel in einer chemischen Reaktion zu erhalten. Die dazu benutzten, speziell geformten Femtosekunden-Laserimpulse waren bislang nur linear polarisiert. Deshalb konnten sie nur die skalaren Eigenschaften der Licht - Materie - Wechselwirkung ausnutzen und haben so den vektoriellen Charakter des elektrischen Dipolmoments $\vec{\mu}$ und des elektrischen Lichtfeldes $\vec{E}(t)$ vernachlässigt. Im besonderen in der Quantenkontrolle von chemischen Reaktionen ist das untersuchte System, die Moleküle, dreidimensional und zeigt komplexe raumzeitliche Dynamik. Mit der Hilfe von polarisations-geformten Laserimpulsen ist man jetzt in der Lage dieser Dynamik, sowohl in der Zeit als auch in der räumlichen Richtung zu folgen. Deshalb kann nun ein neues Niveau an Kontrolle in quanten-mechanischen Systemen erreicht werden. In dieser Arbeit konnte die Erzeugung von polarisations-geformten Laserimpulsen in einem optischen Aufbau verwirklicht werden. Dieser Aufbau erfordert keine interferometrische Stabilität, da beide Polarisationskomponenten demgleichen Strahlweg folgen. Zwei-Kanal spektrale Interferometrie wurde eingesetzt, um die Laserimpulse experimentell vollständig zu charakterisieren. Um den zeitabhängigen Polarisationszustand dieser Pulse exakt zu beschreiben, wurde eine mathematische Darstellung entwickelt und angewandt. Die Veränderungen des Polarisationszustandes durch optische Elemente wurde untersucht und einige Lösungen wurden aufgezeigt, um diese Veränderungen zu minimieren. Der Jones Matrix Formalismus wurde dazu benutzt, alle Verzerrungen des Polarisationszustandes zwischen dem Impulsformer und dem Ort des Experiments zu berücksichtigen. Zugleich können die Jones Matrizen zu einer vollständigen Charakterisierung der erzeugten Laserimpulse verwendet werden. Dabei wurden experimentell kalibrierte Matrizen eingesetzt. Adaptive Polarisations-Impulsformung konnte in einem rein optischen Demonstrationsexperiment gezeigt werden. Dabei wurde die computergesteuerte Polarisationsformung mit einer Lernschleife und einem experimentellen Rückkopplungssignal kombiniert. Durch diesen selbstlernenden Algorithmus konnte der benötigte, linear polarisierte Laserimpuls mit möglichst kleiner Impulsdauer gefunden werden, der für die effektive Erzeugung der zweiten Harmonischen in einem nichtlinearen optischen Kristall am besten geeignet ist. Durch diese Rückkopplungsschleife war es möglich auch noch kompliziertere Polarisationsverzerrungen, die durch eine Wellenplatte für eine falsche Wellenlänge verursacht wurden, rückgängig zu machen. Die zusätzliche Verformung der spektralen Phase durch Materialdispersion in einem 10~cm langen Glasblock konnte ebenfalls automatisch kompensiert werden. Nach diesen optischen Demonstrationsexperimenten wurde ultraschnelle Polarisationsformung angewandt, um ein Quantensystem zu kontrollieren. Die Polarisationsabhängigkeit der Multi-Photonen Ionisation von Kaliumdimeren konnte in einer Anrege-Abtast Messung nachgewiesen werden. Diese Abhängigkeit wurde dann in einem adaptiven Polarisationsformungsexperiment in einer sehr viel allgemeineren Art ausgenutzt. Statt nur einem Anrege- und Abtastlaserimpuls mit jeweils unterschiedlicher Polarisation zu benutzen, wurde der zeitabhängige Polarisationszustand eines geformtem Laserimpulses benutzt, um die Ionisation zu maximieren. Anstelle von einer nur quantitativen Verbesserung konnte eine qualitativ neue Art von Kontrolle über Quantensysteme demonstriert werden. Diese Polarisationskontrolle ist anwendbar selbst bei zufällig ausgerichteten Molekülen. Durch diese Möglichkeit, auf Ausrichtung der Moleküle zu verzichten, konnte mit einem wesentlich vereinfachten experimentellen Aufbau gearbeitet werden. Über diese Polarisationskontrollexperimente hinaus wurden auch die dreidimensionalen Aspekte der Dynamik von Molekülen erforscht und kontrolliert. Die \textit{cis-trans} Photoisomerisierungsreaktion von 3,3$'$-Diethyl-2,2$'$-Thiacyanin Iodid (NK88) wurde in der flüssigen Phase mit transienter Absorptionsspektroskopie untersucht. Die Isomerisierungsausbeute konnte sowohl erhöht als auch erniedrigt werden durch den Einsatz geformter Femtosekunden-Laserimpulse mit einer Zentralwellenlänge von 400~nm, die sowohl in spektraler Phase als auch Amplitude moduliert waren. Dieses Experiment zeigt die Möglichkeit, die kohärente Bewegung großer molekularer Gruppen durch Laserimpulse gezielt zu beeinflussen. Diese Modifikation der molekularen Geometrie kann als erster Schritt angesehen werden, kontrollierte Stereochemie zu verwirklichen. Insbesondere da im ersten Teil dieser Arbeit die Kontrolle von Molekülen mit Polarisations-geformten Impulsen gezeigt werden konnte, ist der Weg geebnet zu einer Umwandlung von einem chiralen Enantiomer in das andere, da theoretische Modelle dieser Umwandlung polarisations-geformte Laserimpulse benötigen. Außer diesen faszinierenden Anwendungen der Polarisationsformung sollte es nun möglich sein den Wellenlängenbereich der polarisations-geformten Laserimpulse auszuweiten. Sowohl Erzeugung der zweiten Harmonischen um in den ultravioletten Bereich zu kommen als auch optische Gleichrichtung von äußerst kurzen Femtosekunden-Impulsen um den mittleren infrarot Bereich abzudecken sind Möglichkeiten, den Wellenlängenbereich von polarisations-geformten Laserimpulsen zu erweitern. Mit diesen neuen Wellenlängen tut sich eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten auf, Polarisationsformung für die Kontrolle von quantenmechanischen Systemen einzusetzen.
N2  - Adaptive femtosecond quantum control has proven to be a very successful method in many different scientific fields like physics, chemistry or biology. Numerous quantum systems and in particular molecules undergoing chemical reactions have been controlled using shaped femtosecond laser pulses. This method allows to go beyond simple observation and to obtain active control over quantum--mechanical systems. It uses interference phenomena in the time and/or frequency domain to achieve selectivity. The shaped femtosecond laser pulses employed in this scheme have until recently been purely linearly polarized. Therefore, they only address the scalar properties of light--matter interaction and neglect the vectorial character of both the dipole moment $\vec{\mu}$ and the electric field $\vec{E}(t)$. Especially in the quantum control of chemical reactions the investigated systems ---the molecules--- are three dimensional and exhibit complex spatio--tempo\-ral dynamics. With the help of polarization--shaped laser pulses one is now able to follow these dynamics in both, time and spatial direction, and can therefore reach a new level of control over quantum--mechanical systems. In this work, the generation of polarization--shaped laser pulses has been implemented in an optical setup. It requires no interferometric stability as a result of the identical beam path for both polarization components. Dual--channel spectral interferometry was employed as experimental pulse characterization and a mathematical description of the time--dependent polarization state of these pulses was given. The polarization modulation of the shaped pulses by subsequent optical elements was investigated and some solutions to minimize these modulations were presented. Jones matrix calculus with experimentally calibrated matrices was implemented to account for all polarization distortions from the LCD to the position of the experiment and for full characterization of the generated pulse shapes. Adaptive polarization shaping was demonstrated in a purely optical realization of the learning--loop concept. The learning algorithm was able to find the needed linear polarization in order to maximize second harmonic generation in a nonlinear optical crystal. The closed--loop configuration has proven to be capable to clear up more complicated polarization distortion, which was introduced using a multiple order half--wave plate designed for use at a wavelength of 620~nm. The additional deformation of the spectral phase through dispersion in a 10~cm long SF10 glass rod has also been compensated automatically. After these optical demonstration experiments ultrafast polarization shaping was applied to control a quantum system. Polarization sensitivity was shown in pump--probe measurements of the multiphoton ionization of potassium dimer molecules K$_2$. This sensitivity was exploited in a more general way in a learning--loop experiment with polarization--shaped laser pulses. A qualitatively new level of control was demonstrated using the time--dependent polarization state of laser pulses as an active agent. This polarization control was applicable even in randomly aligned molecules, which is a significant simplification of the experimental setup. In addition to these polarization control experiments, the three dimensional dynamics of molecules were also investigated and controlled. The \textit{cis--trans} photoisomerization of NK88 was studied in the liquid phase by transient absorption spectroscopy. The isomerization reaction efficiency was enhanced as well as reduced using linearly polarized laser pulses at 400~nm shaped in spectral phase and amplitude. This experiment demonstrates the ability to control the large scale motion of complex molecular groups with shaped femtosecond laser pulses. The modification of the molecular geometry can be regarded as a first step towards control of chirality in photochemistry. Especially with the successful demonstration of polarization quantum control, which is required in the theoretical models for the selective conversion of one enantiomer into the other, the way is paved towards coherent control of chirality. Besides these fascinating applications of polarization shaping it should now also be possible to extend the wavelength range of these pulses. Apart from second harmonic generation in order to reach the ultraviolet region intra-pulse difference frequency generation could be an option to open the mid-infrared spectral range for polarization shaping. With these new wavelength regions numerous new perspectives arise for quantum control using polarization--shaped laser pulses. Referring once more to the novel of Edwin A. Abbott presented in the introduction one could say that shaped femtosecond pulses really have left Flatland. Or to put it into the words of the sphere, when it teaches the square about the perception of dimensions: \begin{quote} ``Look yonder [...] in Flatland thou hast lived; of Lineland thou hast received a vision; thou hast soared with me to the heights of Spaceland;'' \hfill Edwin A.~Abbott~\cite{abbott1884}, 1884 \end{quote}
KW  - Ultrakurzer Lichtimpuls
KW  - Femtosekundenbereich
KW  - Photochemische Reaktion
KW  - Regelung
KW  - Pulsformung
KW  - Quanten-Kontrolle
KW  - Femtosekunden Dynamik
KW  - Photoisomerisation
KW  - Femtochemie
KW  - Quantum Control
KW  - Pulse Shaping
KW  - Femtosecond Dynamics
KW  - Photoisomerization
KW  - Femtochemistry
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10304
ER  -