Visualization and control of the electron quantum paths in high field laser-atom interactions

Abstract

The fundamental mechanism underlying harmonic emission in the strong-field regime is governed by tunnel ionization of the atom, followed by the motion of the electron wave-packet in the continuum, and finally by its recollision with the atomic core. Due to the quantum nature of this process, the properties of the electron wave-packet strongly correlate with those of the emitted radiation. In this Thesis, overlapping the harmonic radiation emitted by different interfering electron quantum paths and imaging the correspondent interference pattern, has been succeeded to investigate the intricacies associated with the recollision process. The spatial extreme-ultraviolet (EUV)-intensity distribution has been mapped onto a spatial ion distribution, produced in the EUV focal area through linear and nonlinear ionization processes of rare gases atoms. Due to the high degree of accuracy that the present approach provides, has been possible to be demonstrated the quantum nature of the recollision process. Additionally, based again on the ion-imaging technique, a novel single-shot second-order autocorrelation scheme for extreme-ultraviolet (EUV) radiation has been proposed. Using simple analytical and detailed numerical modeling, an evaluation toward selecting an optimum configuration has been performed. The implementation of the concept to characterize attosecond pulses is discussed, and the proposed setups are assessed. Finally, is demonstrated the generation of a broadband coherent continuum EUV radiation by the interaction of rare gases with a many-cycle infrared (IR) laser field ellipticity-modulated by utilizing a compact collinear many cycle-polarization gating (CMC-PG) device. The CMC-PG device formulates the many-cycle driving pulse in such a way that the EUV emission is canceled anywhere else but in a small energetic interval of the proper small duration; the so-called “gate”. The “gate”-width has been measured and is in agreement with the theoretical calculations. The spectral width of the generated EUV radiation can support isolated pulses of 200 asec duration. The simplicity, the compactness, the long term stability, and the high IR energy output within the “gate”, make the CMC-PG device an ideal tool for generating energetic isolated attosecond pulses.

Ο βασικός μηχανισμός που οδηγεί στην εκπομπή ανώτερης τάξης αρμονικών σε συνθήκες ισχυρού- πεδίου, δύναται να αναλυθεί σε τρία στάδια: αρχικά το άτομο ιονίζεται μέσω φαινομένου σήραγγος, ακολουθεί η κίνηση του ηλεκτρονικού κυματοπακέτου μακρυά από τον πυρήνα και τελικά λαμβάνει χώρα η επανασύνδεση του ηλεκρονίου με τον ατομικό πυρήνα και η παράλληλη εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Λόγω της κβαντικής φύσης της διαδικασίας, οι ιδιότητες του ηλεκτρονικού κυματοπακέτου συσχετίζονται στενά με τις ιδιότητες της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Στην παρούσα Διατριβή εξετάζονται ενδογενείς ιδιότητες της διαδικασίας επανασύνδεσης. Αυτό καθίσταται δυνατό μέσω της ανάλυσης της εκ συμβολής χωρικής κατανομής της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Η χωρική αυτή κατανομή δημιουργείται από την υπέρθεση μερών της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας προερχόμενα από δύο διακριτές τάξεις ηλεκτρονικών κβαντικών διαδρομών (των “μακρών” και των “βραχέων”). Τα δύο αυτά μέρη εστιάζονται μαζί και η χωρική κατανομή της έντασης του μακρού υπεριώδους (ΕUV), στην εστιακή περιοχή, απεικονίζεται μέσω της καταγραφής της χωρικής κατανομής ιόντων που προκύπτουν από μονοφωτονικές ή διφωτονικές διαδικασίες ιονισμού ατόμων ευγενών αερίων. Χάρις στον υψηλό βαθμό ακριβείας που προσφέρεται από τη συγκεκριμένη μέθοδο, γίνεται δυνατό να καταδειχθεί η κβαντική φύση της διαδικασίας επανασύνδεσης. Eπιπλέον, βασισμένη στην ίδια απεικονιστική τεχνική με τη χρήση ιόντων, στην παρούσα Διατριβή προτείνεται μια καινοτόμος μέθοδος αυτοσυσχέτισης δεύτερης τάξης και μονής-βολής (single-shot) για τον χαρακτηρισμό υπερβραχέων παλμών με φάσμα συχνοτήτων εντοπισμένο στην περιοχή του μακρού υπεριώδους. Χρησιμοποιώντας απλά αναλυτικά πρότυπα (μοντέλα), καθώς και λεπτομερή υπολογιστικά, πραγματοποιείται μια αποτίμηση όσον αφορά στην επιλογή της βέλτιστης διάταξης και εξετάζονται διάφοροι τρόποι υλοποίησης της μεθόδου. Τέλος, στην Διατριβή αυτή, γίνεται η περιγραφή της γένεσης σύμφωνης ακτινοβολίας μακρού υπεριώδους (ΕUV) ευρέος συνεχούς φάσματος που έχει προκύψει από την αλληλεπίδραση ευγενών αερίων με πολλών-κύκλων υπέρυθρου (IR) παλμού. Ο παλμός αυτός έχει χρονικά διαμορφωμένη ελλειπτικότητα στην πόλωση μέσω της χρήσης μιας συμπαγούς και μονού κλάδου συσκευής “gating” (CMC-PG). Η συσκευή “gating” (CMC-PG) παρέχει τη δυνατότητα διαμόρφωσης ενός πολλών-κύκλων υπέρυθρου (IR) παλμού λέηζερ κατά τρόπον ώστε η γένεση του μακρού υπεριώδους να αναστέλλεται κατά το μεγαλύτερο μέρος της χρονικής διάρκειας του παλμού και να λαμβάνει χώρα μόνο μέσα σε ένα βραχύ χρονικό διάστημα υψηλού ενεργειακού περιεχομένου• την λεγόμενη “πύλη” (gate). Έτσι η γένεση της ακτινοβολίας μακρού υπεριώδους περιορίζεται μέσα σε αυτή την “πύλη” (gate), το εύρος της οποίας εκτιμάται και βρίσκεται πως είναι σε συμφωνία με τους θεωρητικούς υπολογισμούς. Το φασματικό εύρος της παραγόμενης ακτινοβολίας μακρού υπεριώδους είναι ικανό να υποστηρίξει τη δημιουργία μονήρων υπερβραχέων παλμών διάρκειας 200 asec (asec = 10⁻¹⁸ δευτερόλεπτα). Η απλότητα, η σύμπηξη των λειτουργικών μερών της σε μικρό χώρο, η μακράς διάρκειας σταθερότητά της, καθώς και το μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο εντός της “πύλης”, καθιστούν την εν λόγω συσκευή “gating” (CMC-PG) ένα ιδανικό εργαλείο για την παραγωγή μονήρων παλμών με διάρκεια μικρότερη του fsec (fsec = 10⁻¹⁵ δευτερόλεπτα).