Multiphoton ionization of laser cooled lithium [Elektronische Ressource] / presented by Jochen Steinmann

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. Jochen Steinmannborn in StuttgartOral examination: 18.07.2007Multiphoton Ionizationof Laser Cooled LithiumGutachter: Priv.-Doz. Dr. Alexander DornJunior-Prof. Dr. Selim JochimZusammenfassung:Reaktionsmikroskope ermoglichen die kinematisch vollstandige Erfassung von atomaren¨ ¨¨und molekularen Fragmentationsprozessen. Wurden bisher u¨berwiegend Uberschall-Gas-strahlen zur Erzeugung ultrakalter Target-Atome verwendet, kombiniert die im Rahmendieser Arbeit entwickelte Apparatur erstmalig das Prinzip des Reaktionsmikroskops miteiner magneto-optischen Falle. Diese ermo¨glicht die Pra¨paration von Lithium-Atomen mitTemperaturenimsub-mK-Bereich.LithiumistaufGrundseinereinfachenatomarenStruk-tur mit nur drei Elektronen als Modellsystem fu¨r verschiedenste Arten von Ionisations-prozessen von besonderem Interesse. Um die Impulsbestimmungder geladenen Fragmentenichtdurchdasmagnetische Feld derAtomfalle zubeeintrachtigen,wirddieFalle selbstin¨einem gepulsten Modus bei einer Schaltrate bis zu 300 Hz betrieben. Hieraus resultierenfeldfreie Bedingungen wahrend der Detektionsphasen, gleichzeitig gewahrleistet dies eine¨ ¨effiziente Nutzung der gespeicherten Atome.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
Lecture(s) : 27
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Jochen Steinmann
born in Stuttgart
Oral examination: 18.07.2007Multiphoton Ionization
of Laser Cooled Lithium
Gutachter: Priv.-Doz. Dr. Alexander Dorn
Junior-Prof. Dr. Selim JochimZusammenfassung:
Reaktionsmikroskope ermoglichen die kinematisch vollstandige Erfassung von atomaren¨ ¨
¨und molekularen Fragmentationsprozessen. Wurden bisher u¨berwiegend Uberschall-Gas-
strahlen zur Erzeugung ultrakalter Target-Atome verwendet, kombiniert die im Rahmen
dieser Arbeit entwickelte Apparatur erstmalig das Prinzip des Reaktionsmikroskops mit
einer magneto-optischen Falle. Diese ermo¨glicht die Pra¨paration von Lithium-Atomen mit
Temperaturenimsub-mK-Bereich.LithiumistaufGrundseinereinfachenatomarenStruk-
tur mit nur drei Elektronen als Modellsystem fu¨r verschiedenste Arten von Ionisations-
prozessen von besonderem Interesse. Um die Impulsbestimmungder geladenen Fragmente
nichtdurchdasmagnetische Feld derAtomfalle zubeeintrachtigen,wirddieFalle selbstin¨
einem gepulsten Modus bei einer Schaltrate bis zu 300 Hz betrieben. Hieraus resultieren
feldfreie Bedingungen wahrend der Detektionsphasen, gleichzeitig gewahrleistet dies eine¨ ¨
effiziente Nutzung der gespeicherten Atome. Mit der neuartigen Apparatur steht nun ein
universelles Target zur Untersuchung der Ionisation von Lithium durch Elektronen- und
IonenstosssowiederPhotoionisationzurVerfu¨gung.ErstmaligwurdedieMultiphotonioni-
sation von Lithium in intensiven Laserfeldern mit Pulsdauern von 25 fs und Spitzeninten-
11 2 16 2sit¨aten zwischen 10 W/cm und 10 W/cm impulsaufgel¨ost vermessen. Dabei zeigten
sich unerwartete Strukturen in den Photoelektronenspektren, wie z.B. eine bevorzugte
Emission senkrecht zur Polarisationsachse des Lichtfeldes, welche derzeit noch nicht voll-
standigverstandensind.EntsprechendeRechnungensindbeimehrerenTheoriegruppenin¨
Arbeit.
Abstract:
Reaction microscopes enable kinematically complete measurementsof atomic andmolecu-
lar fragmentation. An ultracold atomic target is usually provided by a supersonic gas jet.
Theapparatus developed in the course of this thesis for the firsttime combines the princi-
pleofthereactionmicroscopewithamagneto-opticaltrap. Thisallowsforthepreparation
of lithium atoms in the sub-mK range. Being a three-electron system, its simple atomic
structure makes lithium a model system of great topical interest for all kinds of ionization
reactions. In order not to deteriorate the determination of the momenta of the charged
fragments by the magnetic field of the trap, a pulsed mode of operation is adopted, cre-
ating field-free conditions during data acquisition and making efficient use of the stored
target. Thenovelapparatusprovidesaversatile target forinvestigationsonfragmentation
oflithiumbyelectron,ionandphotonimpact. Forthefirsttime,momentum-resolvedmea-
surementsonmultiphotonionizationinintenselaserfieldswithpulsedurationsof25fsand
11 2 16 2peak intensities in the range between 10 W/cm and 10 W/cm were performed. The
acquired photoelectron spectra exhibit unexpected structures suchas a preferredemission
inthedirectionperpendiculartothelaserpolarizationaxis,whicharenotfullyunderstood
yet. Presently, corresponding calculations are being done in several theory groups.Contents
Introduction and Motivation 1
1 Basics of Multiphoton Ionization 7
1.1 Mechanisms of Multiphoton Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1 Free Electrons in a Laser Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 Multiphoton Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.3 Above-Threshold Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.4 Ponderomotive Shift and Dynamical Resonances . . . . . . . . . . . 14
1.1.5 Tunneling Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.6 Over-the-Barrier Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1.7 Multiple Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Laser Cooling and Trapping of Lithium 27
2.1 Principles of Laser Cooling and Trapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.1 The Spontaneous Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.2 Doppler Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.3 The Magneto-Optical Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.4 Dynamics of the Magneto-Optical Trap . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.5 Temperature of the Magneto-Optical Trap . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.6 Density of the Magneto-Optical Trap. . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2 Cooling and Trapping of Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1 General Properties of Lithium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.2 Spectroscopic Properties of Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.3 Resonance Fluorescence and Atom Number . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Experimental Setup 47
3.1 Reaction Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.1 Target Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Reconstruction of Momenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.3 Particle Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Combination of a Reaction Microscope with a MOT . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.1 Mode of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
iContents
3.2.2 Overview of the Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3 Experimental Chamber and Vacuum System. . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 Spectrometer and Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.1 Time Focusing Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4.2 Detector System and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.3 Magnetic Electron Extraction Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 MOT-Coils and Magnetic Field Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.1 MOT-Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5.2 Magnetic Field Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5.3 Compensation Coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6 Laser Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.6.1 Broad Area Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.2 Two-Mode Dye Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.6.3 Tapered Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.7 Atomic Beam Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.7.1 The Principle of Zeeman Slowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.7.2 Zeeman Slower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.7.3 Lithium Oven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.8 Experimental Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.8.1 The ADwin-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.8.2 User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4 Characterization of the Lithium Target 117
4.1 Diagnostic Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.1.1 Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.1.2 Fluorescence Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2 MOT Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.1 Loading Rate and Atom Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.2 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.3 Target Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.3 Recapture Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3.1 Release Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.2 Other Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5 First results 135
5.1 Experimental Procedure and Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1.1 The fs-Laser System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.1.2 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.1.3 Intensity Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.1.4 Experimental Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2 Lithium in Intense Laser Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
iiContents
5.3.1 Ionization from the Ground State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3.2 Ionization from Ground- and Excited State . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.3 Two-Dimensional Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3.4 Possible Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Conclusion and Outlook 159
Appendix A 163
Appendix B 164
Bibliography 167
iiiContents
iv

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