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Forschungsarbeit

Die absolute Phase von Laserpulsen: Ein neuer Parameter um chemische Reaktionen zu kontrollieren

von Dr. Klaus Renziehausen (13.01.2015)

Chemische Reaktionen können gezielt durch Laserpulse beeinflusst werden, indem man die Laserpulse charakterisierenden Parameter wie die Intensität oder die Wellenlänge (also die Farbe des Laserlichtes) geeignet wählt. Etwa seit Beginn des 21. Jahrhunderts gibt es Untersuchungen, dass die Wechselwirkung eines Laserpulses mit Materie auch mit dessen absoluter Phase kontrolliert werden kann (siehe z. B. [1,2]).

[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 1: Die CEP φ ist die Phase der Oszillation in Bezug auf die Einhüllende A(t) des elektrischen Feldes E(t). Linke Seite: Für eine CEP φ = 0° fällt das Maximum der Einhüllenden A(t) bei t = 0 mit einem Maximum der Oszillation zusammen. Rechte Seite: Für eine CEP φ = 90° fällt das Maximum der Einhüllenden A(t) mit einem Nulldurchgang der Oszillation zusammen.

Hierbei wird mit der absoluten Phase (in der Fachliteratur, z. B. in [2],  auch als  “Carrier Envelope Phase” = CEP bekannt) eines Laserpulses folgende Größe bezeichnet: Das elektrische Feld eines Laserpulses wird beschrieben über das Produkt einer Oszillation mit hoher Frequenz und einer Einhüllenden, die sich relativ zur Oszillation zeitlich nur langsam verändert. Die CEP bezeichnet nun die Phase der Oszillation in Bezug auf die Einhüllende des Feldes [1]. In der Abbildung 1 sind die Auswirkungen einer CEP von 0° und von 90° illustriert.

Es ist schwierig, einen Einfluss der CEP auf Laserpuls-Molekül-Wechselwirkungen nachzuweisen, falls der Laserpuls eine Dauer von mehr als ein paar wenigen Oszillationszyklen aufweist (Laserpulse mit einer Dauer von ein paar wenigen Oszillationszyklen werden auch als “few-cycle Laserpulse“ bezeichnet).  Der Grund dafür liegt darin, dass bei derartigen Wechselwirkungen durch einen Laserpuls hervorgerufene Übergänge von Molekülen aus deren quantenmechanischen Grundzustand in einen angeregten Zustand betrachtet werden und hierbei nur dann CEP-Effekte auftreten können, wenn folgende Bedingung erfüllt ist (siehe dazu auch [2,3] sowie S. 138-141 und S. 146-149 in [4]):
Der Übergang muss realisiert werden über verschiedene Abfolgen von Quantensprüngen, in denen das Molekül Photonen – das sind die Quantenteilchen des Lichts – absorbiert oder emittiert. Für diese verschiedenen Abfolgen müssen sich außerdem jeweils die Anzahlen der dabei netto absorbierten Photonen unterscheiden, hierbei ist die Anzahl der netto absorbierten Photonen die Differenz der Anzahl der durch das Molekül absorbierten Photonen und der emittierten Photonen. Dazu sind in der Abbildung 2 exemplarisch zwei verschiedene Abfolgen von Quantensprüngen illustriert.

[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 2: Der Übergang von einem Grundzustand mit Energie Ei in einen angeregten Zustand mit Energie Ef wird hier durch zwei verschiedene Abfolgen von Quantensprüngen realisiert: In a) ist eine Abfolge skizziert, in der zwei Photonen mit Energie ΔEif⁄2=(Ei-Ef) ⁄2 absorbiert werden. In b) ist eine Abfolge skizziert, in der ein Photon mit Energie 3ΔEif ⁄2 absorbiert und ein Photon mit Energie ΔEif⁄2 emittiert wird. Somit werden bei der in a) skizzierten Abfolge zwei Photonen netto absorbiert, bei der in b) skizzierten Abfolge werden null Photonen netto absorbiert. Abbildung aus [4], S. 147.

Damit nun diese verschiedenen Abfolgen von Quantensprüngen auftreten können, muss in der Regel der Laserpuls Photonen mit sehr unterschiedlichen Energien enthalten, d. h. der Laserpuls muss spektral sehr breit sein. Dies bedeutet anschaulich, dass das Licht des Pulses stark voneinander abweichende Farben enthält. Diese Forderung ist aber nur für die zeitlich sehr kurzen “few-cycle” Pulse erfüllbar, denn nach einem in der Optik bekannten Zusammenhang ist ein Laserpuls spektral um so breiter je kürzer seine zeitliche Dauer ist [5].

Wir konnten eine Lösung dafür finden, wie dieses Problem umgangen werden kann und auch für Laserpulse mit einer Dauer von vielen Oszillationszyklen CEP-Effekte auftreten können (in den Betrachtungen in Kap. 5.3.3 aus [4] und in [6] waren es etwa 80 Zyklen). Dafür muss das System mit einem Präparationspuls zunächst aus seinem quantenmechanischen Grundzustand in einen Überlagerungszustand gebracht werden, für den sich das System in zwei verschiedenen angeregten Zuständen auf verschiedenen Energieniveaus gleichzeitig befindet. Dieser Präparationspuls ist nur etwa eine Oszillationsperiode lang, da für die Präparation des angesprochenen Überlagerungszustandes wie in der vorherigen Diskussion auch erforderlich ist, dass der Puls Photonen mit unterschiedlichen Energien enthält.

Wenn danach ein zweiter Laserpuls mit vielen Oszillationszyklen Quantensprünge des Moleküls zwischen diesen beiden angeregten Zuständen auslöst, dann kann man nachweisen, dass dieser Puls trotz seiner langen Dauer CEP-Effekte hervorrufen kann. Als ein Beispiel für einen derartigen CEP-Effekt wurde in Kap. 5.3.3 aus [4] und in [6] demonstriert, dass mit der CEP des zweiten Pulses bei einer Zerfallsreaktion eines A2+ Moleküls darauf Einfluss genommen werden kann, in welche geometrischen Richtungen sich verschiedene Zerfallsprodukte bewegen. Des Weiteren konnte in [7,8] eine weitere Anwendungsmöglichkeit dieses Zweipulsschemas aufgezeigt werden:
Für ein quantenmechanisches System mit einem sogenannten Doppelmuldenpotenzial konnte über die CEP darauf Einfluss genommen werden, in welcher der beiden Potenzialmulden sich das System befindet. Derartige Potenziale treten z. B. für Spiegelbildisomere auf [9]. Ein aus dem Alltag bekanntes Beispiel für Spiegelbildisomere ist die Milchsäure im Joghurt, wo zwischen der linksdrehenden und der rechtsdrehenden Milchsäure unterschieden wird.

 

Quellen:


[1] G.G. Paulus, F. Grasbon, H. Walther, P. Villoresi, M. Nisoli, S. Stagira, E. Priori, S. De Silvestri. Absolute-phase phenomena in photoionisation with few-cycle laser pulses, Nature 414, S. 182 (2001)
DOI: 10.1038/35102520

[2] V. Roudnev, B. D. Esry. General theory of carrier-envelope phase effects, Phys. Rev. Lett. 99, S. 220406 (2007)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.220406

[3] L. Chuntonov, A. Fleischer, Z. Amitay. Weak-field multiphoton femtosecond coherent control in the single-cycle regime, Optics Express 19, S. 6865 (2011)
DOI: 10.1364/OE.19.006865

[4] K. Renziehausen. Wechselwirkung von Molekülen mit Laserpulsen: Untersuchungen zur numerischen Implementierung zeitabhängiger Störungstheorie und zu Effekten der absoluten Phase von Laserpulsen beliebiger Länge (Dissertation), Universität Würzburg (2014)
opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/10085

[5] I. V. Hertel, C.-P. Schulz, Kap. 13.4.3 aus: Atome, Moleküle und optische Physik 2, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2010)  

[6] K. Renziehausen, K. Hader, W. Jakubetz, V. Engel. Weak-field, multiple-cycle carrier envelope phase effects in laser excitation, Chem. Phys. Chem. 14, S. 1464 (2013) 
DOI: 10.1002/cphc.201200946

[7] K. Hader, K. Renziehausen, V. Engel. Carrier envelope phase effects induced by weak multicycle pulses: Localized quantum dynamics in double well potentials, Chem. Phys. Lett. 579, S. 23 (2013)
DOI: 10.1016/j.cplett.2013.06.020

[8] K. Hader, V. Engel. Coherent and incoherent contributions to the carrier-envelope phase control of wave packet localization in quantum double wells, J. Chem. Phys. 140, S. 184316 (2014)
DOI: 10.1063/1.4874876

[9] L. González, K. Hoki, D. Kröner, A. S. Leal, J. Manz and Y. Ohtsuki. Selective preparation of enantiomers by laser pulses: From optimal control to specific pump and dump transitions, J. Chem. Phys. 113, S. 11134 (2000)
DOI: 10.1063/1.1310595


Wissenschaftlicher Werdegang
  • 2008-2014
  • Promotion bei Prof. Dr. Volker Engel, Universität Würzburg
  • 2002-2008
  • Studium der Physik, Universität Würzburg
  • 2002
  • Fernstudium Physik an der Universität Kaiserslautern (parallel zum Zivildienst)

Publikationen (Auszug)
  • * S. F. Völker, A. Schmiedel, M. Holzapfel, K. Renziehausen, V. Engel, C. Lambert (2014). Singlet−Singlet Exciton Annihilation in an Exciton-Coupled Squaraine-Squaraine Copolymer: A Model toward Hetero-J-Aggregates. J. Phys. Chem. C 118, S. 17467
  • * C. Brüning, K. Renziehausen, V. Engel (2013). On the parameterization of vibronic Hamiltonians for molecular aggregates using absorption line-shapes as an input. J. Chem. Phys. 139, S. 054303
  • * K. Hader, K. Renziehausen, V. Engel (2013). Carrier envelope phase effects induced by weak multicycle pulses: Localized quantum dynamics in double well potentials. Chem. Phys. Lett. 579, S. 23
  • * K. Renziehausen, K. Hader, W. Jakubetz, V. Engel (2013). Weak-field, multiple-cycle carrier envelope phase effects in laser excitation. ChemPhysChem 14, S. 1464