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Coulomb effects in the dipole and nondipole regimes of strong-field ionization

Daněk, Jiří

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Abstract

Due to recent advancements in measurement precision and in laser field generation techniques, new phenomena were observed in strong-field ionization physics. It appeared that the explanation of new phenomena were based on the previously unidentified Coulomb field effects of the atomic core on the ionized electron, and on the interrelations of the Coulomb field and nondipole effects. The aim of this thesis is two fold. Firstly, we develop analytical methods for more accurate description of the strong-field ionization process, which is based on a more accurate treatment of the electron dynamics in the laser and Coulomb field of the atomic core, with an emphasize on nondipole effects. Secondly, we apply the developed analytical methods, along with the common theoretical machinery of strong-field physics, for explanation of the results of recent and ongoing experiments devoted to the interplay of the Coulomb and nondipole effects in strong-field ionization process in mid-infrared laser fields of linear and elliptical polarization, as well as for extension of the strong-field holography technique into the nondipole regime. Within the first aim, we advance the quantum theory of the Coulomb-corrected strong-field approximation, calculating the high-order correction terms to the electron continuum wave function in the laser and Coulomb fields using the eikonal-Volkov approximation and describe nonadiabatic momentum shifts for photoelectrons. Further, we develop a classical theory for the description of multiple recollisions of the ionized electron with the atomic core, which is the basis for understanding of the, so-called, Coulomb focusing phenomenon. The key point is a restriction of the interaction to well specified and defined rescattering points along the electron classical trajectory, which leads to analytical estimates for the momentum transfer at these points and, subsequently, for the total momentum transfer to any electron tunneled at any arbitrary phase of the laser field. Although, the Coulomb field is treated as a perturbation near each scattering point, it appears to disturb the global dynamics significantly via multiple recollisions. The derived analytical formulas for the Coulomb momentum transfer of the classical theory are employed to gain a deeper insight into the features of Coulomb focusing in different field configurations. In particular, we provide an explanation and scaling for the counterintuitive negative shift of the Coulomb focusing cusp in a recent experiment with a linearly polarized mid-infrared laser field, and show its dependence on the photoelectron energy. Further, we explain the appearance of the sharp ridge of low-energy electrons in the experimental photoelectron momentum distribution in an elliptically polarized laser field, and show how it is related to the shift of photoelectron momentum distribution against the laser propagation direction due to nondipole effects. Finally, we give an interpretation of the experimental results on strong-field photoelectron holography in the nondipole regime. We employ three different theoretical techniques for calculation of interference patterns: Coulomb-corrected strong-field approximation, Quantum-Trajectory Monte Carlo simulations and Simple-man’s three-step model, and provide a description of the nondipole features of the interference fringes. We analyze the signature of atomic species for the interferometric holography pattern in the photoelectron distribution, discussing the cases of a xenon atom and an O2 molecule.

Translation of abstract (German)

Aufgrund der jüngsten Verbesserungen der experimentellen Genauigkeit sowie den Fortschritten bei Techniken der Laserfeldgenerierung wurden neue Phänomenen in der Starkfeld-Laserionisation beobachtet. Die Erklärung der neuen Phänomene basiert auf bisher unidentifizierten Auswirkungen des Coulombfeldes des Atomkerns auf das ionisierte Elektron und auf der Wechselwirkung zwischen dem Coulomb Feld und den Non-Dipole-Effekten. Diese Doktorarbeit verfolgt zwei Ziele. Erstens entwickeln wir analytische Methoden für die genauere Beschreibung der Starkfeld-Laserionisation unter besonderer Berücksichtigung der Non-Dipole-Effekte. Diese Methoden basieren auf der genaueren Behandlung der Dynamik des ionisierten Elektrons im Laserfeld und Coulombfeld des Atomkerns. Zweitens verwenden wir die entwickelten analytischen Methoden zusammen mit der üblichen theoretischen Maschinerie der Starkfeld-Ionisationsphysik für die Erklärung von Ergebnissen der gegenwärtigen und weiterlaufenden Experimente, die der Wechselwirkung zwischen dem Coulombfeld and den Non-Dipole-Effekten in der Starkfeld-Laserionisation mit linear oder elliptisch polarisierten mittinfraroten Laserfeldern gewidmet sind. Ebenso verwenden wir unsere Methoden für die Erweiterung von Techniken der Starkfeld-Holographie auf das Non-Dipole-Regime. Im Rahmen des ersten Zieles erweitern wir die Coulomb-korrigierte “Starkfeld-Näherung” (Strong-field approximation), indem wir die höheren Terme in der Reihenentwicklung der Kontinuums-Wellenfunktion des Elektrons im Laser- und Coulombfeld (der sogenannten Eikonal-Volkov-Approximation) berücksichtigen. Dank der Erweiterung ermitteln wir eine nicht-adiabatische Verschiebung des Photoelektronimpulses. Des Weiteren entwickeln wir die klassische Theorie für die Beschreibung von mehrfachen Kollisionen des ionisierten Elektrons mit dem Atomkern, welche die Ursache für den sogenannten Effekt der Coulombfokussierung (Coulomb focusing) sind. Die Hauptidee ist die Beschränkung der Coulombwechselwirkung auf unterscheidbare und wohl definierte Rekollisionspunkte an der klassischen Trajektorie des Elektrons. Diese Beschränkung führt zu analytischen Einschätzungen von Impulsübertragungen an diesen Punkten und schließlich zur Einschätzung der totalen Coulombimpulsübertragung für jedes bei beliebiger Phase getunneltes Elektron. Obwohl wir das Coulombfeld wie eine Störung in der Nähe der Kollisionen behandeln, scheint es die globale Dynamik durch mehrfache Kollisionen wesentlich zu stören. Es werden die von der klassischen Theorie abgeleiteten analytischen Formeln für die Coulombimpulsübertragung verwendet, um ein besseres Verständnis von Eigenschaften der Coulombfokussierung in verschiedenen Feldkonfigurationen zu bekommen. Konkret liefern wir die Erklärung und Skalierung der nicht intuitiven Beugung der zentralen und vertikalen Coulombfokussierungspitze, die in gegenwärtigen Experimenten mit linear polarisiertem mittinfrarotem Laserfeld beobachtet wurde und zeigen die Abhängigkeit der Beugung von der Photoelektronenergie. Auch erklären wir die Beobachtung von einer scharfen, aus niederenergetischen Elektronen bestehenden Spitze in der experimentellen Photoelektron-Impulsverteilung im Laserfeld mit elliptischer Polarisation, und zeigen wie sie mit der von den Non-Dipole-Effekten verursachten Verschiebung der Photoelektron-Impulsverteilung gegen die Propagationsrichtung des Lasers zusammenhängt. Zum Schluss bieten wir eine Interpretation der Messungen im Rahmen der Starkfeld-Holographie im Non-Dipole-Regime. Wir verwenden drei unterschiedliche theoretischen Modelle für die Berechnung des Interferenzmusters: Coulomb-korrigierte “Starkfeld-Näherung”, Quantum-Trajektorie Monte-Carlo-Simulation und (simple-man’s) Dreischrittmodell, um die Auswirkung der Non-Dipole-Effekte auf die Interferenzmaxima zu beschreiben. Wir analysieren die Signatur der Atomsorte in den Interferenzmustern der Photoelektron-Impulsverteilung und diskutieren zwei Fälle im Detail: Xenon, sowie das Sauerstoffmolekül.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Honorarprof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 16 May 2018
Date Deposited: 21 Jun 2018 06:30
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Starkes Feld, Ionisation, Tunneleffekt, Atom-Elektron-Wechselwirkung, Photoelektron, Holographie
Uncontrolled Keywords: Atomic & molecular processes in external fields Strong-field tunnel ionization Coulomb focusing Nondipole effects photoelectron holography
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