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Multiphoton Ionization of Laser Cooled Lithium

Steinmann, Jochen

German Title: Multiphoton-Ionisation von lasergekühlten Lithium-Atomen

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Abstract

Reaction microscopes enable kinematically complete measurements of atomic and molecular fragmentation. An ultracold atomic target is usually provided by a supersonic gas jet. The apparatus developed in the course of this thesis for the first time combines the principle of the reaction microscope with a magneto-optical trap. This allows for the preparation 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, creating field-free conditions during data acquisition and making efficient use of the stored target. The novel apparatus provides a versatile target for investigations on fragmentation of lithium by electron, ion and photon impact. For the first time, momentum-resolved measurements on multiphoton ionization in intense laser fields with pulse durations of 25~fs and peak intensities in the range between 10$^{11}$~W/cm$^2$ and 10$^{16}$~W/cm$^2$ were performed. The acquired photoelectron spectra exhibit unexpected structures such as a preferred emission in the direction perpendicular to the laser polarization axis, which are not fully understood yet. Presently, corresponding calculations are being done in several theory groups.

Translation of abstract (German)

Reaktionsmikroskope ermöglichen die kinematisch vollständige Erfassung von atomaren und molekularen Fragmentationsprozessen. Wurden bisher überwiegend Überschall-Gasstrahlen 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 ermöglicht die Präparation von Lithium-Atomen mit Temperaturen im sub-mK-Bereich. Lithium ist auf Grund seiner einfachen atomaren Struktur mit nur drei Elektronen als Modellsystem für verschiedenste Arten von Ionisationsprozessen von besonderem Interesse. Um die Impulsbestimmung der geladenen Fragmente nicht durch das magnetische Feld der Atomfalle zu beeinträchtigen, wird die Falle selbst in einem gepulsten Modus bei einer Schaltrate bis zu 300~Hz betrieben. Hieraus resultieren feldfreie Bedingungen während der Detektionsphasen, gleichzeitig gewährleistet 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 Ionenstoss sowie der Photoionisation zur Verfügung. Erstmalig wurde die Multiphotonionisation von Lithium in intensiven Laserfeldern mit Pulsdauern von 25~fs und Spitzenintensitäten zwischen 10$^{11}$~W/cm$^2$ und 10$^{16}$~W/cm$^2$ impulsaufgelöst vermessen. Dabei zeigten sich unerwartete Strukturen in den Photoelektronenspektren, wie z.B. eine bevorzugte Emission senkrecht zur Polarisationsachse des Lichtfeldes, welche derzeit noch nicht vollständig verstanden sind. Entsprechende Rechnungen sind bei mehreren Theoriegruppen in Arbeit.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dorn, Dr. Alexander
Date of thesis defense: 18 July 2007
Date Deposited: 21 Sep 2007 14:19
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Lithium, Laserkühlung, Elektron-Atom-Stoß, Elektronenspektrometer
Uncontrolled Keywords: Reaktionsmikroskop , MOT , Lithium , Multiphoton-Ionisation , COLTRIMSReaction microscope , MOT , Lithium , Multiphoton ionization , Recoil ion momentum
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