German Title: Femtosekunden Elektronendynamik getrieben durch ponderomotorische Gradienten

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Abstract

Electrons driven by the oscillating electric field of intense femtosecond laser pulses experience an effective cycle-averaged ponderomotive potential. This thesis investigates the ponderomotive effects of circularly polarized few-cycle pulses and standing waves on photoionization, photoemission, and the subsequent electron motion. Reconstructing the time-dependent dipole moment of recolliding electron wave packets from an extreme ultraviolet absorption spectrum reveals an envelope-driven recollision channel in circularly polarized light, as predicted by the theory of recolliding periodic orbits. Furthermore, tomography of photoelectron angular distributions is achieved using velocity-map imaging within a femtosecond enhancement cavity operating at 100MHz. This cavity supports two counter-propagating pulses that form a transient standing wave at the focus. Exploiting the standing wave structure allows to probe the photoemission at different crystal facets of a tungsten nanotip and to minimize the source volume of above-threshold ionization. In addition, the high-intensity Kapitza-Dirac effect for resonantly ionized electrons in the picosecond regime is presented together with still unexplained diffraction results for femtosecond pulses. The intense intra-cavity standing waves are a promising tool for coherent control of electron matter waves, potentially advancing the development of a femtosecond electron interferometer at low energies.

Translation of abstract (German)

Elektronen, die durch das oszillierende elektrische Feld intensiver Femtosekundenlaserpulse angetrieben werden, erfahren ein effektives zyklusgemitteltes ponderomotives Potenzial. In dieser Arbeit werden die ponderomotorischen Effekte von zirkular polarisierten Lichtpulsen mit wenigen Zyklen und stehenden Wellen auf Photoionisation, Photoemission und die anschließende Elektronenbewegung untersucht. Die Rekonstruktion des zeitabhängigen Dipolmoments von rekollidierenden Elektronenwellenpaketen aus einem XUV-Absorptionsspektrum zeigt einen Rekollisionskanal in zirkular polarisiertem Licht, getrieben von der Pulseinhüllenden, wie er von der Theorie der rekollidierenden periodischen Bahnen vorhergesagt wurde. Darüber hinaus wird die Tomographie von Photoelektronen-Winkelverteilungen mit Hilfe von Geschwindigkeitsabbildungen in einer Femtosekunden-Verstärkungskavität, die bei 100MHz arbeitet, erreicht. Diese Kavität unterstützt zwei gegenläufige Pulse, die im Fokus vorübergehend eine stehende Welle bilden. Die Ausnutzung der Knotenstruktur der stehenden Welle ermöglicht es, die Photoemission an verschiedenen Kristalloberflächen einer Wolfram-Nanospitze zu untersuchen und das Quellvolumen von Überschwellen-Ionisation zu minimieren. Darüber hinaus wird der hochintensive Kapitza-Dirac-Effekt für resonant ionisierte Elektronen im Pikosekundenbereich zusammen mit noch unerklärten Beugungsergebnissen für Femtosekundenpulse vorgestellt. Die intensiven stehenden Wellen innerhalb von Kavitäten sind ein vielversprechendes Werkzeug für die kohärente Kontrolle von Elektronenmateriewellen und könnten die Entwicklung eines Femtosekunden-Elektroneninterferometers bei niedrigen Energien vorantreiben.