German Title: Strong-field relativistische Prozesse in hochgeladenen Ionen

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Abstract

In this thesis we investigate strong-field relativistic processes in highly charged ions. In the first part,we study resonance fluorescence of laser-driven highly charged ions in the relativistic regime by solving the time-dependent master equation in a multi-level model. Our ab initio approach based on the Dirac equation allows for investigating highly relativistic ions, and, consequently, provides a sensitive means to test correlated relativistic dynamics, bound-state quantum electrodynamic phenomena and nuclear effects by applying coherent light with x-ray frequencies. Atomic dipole or multipole moments may be determined to unprecedented accuracy by measuring the interference-narrowed fluorescence spectrum. Furthermore, we investigate the level structure of heavy hydrogenlike ions in laser beams. Interaction with the light field leads to dynamic shifts of the electronic energy levels, which is relevant for spectroscopic experiments. We apply a fully relativistic description of the electronic states by means of the Dirac equation. Our formalism goes beyond the dipole approximation and takes into account non-dipole effects of retardation and interaction with the magnetic field components of the laser beam. We predicted cross sections for the inter-shell trielectronic recombination (TR) and quadruelectronic recombination processes which have been experimentally confirmed in electron beam ion trap measurements, mainly for C-like ions, of Ar, Fe and Kr. For Kr30+, inter-shell TR contributions of nearly 6% to the total resonant photorecombination rate were found.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir durch starke Felder hervorgerufene relativistische Prozesse in hochgeladenen Ionen. Im ersten Teil der Arbeit studieren wir die Resonanzfluoreszenz von Lasergetriebenen Ionen im relativistischen Bereich, indem wir die zeitabhängige Master-Gleichung in einem Mehrniveaumodell lösen. Unser ab initio Ansatz, basierend auf der Dirac-Gleichung, ermöglicht es hochrelativistische Ionen zu untersuchen und liefert folglich eine präzise Methode, um korrelierte relativistische Dynamik, Phänomene der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände und Kerneffekte durch die Anwendung von kohärentem Röntgenlicht zu überprüfen. Atomare Dipol- oder Multipolmomente können bis zu nie da gewesener Genauigkeit bestimmt werden, indem das durch Interferenz verschm älerte Fluoreszenzspektrum gemessen wird. Desweiteren untersuchen wir die Niveaustruktur von schweren Wasserstoff-ähnlichen Ionen in Laserfeldern. Die Wechselwirkung mit dem Lichtfeld führt zu dynamischen Verschiebungen der elektrischen Energieniveaus, was relevant ist für Spektroskopieexperimente. Die elektrischen Zustände werden vollständig relativistisch behandelt durch die Dirac-Gleichung. Unser Formalismus geht über die Dipolapproximation hinaus und berücksichtigt Nicht-Dipoleffekte wie Retardierung und die Wechselwirkung mit den Magnetfeldkomponenten des Laserfeldes. Wir konnten Wirkungsquerschnitte für die zwischen-Schalen trielektrische Rekombination (TR) und den quadruelektrischen Rekombinationsprozess vorhersagen, welche experimentell mit Hilfe von Elektronenstrahl-Ionenfallen bestätigt wurden, hauptsächlich für C-artige Ionen von Ar, Fe und Kr. Für Kr30+ wurden Zwischen-Schalen TR-Beiträge von nahezu 6% zur gesamten resonanten Photorekombinationsrate gefunden.