Klassisch oder nicht? Physik der Nanoplasmen

Die Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Partikeln auf einer Nanometer-Skala resultiert in der Erzeugung eines expandierenden Nanoplasmas. In der Vergangenheit wurde die Dynamik eines Nanoplasmas typischerweise durch klassische Phänomene wie die thermische Emission von Elektronen beschrieben. Im Gegensatz dazu demonstriert eine neue Studie über die Wechselwirkung von intensiven nah-infraroten (NIR) Laserpulsen mit molekularen Sauerstoff-Clustern, dass Phänomene eine wichtige Rolle spielen, die nur quantenmechanisch beschrieben werden können. Zum ersten Mal wurde nun ein Beweis dafür gefunden, dass autoionisierende Zustände in Nanoplasmen auf effiziente Weise entstehen. Autoionisation dieser sogenannten superangeregten Zustände in atomarem Sauerstoff kann direkt auf einer Nanosekunden-Zeitskala beobachtet werden, während für Prozesse, die auf kürzeren Zeitskalen stattfinden, indirekte  Spuren sichtbar sind. Autoionisation wird in verschiedenen Clustern beobachtet, und es wird erwartet, dass diese Prozesse auch wichtig sind für die Wechselwirkung von endlichen Systemen mit intensiven extrem-ultravioletten (XUV) und Röntgenpulsen von neuartigen Freie-Elektronen Lasern.

Als Folge der Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Clustern zeigen die gemessenen Elektronenspektren typischerweise eine kontinuierliche Verteilung. In der Vergangenheit führte das Fehlen von Spuren diskreter Zustände zu der Schlussfolgerung, dass die Dynamiken von geladenen Partikeln während der Cluster-Expansion gut durch ein vollständig klassisches Verhalten beschrieben werden können. Eine Auswirkung davon ist, dass Simulationen, die die Wechselwirkung von intensiven Lasern mit Clustern, Nanopartikeln oder großen Molekülen modellieren, oft auf quasiklassische Ansätze zurückgreifen. Mit dem Aufkommen neuer Laserquellen und zeitaufgelöster Techniken innerhalb des letzten Jahres begann dieses Bild zu wackeln. Kürzlich wurde über eine effiziente Erzeugung von angeregten Atomen in Nanoplasmen berichtet, die durch Elektronen-Ionen Rekombination ausgelöst wird. Wenn ein Atom mit 2 Elektronen in angeregten Zuständen entsteht, kann es durch Elektronen-Korrelation zerfallen, wobei ein Elektron in das Kontinuum emittiert wird, während das 2. Elektron in einen niedrigeren gebundenen Zustand relaxiert. Da jedoch die Elektronen, die in einem solchen Autoionisations-Prozess emittiert werden, kinetische Energie mit der Cluster-Umgebung austauschen, waren diese bisher nicht in Experimenten beobachtet worden.

Abb. 1 (a) Zweidimensionale Elektronen-Impulsabbildung emittiert von O2 Molekülen, die eine anisotrope Verteilung der Elektronen mit einem Maximum in paralleler (vertikal) Richtung zur NIR Laser Polarisationsrichtung zeigt. (b) Im entsprechenden kinetischen Energie-Spektrum ist die beobachtete Peak-Struktur zurückzuführen auf Ionisation oberhalb des Schwellenwertes sowie Freeman-Resonanzen. (c) Die Elektronen-Impulsabbildung von O2Clustern mit einer durchschnittlichen Größe von 2400 Molekülen weist ein deutlich isotroperes Verhalten auf.. (d) Im Spektrum der kinetischen Energie tauchen 3 Peaks auf, die Autoionisations-Prozessen zugeordnet werden können als Folge des Zerfalls von superangeregten atomaren Zuständen.

In einer Kollaboration angeführt von Wissenschaftlern des Max-Born-Instituts wurde nun über den ersten Beweis für Autoionisation als Folge der Wechselwirkung zwischen intensiven NIR-Laserpulsen und Clustern berichtet. In der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters [114, 123002 (2015)] präsentieren Bernd Schütte, Marc Vrakking und Arnaud Rouzée sowie ihre Kollegen Jan Lahl, Tim Oelze und Maria Krikunova von der TU Berlin die Ergebnisse, die in Sauerstoff-Clustern erzielt wurden. Dieses System wurde gewählt, weil bereits bekannt war, dass Sauerstoff-Atome langlebige autoionisierende Zustände aufweisen. In der aktuellen Studie wurden deutliche Peaks im Elektronen-Spektrum von Sauerstoff-Clustern beobachtet, die mit intensiven NIR-Pulsen ionisiert wurden (Abb.. 1). Diese Peaks konnten gut bekannten autoionisierenden Zuständen zugeordnet werden, und es wurde gezeigt, dass sie auf einer Nanosekunden-Zeitskala zerfallen, wenn sich der Cluster bereits deutlich ausgedehnt hat. Deshalb war der Einfluss der Umgebung auf die Elektronen, die als Folge der Autoionisation emittiert wurden, vernachlässigbar. Die beobachteten Beiträge der Autoionisation waren sehr empfindlich bezüglich der Intensität des NIR-Laserpulses. Bei größeren Intensitäten wurden die Autoionisations-Peaks verschmiert, waren jedoch immer noch sichtbar. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Autoionisation in vielen Experimenten eine wichtige Rolle spielt, in denen die Wechselwirkung von intensiven Laserpulsen mit Partikeln auf einer Nanometer-Skala untersucht wird, selbst dann, wenn diese Prozesse nicht direkt im Elektronen-Spektrum beobachtet werden können. Bereits zuvor wurde gezeigt, dass die beobachtete Nanoplasma-Dynamik als Folge intensiver XUV und NIR Ionisation von Clustern ähnlich sind, weshalb erwartet wird, dass die aktuellen Ergebnisse auch eine hohe Relevanz für Experimente an neuartigen Freie-Elektronen Lasern haben. Die experimentellen Funde der Autoionisation sind desweiteren wichtig, um theoretische Modelle von Nanoplasmen in der Zukunft zu verbessern und so ein besseres Verständnis über die zugrundeliegenden mikroskopischen Prozesse zu gewinnen.

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Publikationen von 2025

Sortieren: Jahr Autor Titel Journal
A1-P-2025.01
Melting, bubblelike expansion, and explosion of superheated plasmonic nanoparticles

S. Dold, T. Reichenbach, A. Colombo, J. Jordan, I. Barke, P. Behrens, N. Bernhardt, J. Correa, S. Düsterer, B. Erk, T. Fennel, L. Hecht, A. Heilrath, R. Irsig, N. Iwe, P. Kolb, B. Kruse, B. Langbehn, B. Manschwetus, P. Marienhagen, F. Martinez, K.-H. Meiwes-Broer, K. Oldenburg, C. Passow, C. Peltz, M. Sauppe, F. Seel, R. M. P. Tanyag, R. Treusch, A. Ulmer, S. Walz, M. Moseler, T. Möller, D. Rupp, B. v. Issendorff

Physical review letters 134 (2025) 136101/1-7

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A3-P-2025.01
Second-harmonic generation in OP-GaAs0.75P0.25 heteroepitaxially grown from the vapor phase

L. Wang, S. R. Vangala, S. Popien, M. Beutler, J. M. Mann, V. L. Tassev, E. Büttner, V. Petrov

CrystEngComm 27 (2025) 1373-1376

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A3-P-2025.02
Diode-pumped Kerr-lens mode-locked Yb:MgWO4 laser

H.-Y. Nie, Z.-L. Lin, P. Loiko, H.-J. Zeng, L. Zhang, Z. Lin, G. Z. Elabedine, X. Mateos, V. Petrov, G. Zhang, W. Chen

Optics Letters 50 (2025) 1049-1052

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A3-P-2025.03
Growth, anisotropy, and spectroscopy of Tm3+ and Yb3+ doped MgWO4 crystals

G. Z. Elabedine, R. M. Solé, S. Slimi, M. Aguiló, F. Díaz, W. Chen, V. Petrov, X. Mateos

CrystEngComm 27 (2025) 1619-1631

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A3-P-2025.04
Growth, structure, spectroscopic, and laser properties of Ho-doped yttrium gallium garnet crystal

S. Slimi, H. Yu, H. Zhang, C. Kränkel, P. Loiko, R. M. Solé, M. Aguiló, F. Díaz, W. Chen, U. Griebner, V. Petrov, X. Mateos

Optics Express 33 (2025) 2529-2541

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A3-P-2025.05
Growth, spectroscopy and laser operation of disordered Tm,Ho:NaGd (MoO4)2 crystal

G. Z. Elabedine, Z. Pan, P. Loiko, H. Chu, D. Li, K. Eremeev, K. Subbotin, S. Pavlov, P. Camy, A. Braud, S. Slimi, R. M. Solé, M. Aguiló, F. Díaz, W. Chen, U. Griebner, V. Petrov, X. Mateos

Journal of Alloys and Compounds 1020 (2025) 179211/1-12

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A3-P-2025.06
Kerr-lens mode-locked, diode-pumped Yb,Gd:YAP laser generating 23 fs pulses

H.-Y. Nie, P. Zhang, P. Loiko, Z.-L. Lin, H.-J. Zeng, G. Zhang, Z. Li, X. Mateos, H.-C. Liang, V. Petrov, Z. Chen, W. Chen

Optics Express 33 (2025) 11793-11799

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A3-P-2025.07
Nanoindentation and laser-induced optical damage tests of CdSe nonlinear crystals

G. Exner, A. Carpenter, K. Cissner, A. Hildenbrand-Dhollande, S. Schmitt, A. Grigorov, M. Piotrowski, S. Guha, V. Petrov

Journal of the Optical Society of America B 42 (2025) A10-A14

URL, DOI oder PDF

A3-P-2025.08
Phase-matching properties of AgGa(Se1-xTex)2 for SHG of a CO2 laser

K. Kato, V. Petrov, K. Miyata

Proceedings of SPIE 13347 (2025) 133470S/1-4

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A3-P-2025.09
Phase-matching properties of ZnSiAs2 in the mid-IR

T. Okamoto, N. Umemura, K. Kato, V. Petrov

Proceedings of SPIE 13347 (2025) 133470C/1-5

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A3-P-2025.10
Direct generation of 3.5 optical-cycle pulses from a rare-earth laser

N. Zhang, Y. Wang, H. Ding, F. Liang, Y. Zhao, J. Xu, H. Yu, H. Zhang, V. Petrov

Optics Letters 50 (2025) 3150-3153

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A3-P-2025.11
Power scaling of a non-resonant optical parametric oscillator based on periodically poled LiNbO3 with spectral narrowing

S. Das, T. Temel, G. Spindler, A. Schirrmacher, I. B. Divliansky, R. T. Murray, M. Piotrowski, L. Wang, W. Chen, O. Mhibik, V. Petrov

Optics Express 33 (2025) 5662-5669

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A3-P-2025.12
Sub-40-fs diode-pumped ytterbium-doped mixed rare-earth calcium oxoborate laser

H.-J. Zeng, Z.-L. Lin, H. Lin, P. Loiko, L. Zhang, Z. Lin, H.-C. Liang, X. Mateos, V. Petrov, G. Zhang, W. Chen

Optics Express 33 (2025) 17965-17975

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A3-P-2025.13
Spectroscopy and SESAM mode-locking of a disordered Yb:Gd2SrAl2O7 crystal

H.-J. Zeng, Z.-L. Lin, P. Loiko, F. Yuan, G. Zhang, Z. Lin, X. Mateos, V. Petrov, W. Chen

Optics Express 33 (2025) 15057-15066

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A3-P-2025.14
Watt-level, 1.6 ps χ(2)-lens mode-locking of an in-band pumped Nd:LuVO4 laser

H. Iliev, V. Aleksandrov, V. Petrov, L. S. Petrov, H. Zhang, H. Yu, I. Buchvarov

Optics Express 33 (2025) 17773-17781

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A3-P-2025.15
Refined phase-matching predictions for AgGa1-xInxS2 mixed chalcopyrite crystals

K. Kato, K. Miyata, V. Petrov

Journal of the Optical Society of America B 42 (2025) A6-A9

URL, DOI oder PDF

A3-P-2025.16
35-fs diode-pumped mode-locked ytterbium-doped multi-component alkaline-earth fluoride laser

Z. Zhang, Z.-Q. Li, P. Loiko, H.-J. Zeng, G. Zhang, Z.-L. Lin, S. Normani, A. Braud, F. Ma, X. Mateos, H.-C. Liang, V. Petrov, D. Jiang, L. Su, W. Chen

Optics Letters 50 (2025) 1835-1838

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A3-P-2025.17
Diode-pumped few-optical-cycle laser based on an ytterbium-doped disordered strontium yttrium borate crystal

H. Zeng, Z. Lin, S. Sun, P. Loiko, H. Lin, G. Zhang, Z. Lin, C. Mou, X. Mateos, V. Petrov, W. Chen

Optics Letters 50 (2025) 2203-2206

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A3-P-2025.18
Refined Sellmeier and thermo-optic dispersion formulas for CdGeAs2

K. Kato, K. Miyata, V. Petrov

Journal of the Optical Society of America B 42 (2025) A24-A28

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A3-P-2025.19
Diode-pumped mode-locked Yb:Ca3La2(BO3)4 laser generating 35 fs pulses

H.-J. Zeng, Z.-L. Lin, G. Zhang, Z. Pan, P. Loiko, X. Mateos, V. Petrov, H. Lin, W. Chen

Optics Express 33 (2025) 22988-22996

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