Universiẗat, Diss., 2001--München.

Universiẗat, Diss., 2001--München.

Universiẗat, Diss., 2003--München.

Universiẗat, Diss., 2006--Würzburg.

University, Diss., 2002--Dortmund.

University, Diss., 2005--Jena.

The availability of coherent soft x-rays through the nonlinear optical process of high-harmonic generation allows for the monitoring of the fastest events ever observed in the laboratory. The attosecond pulses produced are the fundamental tool for the time-resolved study of electron motion in atoms, molecules, clusters, liquids and solids in the future. However, in order to exploit the full potential of this new tool it is necessary to control the coherent soft x-ray spectra and to enhance the efficiency of conversion from laser light to the soft x-ray region in the harmonic-generation process. This work developed a comprehensive approach towards the optimization of the harmonic generation process. As this process represents a fundamental example of \emph{light}--\emph{matter} interaction there are two ways of controlling it: Shaping the generating laser \emph{light} and designing ideal states of \emph{matter} for the conversion medium. Either of these approaches was closely examined. In addition, going far beyond simply enhancing the conversion process it could be shown that the qualitative spectral response of the process can be modified by shaping the driving laser pulse. This opens the door to a completely new field of research: Optimal quantum control in the attosecond soft x-ray region---the realm of electron dynamics. In the same way as it is possible to control molecular or lattice vibrational dynamics with adaptively shaped femtosecond laser pulses these days, it will now be feasible to perform real-time manipulation of tightly bound electron motion with adaptively shaped attosecond light fields. The last part of this work demonstrated the capability of the herein developed technique of coherent soft-x-ray spectral shaping, where a measured experimental feedback was used to perform a closed-loop optimization of the interaction of shaped soft x-ray light with a sulfur hexafluoride molecule to arrive at different control objectives. For the optimization of the high-harmonic-generation process by engineering the conversion medium, both the gas phase and the liquid phase were explored both in experiment and theory. Molecular media were demonstrated to behave more efficiently than commonly used atomic targets when elliptically polarized driving laser pulses are applied. Theory predicted enhancement of harmonic generation for linearly polarized driving fields when the internuclear distance is increased. Reasons for this are identified as the increased overlap of the returning electron wavefunction due to molecular geometry and the control over the delocalization of the initial electronic state leading to less quantum-mechanical spreading of the electron wavepacket during continuum propagation. A new experimental scheme has been worked out, using the method of molecular wavepacket generation as a tool to enhance the harmonic conversion efficiency in `pump--drive' schemes. The latter was then experimentally implemented in the study of high-harmonic generation from water microdroplets. A transition between the dominant laser--soft-x-ray conversion mechanisms could be observed, identifying plasma-breakdown as the fundamental limit of high-density high-harmonic generation. Harmonics up to the 27th order were observed for optimally laser-prepared water droplets. To control the high-harmonic generation process by the application of shaped laser light fields a laser-pulse shaper based on a deformable membrane mirror was built. Pulse-shape optimization resulted in increased high-harmonic generation efficiency --- but more importantly the qualitative shape of the spectral response could be significantly modified for high-harmonic generation in waveguides. By adaptive optimization employing closed-loop strategies it was possible to selectively generate narrow (single harmonics) and broad bands of harmonic emission. Tunability could be demonstrated both for single harmonic orders and larger regions of several harmonics. Whereas any previous experiment reported to date always produced a plateau of equally intense harmonics, it has been possible to demonstrate ``untypical'' harmonic soft x-ray spectra exhibiting ``switched-off'' harmonic orders. The high degree of controllability paves the way for quantum control experiments in the soft x-ray spectral region. It was also demonstrated that the degree of control over the soft x-ray shape depends on the high-harmonic generation geometry. Experiments performed in the gas jet could not change the relative emission strengths of neighboring harmonic orders. In the waveguide geometry, the relative harmonic yield of neighboring orders could be modified at high contrast ratios. A simulation based solely on the single atom response could not reproduce the experimentally observed contrast ratios, pointing to the importance of propagation (phase matching) effects as a reason for the high degree of controllability observed in capillaries, answering long-standing debates in the field. A prototype experiment was presented demonstrating the versatility of the developed soft x-ray shaping technique for quantum control in this hitherto unexplored wavelength region. Shaped high-harmonic spectra were again used in an adaptive feedback loop experiment to control the gas-phase photodissociation reaction of SF$_6$ molecules. A time-of-flight mass spectrometer was used for the detection of the ionic fragments. The branching ratios of particular fragmentation channels could be varied by optimally shaped soft x-ray light fields. Although in one case only slight changes of the branching ratio were possible, an optimal solution was found, proving the sufficient technical stability of this unique coherent soft-x-ray shaping method for future applications in optimal control. Active shaping of the spectral amplitude in coherent spectral regions of $\sim$10~eV bandwidth was shown to directly correspond to shaping the temporal features of the emerging soft x-ray pulses on sub-femtosecond time scales. This can be understood by the dualism of frequency and time with the Fourier transformation acting as translator. A quantum-mechanical simulation was used to clarify the magnitude of temporal control over the shape of the attosecond pulses produced in the high-harmonic-generation process. In conjunction with the experimental results, the first attosecond time-scale pulse shaper could thus be demonstrated in this work. The availability of femtosecond pulse shapers opened the field of adaptive femtosecond quantum control. The milestone idea of closed-loop feedback control to be implemented experimentally was expressed by Judson and Rabitz in their seminal work titled ``Teaching lasers to control molecules''. This present work extends and turns around this statement. Two fundamentally new achievements can now be added, which are ``Teaching molecules to control laser light conversion'' and ``Teaching lasers to control coherent soft x-ray light''. The original idea thus enabled the leap from femtosecond control of molecular dynamics into the new field of attosecond control of electron motion to be explored in the future. The \emph{closed}-loop approach could really \emph{open} the door towards fascinating new perspectives in science. Coming back to the introduction in order to close the loop, let us reconsider the analogy to the general chemical reaction. Photonic reaction control was presented by designing and engineering effective media (catalysts) and controlling the preparation of educt photons within the shaped laser pulses to selectively produce desired photonic target states in the soft x-ray spectral region. These newly synthesized target states in turn could be shown to be effective in the control of chemical reactions. The next step to be accomplished will be the control of sub-femtosecond time-scale electronic reactions with adaptively controlled coherent soft x-ray photon bunches. To that end a time-of-flight high-energy photoelectron spectrometer has recently been built, which will now allow to directly monitor electronic dynamics in atomic, molecular or solid state systems. Fundamentally new insights and applications of the nonlinear interaction of shaped attosecond soft x-ray pulses with matter can be expected from these experiments. / Die Verfügbarkeit kohärenter weicher Röntgenstrahlung durch den nichtlinear-optischen Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer von Laserstrahlung erlaubt es, die schnellsten jemals im Labor beobachteten Ereignisse in ihrem Ablauf zu verfolgen. Die in diesem Prozess erzeugten Attosekundenpulse stellen das wichtigste Werkzeug dar, um in Zukunft die zeitaufgelöste Elektronenbewegung in Atomen, Molekülen, Clustern, Flüssigkeiten und Festkörpern zu untersuchen. Um jedoch das volle Potential dieses Werkzeugs zu nutzen, ist es notwendig, den Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer in einer Weise zu optimieren, die es ermöglicht, zum einen gezielt Einfluss auf die Eigenschaften der kohärenten weichen Röntgenspektren zu nehmen und zum anderen die Konversionseffizienz bei der Umwandlung von Laserlicht in harmonische Strahlung zu erhöhen. In dieser Arbeit wurde eine umfassende Herangehensweise an das Problem der Optimierung des Erzeugungsprozesses der hohen Harmonischen Strahlung entwickelt. Da der Prozess ein fundamentales Beispiel einer Licht-Materie-Wechselwirkung darstellt, gibt es genau zwei Möglichkeiten, ihn zu kontrollieren: Die Formung des erzeugenden Laser\emph{lichtes} und die Entwicklung idealer \emph{Materie}zustände als Konversionsmedien. Beide Möglichkeiten wurden im Rahmen dieser Arbeit gründlich untersucht. Zusätzlich zur bloßen Steigerung der Ausbeute an Hoher-Harmonischer-Strahlung konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass es möglich ist, die Spektren der erzeugten kohärenten weichen Röntgenstrahlung durch geformte Laserpulse qualitativ zu modifizieren. Dies eröffnet Möglichkeiten für ein grundlegend neues Forschungsgebiet: Optimale Quantenkontrolle im Attosekunden- und weichen Röntgenbereich---dem Bereich elektronischer Dynamik. Auf die gleiche Art und Weise wie es heutzutage möglich ist, Molekül- oder Gitterschwingungsdynamik mit adaptiv geformten Femtosekundenpulsen zu kontrollieren, sind wir ab jetzt in der Lage, mit adaptiv geformten Attosekunden-Lichtfeldern die Bewegung von fest gebundenen Elektronen in Echtzeit zu beeinflussen. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das Potential der hierin entwickelten Methode der Formung kohärenter weicher Röntgenspektren demonstriert, indem ein gemessenes experimentelles Rückkopplungssignal benutzt wurde, um eine `closed-loop' Optimierung der Wechselwirkung von geformtem weichen Röntgenlicht mit Schwefelhexafluoridmolekülen für unterschiedliche Kontrollziele durchzuführen. Im Hinblick auf die Entwicklung und Anpassung des Konversionsmediums zur Optimierung des Prozesses der Erzeugung hoher Harmonischer wurden sowohl die Gas- als auch die Flüssigphase sowohl im Experiment als auch in der Theorie erforscht. Es wurde gezeigt, dass molekulare Medien sich effizienter als Atome verhalten, wenn der erzeugungende Laserpuls elliptisch polarisiert ist. In einer theoretischen Untersuchung wird eine Zunahme der Konversionseffizienz für linear polarisierte Erzeugungspulse erwartet wenn der Kernabstand vergrößert wird. Gründe dafür sind zum einen die Zunahme des Überlapps der zum Atom zurückkehrenden Wellenfunktion des Elektrons wegen der Molekülgeometrie. Zum anderen ermöglicht die Variation des Kernabstands die Kontrolle über die Delokalisation des elektronischen Anfangszustands, die zu einem verminderten quantenmechanischen Zerlaufen des Wellenpakets während seiner Propagation im Kontinuum führt. Eine neuartige experimentelle Methode wurde ausgearbeitet, die sich die Technik der Erzeugung molekularer Wellenpakete als Werkzeug zunutze macht, um die Konversionseffizienz der harmonischen Strahlung in einem so genannten `pump--drive' Verfahren zu erhöhen. Dieses wurde dann in einer Untersuchung der Erzeugung hoher Harmonischer an Wasser-Mikrotropfen experimentell implementiert. Dadurch konnte ein Übergang zwischen den beiden dominanten Mechanismen der Umwandlung von Laserstrahlung in weiches Röntgenlicht beobachtet werden, der den Plasma-Durchbruch als die natürliche Grenze bei der Erzeugung von hohen Harmonischen in hochdichten Medien identifizierte. Harmonische bis hin zur 27sten Ordnung wurden für optimal durch den Laser präparierte Wassertropfen nachgewiesen. Um den Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer durch geformte Lichtfelder zu kontrollieren, wurde ein auf einem deformierbaren Membranspiegel basierender Laserpulsformer aufgebaut. Mittels Pulsformoptimierung war es ebenfalls möglich, eine Erhöhung der harmonischen Erzeugungseffizienz zu erzielen---wichtiger jedoch: Es konnte die qualitative Form der erzeugten kohärenten weichen Röntgenspektren signifikant modifiziert werden. Durch adaptive Optimierung unter Anwendung von `closed-loop' Strategien war es möglich, selektiv schmal- (einzelne harmonische Ordnungen) und breitbandige harmonische Spektren zu erzeugen. Durchstimmbarkeit wurde demonstriert sowohl für einzelne Harmonische als auch für größere zusammenhängende Bereiche mehrerer harmonischer Ordnungen. Während in allen bislang durchgeführten Experimenten ein Plateau gleichintensiver harmonischer Ordnungen beobachtet wurde, ist es jetzt zum ersten Mal gelungen, ``untypische'' weiche Röntgenspektren zu generieren, bei denen einzelne harmonische Ordnungen ``ausgeschaltet'' sind. Der hohe Grad der Kontrollierbarkeit bereitet den Weg für Experimente zur Quantenkontrolle im weichen Röntgenbereich. Es wurde ebenso gezeigt, dass der Grad der Kontrolle über die Form der weichen Röntgenspektren von der Erzeugungsgeometrie des Umwandlungsprozesses abhängt. In Experimenten zur Umwandlung im Gasstrahl war es nicht möglich die relative Emissionsstärke benachbarter harmonischer Ordnungen zu verändern. Im Gegensatz dazu konnte in der Wellenleitergeometrie die relative Ausbeute benachbarter Ordnungen mit hohem Kontrastverhältnis modifiziert werden. Eine auf der Antwort eines einzelnen Atoms beruhende Simulation konnte die experimentell beobachteten Kontrastverhältnisse nicht ausreichend reproduzieren: Ein Hinweis auf den Einfluss von Propagationseffekten (Phasenanpassung) als Ursache des in Wellenleitern beobachteten hohen Grades an Kontrollierbarkeit, was offene Debatten auf diesem Feld beantwortet. Um das Anwendungspotential der entwickelten Technik zur Formung kohärenter weicher Röntgenspektren im Hinblick auf Quantenkontrollexperimente in der entspechenden diesbezüglich bislang unerforschten Wellenlängenregion aufzuzeigen, wurde ein Prototypexperiment durchgeführt. Hier wurden wiederum mittels adaptiver Rückkopplungsschleife die nun formbaren Röntgenspektren dazu eingesetzt, die Photodissoziationsreaktion von SF$_6$-Molekülen in der Gasphases zu kontrollieren. Ein Flugzeitmassenspektrometer wurde zur Detektion der ionischen Fragmente herangezogen. Das Verzweigungsverhältnis einzelner Fragmentationskanäle konnte durch den Einfluss optimal geformter weicher Röntgenfelder variiert werden. Obwohl in einem Fall nur eine leichte Veränderung möglich war, konnte eine optimale Lösung gefunden werden, wodurch die ausreichende technische Stabilität dieser einzigartigen Methode zur Formung kohärenter weicher Röntgenstrahlung für zukünftige Anwendungen auf dem Gebiet der optimalen Kontrolle bewiesen wurde. Es wurde ferner darauf eingegangen, dass aktive Formung der spektralen Amplitude in kohärenten Spektren von $\sim$10~eV Bandbreite in direktem Zusammenhang steht mit der Formung zeitlicher Eigenschaften der entstehenden weichen Röntgenpulsen auf einer Subfemtosekundenzeitskala. Dies kann durch den Frequenz-Zeit-Dualismus verstanden werden, in dem die Fouriertransformation als Übersetzer fungiert. Eine quantenmechanische Simulation wurde durchgeführt, um das Ausmaß der zeitlichen Kontrolle über die Attosekundenpulsform beim Umwandlungsprozess näher zu beleuchten. Zusammen mit den experimentellen Ergebnissen konnte damit der erste Attosekundenpulsformer in dieser Arbeit demonstriert werden. Die Verfügbarkeit von Femtosekundenpulsformern eröffnete das Gebiet der adaptiven Femtosekunden-Quantenkontrolle. Die bahnbrechende Idee der `closed-loop' Rückkopplungskontrolle, die dazu experimentell implementiert wurde, war von Judson und Rabitz in ihrer wegweisenden Arbeit mit dem Titel ``Teaching lasers to control molecules'' (``Es Lasern beibringen, Moleküle zu kontrollieren'') zum Ausdruck gekommen. Die vorliegende Arbeit kann dieser Idee nun eine erweiterte und eine ``umgekehrte'' Form hinzufügen: ``Teaching molecules to control laser light conversion'' (``Es Molekülen beibringen, Laserlichtkonversion zu kontrollieren'') und ``Teaching lasers to control coherent soft x-ray light'' (``Es Lasern beibringen, kohärentes weiches Röntgenlicht zu kontrollieren''). Die ursprüngliche Idee erlaubte somit nun also auch den Sprung von der Femtosekundenkontrolle molekularer Dynamik hinein in das neue Gebiet der Attosekundenkontrolle elektronischer Bewegung, dessen Erforschung nun unmittelbar bevorsteht. Die Idee der \emph{geschlossenen} Schleife (`closed-loop') konnte damit tatsächlich das Tor \emph{öffnen} hinaus in eine Fülle neuer Perspektiven für die Naturwissenschaft.

Adaptive Femtosekunden-Quantenkontrolle hat sich in den letzten Jahren als eine sehr erfolgreiche Methode in vielen wissenschaftlichen Gebieten wie Physik, Chemie oder Biologie erwiesen. Eine Vielzahl von Quantensystemen und insbesondere Moleküle, die eine chemische Reaktion durchlaufen, sind durch speziell geformte, Femtosekunden-Laserimpulse kontrolliert worden. Diese Methode erlaubt es, nicht nur das Quantensystem zu beobachten, sondern einen Schritt weiterzugehen und aktive Kontrolle über quantenmechanische Dynamik zu erlangen. In diesem Schema werden Interferenzphänomene im Zeit- und Frequenzraum benutzt, um Selektivität zum Beispiel in einer chemischen Reaktion zu erhalten. Die dazu benutzten, speziell geformten Femtosekunden-Laserimpulse waren bislang nur linear polarisiert. Deshalb konnten sie nur die skalaren Eigenschaften der Licht - Materie - Wechselwirkung ausnutzen und haben so den vektoriellen Charakter des elektrischen Dipolmoments $\vec{\mu}$ und des elektrischen Lichtfeldes $\vec{E}(t)$ vernachlässigt. Im besonderen in der Quantenkontrolle von chemischen Reaktionen ist das untersuchte System, die Moleküle, dreidimensional und zeigt komplexe raumzeitliche Dynamik. Mit der Hilfe von polarisations-geformten Laserimpulsen ist man jetzt in der Lage dieser Dynamik, sowohl in der Zeit als auch in der räumlichen Richtung zu folgen. Deshalb kann nun ein neues Niveau an Kontrolle in quanten-mechanischen Systemen erreicht werden. In dieser Arbeit konnte die Erzeugung von polarisations-geformten Laserimpulsen in einem optischen Aufbau verwirklicht werden. Dieser Aufbau erfordert keine interferometrische Stabilität, da beide Polarisationskomponenten demgleichen Strahlweg folgen. Zwei-Kanal spektrale Interferometrie wurde eingesetzt, um die Laserimpulse experimentell vollständig zu charakterisieren. Um den zeitabhängigen Polarisationszustand dieser Pulse exakt zu beschreiben, wurde eine mathematische Darstellung entwickelt und angewandt. Die Veränderungen des Polarisationszustandes durch optische Elemente wurde untersucht und einige Lösungen wurden aufgezeigt, um diese Veränderungen zu minimieren. Der Jones Matrix Formalismus wurde dazu benutzt, alle Verzerrungen des Polarisationszustandes zwischen dem Impulsformer und dem Ort des Experiments zu berücksichtigen. Zugleich können die Jones Matrizen zu einer vollständigen Charakterisierung der erzeugten Laserimpulse verwendet werden. Dabei wurden experimentell kalibrierte Matrizen eingesetzt. Adaptive Polarisations-Impulsformung konnte in einem rein optischen Demonstrationsexperiment gezeigt werden. Dabei wurde die computergesteuerte Polarisationsformung mit einer Lernschleife und einem experimentellen Rückkopplungssignal kombiniert. Durch diesen selbstlernenden Algorithmus konnte der benötigte, linear polarisierte Laserimpuls mit möglichst kleiner Impulsdauer gefunden werden, der für die effektive Erzeugung der zweiten Harmonischen in einem nichtlinearen optischen Kristall am besten geeignet ist. Durch diese Rückkopplungsschleife war es möglich auch noch kompliziertere Polarisationsverzerrungen, die durch eine Wellenplatte für eine falsche Wellenlänge verursacht wurden, rückgängig zu machen. Die zusätzliche Verformung der spektralen Phase durch Materialdispersion in einem 10~cm langen Glasblock konnte ebenfalls automatisch kompensiert werden. Nach diesen optischen Demonstrationsexperimenten wurde ultraschnelle Polarisationsformung angewandt, um ein Quantensystem zu kontrollieren. Die Polarisationsabhängigkeit der Multi-Photonen Ionisation von Kaliumdimeren konnte in einer Anrege-Abtast Messung nachgewiesen werden. Diese Abhängigkeit wurde dann in einem adaptiven Polarisationsformungsexperiment in einer sehr viel allgemeineren Art ausgenutzt. Statt nur einem Anrege- und Abtastlaserimpuls mit jeweils unterschiedlicher Polarisation zu benutzen, wurde der zeitabhängige Polarisationszustand eines geformtem Laserimpulses benutzt, um die Ionisation zu maximieren. Anstelle von einer nur quantitativen Verbesserung konnte eine qualitativ neue Art von Kontrolle über Quantensysteme demonstriert werden. Diese Polarisationskontrolle ist anwendbar selbst bei zufällig ausgerichteten Molekülen. Durch diese Möglichkeit, auf Ausrichtung der Moleküle zu verzichten, konnte mit einem wesentlich vereinfachten experimentellen Aufbau gearbeitet werden. Über diese Polarisationskontrollexperimente hinaus wurden auch die dreidimensionalen Aspekte der Dynamik von Molekülen erforscht und kontrolliert. Die \textit{cis-trans} Photoisomerisierungsreaktion von 3,3$'$-Diethyl-2,2$'$-Thiacyanin Iodid (NK88) wurde in der flüssigen Phase mit transienter Absorptionsspektroskopie untersucht. Die Isomerisierungsausbeute konnte sowohl erhöht als auch erniedrigt werden durch den Einsatz geformter Femtosekunden-Laserimpulse mit einer Zentralwellenlänge von 400~nm, die sowohl in spektraler Phase als auch Amplitude moduliert waren. Dieses Experiment zeigt die Möglichkeit, die kohärente Bewegung großer molekularer Gruppen durch Laserimpulse gezielt zu beeinflussen. Diese Modifikation der molekularen Geometrie kann als erster Schritt angesehen werden, kontrollierte Stereochemie zu verwirklichen. Insbesondere da im ersten Teil dieser Arbeit die Kontrolle von Molekülen mit Polarisations-geformten Impulsen gezeigt werden konnte, ist der Weg geebnet zu einer Umwandlung von einem chiralen Enantiomer in das andere, da theoretische Modelle dieser Umwandlung polarisations-geformte Laserimpulse benötigen. Außer diesen faszinierenden Anwendungen der Polarisationsformung sollte es nun möglich sein den Wellenlängenbereich der polarisations-geformten Laserimpulse auszuweiten. Sowohl Erzeugung der zweiten Harmonischen um in den ultravioletten Bereich zu kommen als auch optische Gleichrichtung von äußerst kurzen Femtosekunden-Impulsen um den mittleren infrarot Bereich abzudecken sind Möglichkeiten, den Wellenlängenbereich von polarisations-geformten Laserimpulsen zu erweitern. Mit diesen neuen Wellenlängen tut sich eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten auf, Polarisationsformung für die Kontrolle von quantenmechanischen Systemen einzusetzen. / Adaptive femtosecond quantum control has proven to be a very successful method in many different scientific fields like physics, chemistry or biology. Numerous quantum systems and in particular molecules undergoing chemical reactions have been controlled using shaped femtosecond laser pulses. This method allows to go beyond simple observation and to obtain active control over quantum--mechanical systems. It uses interference phenomena in the time and/or frequency domain to achieve selectivity. The shaped femtosecond laser pulses employed in this scheme have until recently been purely linearly polarized. Therefore, they only address the scalar properties of light--matter interaction and neglect the vectorial character of both the dipole moment $\vec{\mu}$ and the electric field $\vec{E}(t)$. Especially in the quantum control of chemical reactions the investigated systems ---the molecules--- are three dimensional and exhibit complex spatio--tempo\-ral dynamics. With the help of polarization--shaped laser pulses one is now able to follow these dynamics in both, time and spatial direction, and can therefore reach a new level of control over quantum--mechanical systems. In this work, the generation of polarization--shaped laser pulses has been implemented in an optical setup. It requires no interferometric stability as a result of the identical beam path for both polarization components. Dual--channel spectral interferometry was employed as experimental pulse characterization and a mathematical description of the time--dependent polarization state of these pulses was given. The polarization modulation of the shaped pulses by subsequent optical elements was investigated and some solutions to minimize these modulations were presented. Jones matrix calculus with experimentally calibrated matrices was implemented to account for all polarization distortions from the LCD to the position of the experiment and for full characterization of the generated pulse shapes. Adaptive polarization shaping was demonstrated in a purely optical realization of the learning--loop concept. The learning algorithm was able to find the needed linear polarization in order to maximize second harmonic generation in a nonlinear optical crystal. The closed--loop configuration has proven to be capable to clear up more complicated polarization distortion, which was introduced using a multiple order half--wave plate designed for use at a wavelength of 620~nm. The additional deformation of the spectral phase through dispersion in a 10~cm long SF10 glass rod has also been compensated automatically. After these optical demonstration experiments ultrafast polarization shaping was applied to control a quantum system. Polarization sensitivity was shown in pump--probe measurements of the multiphoton ionization of potassium dimer molecules K$_2$. This sensitivity was exploited in a more general way in a learning--loop experiment with polarization--shaped laser pulses. A qualitatively new level of control was demonstrated using the time--dependent polarization state of laser pulses as an active agent. This polarization control was applicable even in randomly aligned molecules, which is a significant simplification of the experimental setup. In addition to these polarization control experiments, the three dimensional dynamics of molecules were also investigated and controlled. The \textit{cis--trans} photoisomerization of NK88 was studied in the liquid phase by transient absorption spectroscopy. The isomerization reaction efficiency was enhanced as well as reduced using linearly polarized laser pulses at 400~nm shaped in spectral phase and amplitude. This experiment demonstrates the ability to control the large scale motion of complex molecular groups with shaped femtosecond laser pulses. The modification of the molecular geometry can be regarded as a first step towards control of chirality in photochemistry. Especially with the successful demonstration of polarization quantum control, which is required in the theoretical models for the selective conversion of one enantiomer into the other, the way is paved towards coherent control of chirality. Besides these fascinating applications of polarization shaping it should now also be possible to extend the wavelength range of these pulses. Apart from second harmonic generation in order to reach the ultraviolet region intra-pulse difference frequency generation could be an option to open the mid-infrared spectral range for polarization shaping. With these new wavelength regions numerous new perspectives arise for quantum control using polarization--shaped laser pulses. Referring once more to the novel of Edwin A. Abbott presented in the introduction one could say that shaped femtosecond pulses really have left Flatland. Or to put it into the words of the sphere, when it teaches the square about the perception of dimensions: \begin{quote} ``Look yonder [...] in Flatland thou hast lived; of Lineland thou hast received a vision; thou hast soared with me to the heights of Spaceland;'' \hfill Edwin A.~Abbott~\cite{abbott1884}, 1884 \end{quote}

In dieser Arbeit wurden zwei Aspekte der Femtochemie mit den Methoden der Femtosekunden--Laserspektroskopie untersucht. Dabei wurden folgende Ziele verfolgt: Einerseits sollte die jüngst entwickelte Technik der adaptiven Pulsformung auf das Problem bindungsselektiver Photodissoziationsreaktionen angewandt werden, zum Anderen bestand die Aufgabe darin, die nichtadiabatische, photoinduzierte Dynamik am Beispiel der Photoisomerisierung von Stilben mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie zeitaufgelöst zu untersuchen. Die Methode der adaptiven Pulsformung wurde mit dem Ziel eingesetzt, eine bindungsselektive Photodissoziation zu verwirklichen. Dazu wurde diese Technik in Verbindung mit einem massenspektroskopischen Nachweis der Photofragmente verwendet. Die Experimente wurden an einigen Spezies der Methylhalogenide CH2XY (X,Y = Halogen) durchgeführt. Diese Verbindungen wurden als Modellsysteme gewählt, da sich gezeigt hat, dass auf Grund stark gekoppelter konkurrierender Dissoziationskanäle durch modenselektive Laseranregung keine Kontrolle erreicht werden kann. Mit dem hier durchgeführten Experiment an CH2ClBr wurde erfolgreich erstmals die Anwendung der adaptiven Femtosekunden-Pulsformung auf das Problem einer bindungsselektiven Photodissoziation demonstriert. Dabei konnte eine Steigerung der Dissoziation der stärkeren Kohlenstoff-Halogen Bindung um einen Faktor zwei erreicht werden. Weiterhin konnte experimentell gezeigt werden, dass das optimierte Produktverhältnis nicht durch eine einfache Variation der Laserpulsdauer oder Laserpulsenergie erzielt werden kann. Es wurde ein möglicher Mechanismus für die Kontrolle diskutiert, der im Gegensatz zu einem unmodulierten Laserpuls die Wellenpaketdynamik auf neutralen dissoziativen Potentialflächen zur Steuerung des Produktverhältnisses involviert. Wie sich aus einer genaueren Analyse des Fragmentspektrums ergab, wird durch den optimalen Laserpuls die Dissoziation in komplexer Weise moduliert. Dies zeigte sich z.B. auch durch eine Änderung des Isotopenverhältnisses in der Ausbeute des dissoziierten Br-Liganden vor und nach der Optimierung. Dieser Frage nach einer isotopenselektiven Photodissoziation wurde in einem weiteren Experiment an CH2Br2 nachgegangen. Dabei konnte jedoch nur eine geringe Variation von etwa fünf Prozent gegenüber dem natürlichen Isotopenverhältnis festgestellt werden. Als größtes experimentelles Problem stellte sich dabei die starke Intensitätsabhängigkeit der Produktausbeuten heraus, was die Suche nach der optimalen Pulsform stark einschränkte. Anhand des molekularen Photodetachments CH2I2-->CH2+I2 wurde gezeigt, dass durch die Analyse der optimalen Pulsformen Informationen über die Dynamik dieses Prozesses gewonnen werden können. Dazu wurde zunächst in einem Pump-Probe-Experiment die Dynamik der I2-Fragmentation nach einer Mehrphotonen-Anregung von CH2I2 mit 266nm Laserpulsen untersucht. Dieses Experiment ergab, dass das Molekül über einen angeregten Zwischenzustand auf einer sehr schnellen Zeitskala über Dissoziationskanälen zerfallen kann. Der dominante Kanal führt zu einer sequentiellen Abgabe einer der I-Liganden und resultiert in den Photoprodukten CH2I und I Im anderen Kanal, dem molekularen Photodetachment, werden die Photoprodukte I2 und CH2 gebildet. In einem Kontrollexperiment wurde dann versucht, das molekulare Photodetachment gegenüber dem dominanten sequentiellen Kanal mit geformten 800nm Laserpulsen zu optimieren. Es wurden Optimierungen mit dem Ziel der Maximierung der Ausbeute an den Photoprodukten I2 und CH2 gegenüber CH2I durchgeführt. Diese Experimente ergaben, dass für beide Fragmente des molekularen Photodetachments eine Steigerung des Produktverhältnisses um etwa einen Faktor drei möglich ist. Dabei zeigte sich, dass eine Maximierung auf ein Produktverhältnis (z.B. I2/CH2I) eine Steigerung des anderen um etwa den gleichen Faktor hervorruft. Dies ist ein deutlicher Hinweis, dass beide Photoprodukte über denselben Dissoziationskanal gebildet werden. Ein weiterer inweis wurde aus der Analyse der optimalen Pulsformen erhalten: In beiden Fällen weisen diese eine markante Doppelpulsstruktur mit einem zeitlichen Abstand von etwa 400fs auf. Dies erinnert stark an die Situation des Pump-Probe--Experiments, wo durch die Analyse des transienten Signals ebenfalls eine optimale Verzögerungszeit zwischen dem Pump- und Probe-Laserpuls von etwa 400fs ermittelt werden konnte, bei der die Produktverhältnisse gerade maximal sind. Im Vergleich zur Massenspektroskopie liefert die Photoelektronenspektroskopie in der kinetischen Energie der Photoelektronen eine zusätzliche Messgröße, die direkt Informationen über die Kerngeometrie des Systems liefern kann. Mit dieser Technik wurde die trans-cis-Photoisomerisierung von Stilben im ersten elektronisch angeregten Zustand S1(1Bu) zeitaufgelöst untersucht. Dabei ging es speziell um die Frage nach der Existenz eines weiteren 1Bu Zustandes, der in neueren theoretischen Untersuchungen diskutiert wurde. In einem Pump-Probe-Experiment wurde dazu das im Molekularstrahl präparierte trans-Stilben durch einen 266nm Laserpuls angeregt und die Dynamik durch einen weiteren 266nm Laserpuls abgefragt. Im Photoelektronenspektrum konnten zwei signifikante Beiträge mit unterschiedlicher Dynamik gefunden werden. Das transiente Signal des ersten Beitrags weist eine Zeitkonstante von etwa 20ps auf und konnte eindeutig der Isomerisierung des S1 Zustandes zugeordnet werden. Im Gegensatz dazu zeigte das Signal des zweiten Beitrags eine Zeitkonstante von 100fs. Dieses Signal könnte aus der Ionisation des S2 Zustandes resultieren, welcher bislang experimentell nicht beobachtet werden konnte. / Adaptive femtosecond quantum control has proven to be a very successful method in many different scientific fields like physics, chemistry or biology. This technique allows to go beyond observation, another important field of femtosecond laser spectroscopy, and to obtain active control over quantum-mechanical systems. It uses interference phenomena in the time and/or frequency domain to achieve selectivity among different reaction channels available to the system. Adaptive femtosecond quantum control has been implemented using automated control algorithms, namely genetic algorithms, embedded in a feedback loop. The Feedback is obtained directly in the experiment. This means, that no information is needed about the underlying complex physical processes. Adaptive pulse shaping in combination with mass spectroscopy was employed in order to control the photo dissociation dynamics of some methyl halides (CH2XY). In this context, methyl halides serve as a model system in order to study bond selective photochemistry, as it is known that mode selective laser excitation failed to achieve control due to strong non adiabatic coupling between the different dissociation channels. In a first experiment bond selective photodissociation on CH2ClBr was demonstrated. The results show, that by using optimally tailored laser pulses the cleavage of stronger carbon halogen bond can be enhanced by a factor of two. This enhancement cannot be explained by a simple variation of laser pulse energy or intensity, respectively. Further spectroscopic results indicate that the optimally formed laser pulse found in the optimization experiment involves dynamics on neutral dissociative potential surfaces. A more detailed analysis of the optimal pulse shape found in the control experiment revealed that the optimal laser pulse alters the photodissociation of CH2ClBr in subtle way. This was seen in the change of the branching ratio of the bromine isotopes following the excitation with the optimal laser pulse. In order to investigate this further, optimization of the bromine isotope ratio in CH2Br2 was studied, where however, only a small change could be achieved. This can mainly be explained by a strong laser intensity dependence of the absolute yield of the photoproduct, which leads to large errors in the product ration and thus confuses the optimization algorithm.In a third experiment it was demonstrated that the analysis of the optimal pulse shapes allows extracting information about the underlying molecular processes. Therefore the molecular photodetachment CH2I2-->CH2+I2 was investigated using pump-probe spectroscopy as well as adaptive pulse shaping. The photoproducts were again detected using mass spectroscopy. Time resolved experiments reveal an ultrafast dissociation of the molecule via an intermediate state resulting in the dominant photoproducts CH2I and I. As a minor contribution molecular photodetachment is observed leading to the products CH2 and I2. In an automated control experiment the branching ratio of these two reaction channels is varied by a factor of three as compared to a bandwidth limited laser pulse. It is found that maximization of one product ratio (e.g. I2/CH2I) also results in a maximization of the other (CH2/CH2I). This shows that the photoproducts I2 and CH2 originate form one common intermediate species. Analysis of the optimal pulse shape reveals a double pulse with a distance of 400fs between the two features. This can be directly compared to the results of the pump-probe experiment. There the ratio of the transient signals of I2 versus CH2I was analysed. It was found that the maximum is reached after 400fs after the excitation of the molecule by the pump laser pulse. In the second part of the thesis photoelectron spectroscopy in combination with time-resolved femtosecond laser spectroscopy was employed to investigate the isomerization dynamics of trans-Stilbene in its first excited state S1 (1Bu). In a pump-probe experiment the molecule was excited by a 266nm laser pulse to its first excited state about 0.5eV above the isomerization barrier. The dynamics of the intermediate species was probed by ionization with a second time delayed 266nm laser pulse and the kinetic energy of the photoelectrons was measured as a function of the pump-probe delay. The spectra obtained clearly indicate contributions from two distinct reaction pathways. The transient signal of the first contribution shows a time constant of about 20ps and can be assigned to the isomerization dynamics of trans-Stilbene on the S1 state. The second contribution exhibits an ultrafast dynamics of about 100fs decay time and can be attributed to a second electronics state. Theoretical studies indeed predict a second electronic state of same symmetry as S1in the energy region reached by the experiment.

The subject of this work has been the investigation of dynamical processes that occur during and after the interaction of matter with pulses of femtosecond laser radiation. The experiments presented here were performed in the gas phase and involve one atomic and several model molecular systems. Absorption of femtosecond laser radiation by these systems induces an electronic excitation, and subsequently their ionization, photofragmentation or isomerization. The specific adjustment of the excitation laser field properties offers the possibility to manipulate the induced electronic excitation and to influence the formation of the associated photoproducts. From the perspective of the employed spectroscopic methods, the development of photoelectron spectroscopy and its implementation in laser control experiments has been of particular interest in this thesis. This technique allows for a most direct and intuitive observation of electronic excitation dynamics in atomic as well as in complex polyatomic molecular systems. The propagation of an intermediate electronic transient state, associated to the formation of a particular photoproduct, can be interrogated by means of its correlation to a specific state of the atomic or molecular continuum. Such correlations involve the autoionization of the transient state, or by means of a second probe laser field, a structural correlation, as summarized by the Koopman's theorem (section 2.4.1). The technique of adaptive femtosecond quantum control has been the subject of development in our group for many years. The basic method, by which the temporal profile of near-infrared laser pulses at a central wavelength of 800 nm, can be adjusted, is a programmable femtosecond pulse-shaper that comprises of a zero dispersion compressor and a commercial liquid crystal modulator (LCD). This experimental arrangement was realized prior to this thesis and served as a starting point to extend the pulse-shaping technique to the ultraviolet spectral region. This technological development was realized for the purposes of the experiments presented in Chapter 5. It involves a combination of the LCD-pulse-shaper with frequency up-conversion techniques on the basis of producing specifically modulated laser pulses of central wavelength 266 nm. Furthermore, the optical method X-FROG had to be developed in order to characterize the often complex structure of generated ultraviolet pulses. In the adaptive control experiments presented in this work, the generated femtosecond laser pulses could be automatically adjusted by means of specifically addressing the 128 independent voltage parameters of the programmable liquid-crystal modulator. Additionally a machine learning algorithm was employed for the cause of defining laser pulse-shapes that delivered the desired (optimal) outcome in the investigated laser interaction processes. In Chapter 4, the technique of feedback-controlled femtosecond pulse shaping was combined with time-of-flight mass spectroscopy as well as photoelectron spectroscopy in order to investigate the multiphoton double ionization of atomic calcium. A pronounced absolute enhancement of the double ionization yield was obtained with optimized femtosecond laser pulses. On the basis of the measured photoelectron spectra and of the electron optimization experiments, a non-sequential process was found, which plays an important role in the formation of doubly charged Calcium ions. Then in Chapter 5, the dynamics following the pp* excitation of ethylene-like molecules were investigated. In this context, the model molecule stilbene was studied by means of femtosecond photoelectron spectroscopy. Due to the simplicity of its chemical structure, stilebene is one of the most famous models used in experimental as well as theoretical studies of isomerization dynamics. From the time-resolved experiments described in that chapter, new spectroscopic data involving the second excited electronic state S2 of the molecule were acquired. The second ethylenic product was the molecule tetrakis (dimethylamino) ethylene (TDMAE). Due to the presence of numerous lone pair electrons on the four dimethylamino groups, TDMAE exhibits a much more complex structure than stilbene. Nevertheless, previously reported studies on the dynamics of TDMAE provided vital information for planning and conducting a successful optimisation control experiment of the wavepacket propagation upon the (pp*) S1 excited potential surface of the molecule. Finally, in Chapter 6 the possibility of employing femtosecond laser pulses as an alternative method for activating a metallocene molecular catalyst was addressed. By means of an adaptive laser control scheme, an optimization experiment was realized. There, the target was the selective cleavage of one methyl-ligand of the model catalyst (Cp)^2Zr(CH3)^2, which induces a catalytic coordination position on the molecule. The spectroscopic studies presented in that chapter were performed in collaboration to the company BASF A.G. and constitute a proof-of principle attempt for a commercial application of the adaptive femtosecond quantum control technique. / Das Thema der hier vorgestellten Arbeit umfasst die Untersuchung von dynamischen Prozessen, die während der Wechselwirkung von Femtosekunden Laserpulsen mit Atomen und Molekülen stattfinden. Die entsprechenden Experimente sind in der Gasphase durchgeführt worden, wobei ein Atom- und mehrere Molekül-Modellsysteme untergesucht wurden. Die Absorption von Femtosekunden-Laserstrahlung induziert die elektronische Anregung der quantumsmechanischen Systeme und eventuell deren Ionisation, Photofragmentnation oder Isomerisierung. Die gezielte Einstellung der Laserfeldeigenschaften bietet die Möglichkeit, diese Prozesse zu beeinflussen, beziehungsweise die Formung von entsprechenden Photoprodukten zu steuern. Im Hinblick auf die verwendeten spektroskopischen Methoden wurde besonderes Interesse auf die Entwicklung von Photoelektronen-Spektroskopie und in deren Einsatz zur Durchführung von laserinduzierten Kontrollexperimente gelegt. Photoelektronen-Spektroskopie ermöglicht die direkte und intuitive Beobachtung elektronischer Anregungsdynamik in Atomen sowie in komplexen mehreratomaren Molekülsystemen. Die zeitliche Entwicklung von angeregten elektronischen Zuständen ist oft bei der Formung von bestimmten Photoprodukten assoziiert. Die Dynamik kann mittels der Korrelation des sich entwickelnden Zustandes zu den Kontinuumzuständen des Atom- oder Molekül-Systems untersucht werden. Das detektionsverfahren umfasst die Autoionization oder, mittels eines zweiten Laserpulses, die Weiteranregung des Systems ins Kontinuum. Denn, die Beobachtung der entsprechenden Strukturänderungen des Systems erfolgt mittels der Korrelation des zwischenangeregten Zustand zu den verschiedenen Kontinuumzuständen (Koopman Theorem). Seit mehreren Jahren wurde die Methode der adaptiven Femtosekunden-Pulsformung in unserer Gruppe entwickelt. Die anfängliche experimentelle Anordnung besteht aus einer Kombination von einem Flüssig-Kristall-Modulator (LCD) und einen Null-Dispersions-Kompressor. Damit ist es möglich, das zeitliche Profil von Laserpulsen im Infrarot (800 nm) Spektralbereich automatisch zu modulieren. Diese Entwicklungsarbeit stand bereits zu Verfügung vor dem Anfang der vorgestellten Dissertation. Hier wurde die Erweiterung dieser Methode in den uravioletten Spektralbereich vorgestellt (Kapitel 5). Es umfasst eine Kombination von dem bestehenden LCD-Pulsformer und einem Verfahren zur Frequenzkonversion, das die Erzeugung von modulierten aserpulsen mit eine Wellenlänge 266 nm ermöglicht. Die entsprechende Charakterisierungsmethoden (X-FROG) wurden ebenfalls entwickelt. Die Femtosekunden-Laserpulse können automatisch moduliert werden durch die entsprechende Einstellung der 128 unabhängigen Spannungsparametern des LCD-Modulators. Zusätzlich wurden die optimale Parameter für die Kontrolle eines bestimmten anregungsprozess mittels eines Machine-Learning Algorithmus gefunden. In Kapitel 4 wurde die Mehrphoton-Doppleionization von Calciumatomen untersucht. Dabei wurde die Methode der adaptiven Pulsformung zusammen mit time-of-flight Massenspektroskopie und Photoelektronenspektroskopie ingesetzt. Das absolute Signal der Doppleionization konnte verdoppelt werden durch die Anregung mit bestimmten komplexen Pulsformen. Gerade bei den Optimierungexperimenten an photoelektronenspektra konnte ein „non-sequential" Prozess entdeckt werden, der eine wichtige Rolle bei der Doppleionization von Calcium spielt. In Kapitel 5 wurde die Dynamik von pp* Anregungsprozessen von Ethylenähnlichen-Moleküle untersucht. Im diesen Zusammenhang wurde das Modelmolekül Stilbene mittels Photoelektronenspektroskopie weiteruntersucht. Wegen seiner einfachen Struktur ist Stilbene eines der meistbenutzten Moleküle für Untersuchungen zur Photoisomerisierungsdynamik. Gerade bei den hier dargestellten zeitaufgelüsten Messungen wurde neu spektroskopische Information über den zweiten angeregten elektronische Zustand S2 entdeckt. Das zweite untersuchte Molekül ist Tetrakis Dimethylamino) Ethylen (TDMAE). Wegen den zahlreichen „Lone-Pair" Elektronen an seinen Dimethylamino Gruppen ist die gesamte Struktur des Moleküls deutlich komplexer im Vergleich zu Stilbene. Allerdings, ausgehend von gegebenen spektroskopischen Informationen aus der Literatur konnte ein erfolgreiches Kontrollexperiment an der Wellenpackets-Propagation des pp* Anregungsprozesses (auf dem S1 Zustand) geplant und durchgeführt werden. In Kapitel 6 wurde schließlich die Möglichkeit erforscht, einen Metallocene-Katalysator mittels Femtosekunden-Laserpulsen zu aktivieren. Das Kotrollschema der adaptiven Pulsformung wurde dabei eingesetzt, um eine der zwei identischen Methylgruppen des Moleküls selektiv abzuspalten, was zur Aktivierung des Katalysators führt. Diese spektroskopische Untersuchung wurde in Kollaboration mit der Firma BASF A.G. durchgeführt. Es stellt einen Grundlagenversuch der industriellen Anwendung der adaptiven Quantumskontrollemethode dar.