High-harmonic generation provides a powerful source of ultrashort coherent radiation in the XUV and soft-x-ray range, which also allows for the production of attosecond light pulses. Based on the unique properties of this new radiation it is now possible to perform time-resolved spectroscopy at high excitation energies, from which a wide field of seminal discoveries can be expected. Since the exploration and observation of the corresponding processes in turn are accompanied by the desire to control them, this work deals with new ways to manipulate and characterize the properties of these high-harmonic-based soft-x-ray pulses. After introductory remarks this work first presents a comprehensive overview over recent developments and achievements on the field of the control of high-harmonic radiation in order to classify the experimental results obtained in this work. These results include the control of high-harmonic radiation both by temporally shaping and by manipulating the spatial properties of the fundamental laser pulses. In addition, the influence of the conversion medium and of the setup geometry (gas jet, gas-filled hollow fiber) was investigated. Using adaptive temporal pulse shaping of the driving laser pulse by a deformable mirror, this work demonstrates the complete control over the XUV spectrum of high harmonics. Based on a closed-loop optimization setup incorporating an evolutionary algorithm, it is possible to generate arbitrarily shaped spectra of coherent soft-x-ray radiation in a gas-filled hollow fiber. Both the enhancement and suppression of narrowband high-harmonic emission in a selected wavelength region as well as the enhancement of coherent soft-x-ray radiation over a selectable extended range of harmonics (multiple harmonics) can be achieved. Since simulations that do not take into account spatial properties such as propagation effects inside a hollow fiber cannot reproduce the experimentally observed high contrast ratios between adjacent harmonics, a feedback-controlled adaptive two-dimensional spatial pulse shaper was set up to examine selective fiber mode excitation and the optimization of high-harmonic radiation in such a geometry. It is demonstrated that different fiber modes contribute to harmonic generation and make the high extent of control possible. These results resolve the long-standing issue about the controllability of high-harmonic generation in free-focusing geometries such as gas jets as compared to geometries where the laser is guided. Temporal pulse shaping alone is not sufficient. It was possible to extend the cutoff position of harmonics generated in a gas jet, however, selectivity cannot be achieved. The modifications of the high-harmonic spectrum have direct implications for the time structure of the harmonic radiation, including the possibility for temporal pulse shaping on an attosecond time scale. To this end, known methods for the temporal characterization of optical pulses and high-harmonic pulses (determination of the harmonic chirp on femtosecond and attosecond time scales) were introduced. The experimental progress in this work comprises the demonstration of different setups that are in principle suitable to determine the time structure of shaped harmonic pulses based on two-photon two-color ionization cross-correlation techniques. Photoelectron spectra of different noble gases generated by photoionization with high-harmonic radiation reproduce the spin-orbit splitting of the valence electrons and prove the satisfactory resolution of our electron time-of-flight spectrometer for the temporal characterization of high harmonics. Unfortunately no positive results for this part could be achieved so far, which can probably be attributed mainly to the lack of the focusability of the high harmonics and to the low available power of our laser system. However, we have shown that shaping the high-harmonic radiation in the spectral domain must result in modifications of the time structure on an attosecond time scale. Therefore this constitutes the first steps towards building an attosecond pulse shaper in the soft-x-ray domain. Together with the ultrashort time resolution, high harmonics open great possibilities in the field of time-resolved soft-x-ray spectroscopy, for example of inner-shell transitions. Tailored high-harmonic spectra as generated in this work and shaped attosecond pulses will represent a multifunctional toolbox for this kind of research. / Die Erzeugung von Hohen Harmonischen stellt eine leistungsfähige Quelle ultrakurzer und kohärenter Strahlung im extremen Ultraviolett- und weichen Röntgenbereich dar, die auch die Erzeugung von Attosekundenlichtimpulsen erlaubt. Durch die einzigartigen Eigenschaften dieser neuen Strahlung ist es nun möglich, zeitaufgelöste Spektroskopie mit hohen Anregungsenergien durchzuführen, was eine Vielzahl bahnbrechender Entdeckungen erwarten lässt. Da die Erforschung und Beobachtung entsprechender Prozesse gekoppelt sind mit dem Wunsch, diese zu kontrollieren, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit Wegen, die Eigenschaften dieser Röntgenpulse aus Hohen Harmonischen zu manipulieren und zu charakterisieren. Nach einleitenden Bemerkungen gibt diese Arbeit zunächst einen umfassenden Überblick über neueste Entwicklungen und Ergebnisse auf dem Gebiet der Kontrolle von Hohen Harmonischen, um die in dieser Arbeit erreichten experimentellen Ergebnisse einordnen zu können. Diese beinhalten die Kontrolle der Strahlung von Hohen Harmonischen sowohl durch die zeitliche Formung als auch durch die Manipulation der räumlichen Eigenschaften der fundamentalen Laserpulse. Untersucht wurde auch der Einfluss des Konversionsmediums und der Geometrie des Aufbaus (Gasstrahl, gasgefüllte Hohlfaser). Durch adaptive zeitliche Pulsformung der erzeugenden Laserpulse mit Hilfe eines deformierbaren Spiegels zeigt die vorliegende Arbeit die komplette Kontrolle über das XUV-Spektrum von Hohen Harmonischen. Basierend auf einem Optimierungsexperiment mit einer Rückkopplungsschleife und einem evolutionären Algorithmus ist es möglich, willkürlich geformte Spektren von kohärenter Strahlung im weichen Röntgenbereich in einer gasgefüllten Hohlfaser zu erzeugen. Sowohl die Steigerung und Unterdrückung von schmalbandiger Hohen-Harmonischen-Strahlung über einen ausgewählten Wellenlängenbereich als auch die Verstärkung von kohärenter weicher Röntgenstrahlung über einen wählbaren ausgedehnten Bereich von Harmonischen können erreicht werden. Da Simulationen ohne die Berücksichtigung von räumlichen Eigenschaften wie zum Beispiel Propagationseffekten in einer Hohlfaser die experimentell beobachteten hohen Kontrastverhältnisse zwischen benachbarten Harmonischen nicht reproduzieren konnten, wurde ein rückkopplungsgesteuerter zweidimensionaler räumlicher Pulsformer in Betrieb genommen, um die gezielte Anregung von Fasermoden und die Optimierung von Hohen Harmonischen in einer solchen Geometrie zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass verschiedene Fasermoden zur Erzeugung von Harmonischen beitragen und erst das hohe Maß an Kontrolle ermöglichen. Diese Ergebnisse lösen eine lang bestehende Frage nach der Kontrollierbarkeit der Erzeugung von Hohen Harmonischen in Geometrien mit einem freien Fokus wie zum Beispiel in Gasstrahlen im Vergleich zu Geometrien, in denen der Laser geführt wird. Zeitliche Pulsformung allein reicht nicht aus. In einem Gasstrahl konnten zwar beispielsweise die höchsten erzeugten Harmonischen zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben werden, eine Selektivität ist jedoch nicht möglich. Die Modifizierungen des Spektrums von Hohen Harmonischen haben direkte Auswirkungen auf die Zeitstruktur der Harmonischen-Strahlung, einschließlich der Möglichkeit für zeitliche Pulsformung im Attosekundenbereich. Dazu wurden bekannte Methoden zur zeitlichen Charakterisierung von optischen Pulsen und Hohen-Harmonischen-Pulsen vorgestellt. Der experimentelle Fortschritt in dieser Arbeit beinhaltet die Demonstration von verschiedenen Aufbauten, die im Prinzip geeignet sind, die Zeitstruktur von geformten Harmonischen-Pulsen mit Kreuzkorrelationsmethoden durch Zwei-Photonen-zwei-Farben-Ionisation zu bestimmen. Photoelektronenspektren verschiedener Edelgase, die durch Photoionisation mit der Hohen-Harmonischen-Strahlung erzeugt wurden, können die Spin-Bahn-Aufspaltung der Valenzelektronen reproduzieren und belegen die ausreichende Auflösung unseres Elektronen-Flugzeit-Spektrometers zur zeitlichen Charakterisierung von Hohen Harmonischen. Leider konnten bislang keine positiven Ergebnisse zu diesem Teil erzielt werden, was sich wohl hauptsächlich auf die fehlende Fokussierbarkeit der Harmonischen und die zu niedrige zur Verfügung stehende Leistung unseres Lasersystems zurückführen lässt. Wir haben jedoch gezeigt, dass die Formung der Hohen-Harmonischen-Strahlung im Spektralbereich Veränderungen der Zeitstruktur auf Attosekundenzeitskalen nach sich ziehen muss. Dies stellt daher erste Schritte in Richtung des Baus eines Attosekundenpulsformers im weichen Röntgenbereich dar. Zusammen mit der ultrakurzen Zeitauflösung eröffnen Hohe Harmonische daher viele Möglichkeiten auf dem Gebiet der zeitaufgelösten Spektroskopie im weichen Röntgenbereich, beispielsweise bei Innenschalen-Übergängen. Maßgeschneiderte Spektren von Hohen Harmonischen, wie sie in dieser Arbeit erzeugt werden konnten, und geformte Attosekundenpulse werden dabei vielseitige Werkzeuge darstellen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1726 |
| Date | January 2006 |
| Creators | Winterfeldt, Carsten |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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