Single-shot and pump-probe imaging of nanoplasmas induced in helium nanodroplets by intense laser fields

Abstract: Helium Nanotröpfchen (HNDs) haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer einzigartigen und faszinierenden Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt. HNDs bieten eine kalte (0,37 K), superfluide und schwach wechselwirkende Quantenfluid-Umgebung, die zur Untersuchung von Qunatenwirbeln, hochauflösender Spektroskopie bis hin zu maßgeschneiderten Komplexen und schwach gebundenen Aggregaten genutzt wurde. Bei der Bestrahlung mit hochintensivem nahinfraroten Laserlicht, können HNDs die Pulsenergie effizient absorbieren und somit ionisiert werden. Der daraus resultierende Zustand wird als Nanoplasma bezeichnet. Nanoplasmen bieten die Möglichkeit, die Dynamik hochgeladener und dichter Materie zu untersuchen, welche einzigartige Eigenschaften aufweist. In dieser Dissertation berichten wir über experimentelle Untersuchungen von Helium-Nanotröpfchen, die mit einzelnen intensiven Femtosekundenpulsen und mit Zweifarbenpulsen in Pump-Probe-Systemen wechselwirken. Bei den Einzelpulsmessungen wurden dotierte HNDs verwendet, die mit 45 fs NIR-Pulsen mit Spitzenintensitäten von 10e14 bis 10e15 Wcm-2 zur Zündung des Nanoplasmas angeregt wurden. Die Ionisierungskaskade wird durch Dotierung im Zentrum des Tropfens ausgelöst, was zur vollständigen Ionisierung der He-Nanotropfen führt. Die induzierten Nanoplasmen wurden systematisch in Abhängigkeit von der NIR-Pulsintensität, dem Dotierungsgrad und der Clustergröße in einem Single-Shot-Schema untersucht. Ein neuer HND-Deflektoraufbau, der für die Auswahl der Clustergröße verwendet wird, wird in dieser Arbeit ebenfalls vorgestellt. Hier interagiert das Tröpfchen mit dem inhomogenen elektrischen Feld des Deflektors und wird in Abhängigkeit von der Clustergröße und dem Dipolmoment der Dotierung abgelenkt, was eine räumliche Kontrolle des He-Jets und die Erzeugung von größenselektierten Nanoplasmen ermöglicht. Molekulardynamiksimulationen (MD) halfen bei der Analyse dieser experimentellen Beobachtungen und zeigten die effiziente Energieabsorption und resonante Kopplung intensiver NIR-Laserfelder an Nanoplasmen. Um die Dynamik im Zeitverlauf zu untersuchen, wurden Pump-Probe-Experimente durchgeführt. Zunächst wurden kohärente Beugungsbilder (CDI) von Nanoplasmen untersucht, die durch einen NIR-Pumppuls und einen Freie-Elektronen-Laser (FEL)-Probepuls gezündet wurden. Wir haben die Elektronenspektren des FEL-bestrahlten He-Nanoplasmas mit den NIR-Experimenten verglichen. Wir stellen auch die ersten Experimente vor, in denen die Dynamik der Coulomb-Explosion, die aus einem dotierten He-Nanoplasma resultiert, untersucht wurde. Zusätzlich wurde ein vakuum-ultravioletter (VUV) fs-Puls als Pumpe verwendet, um reine HNDs zu aktivieren, die nach einer gewissen Verzögerung durch einen zweiten NIR-Puls gezündet wurden. Das VUV-NIR-Pump-Probe-Schema zeigte eine signifikante Erhöhung der Nanoplasma-Zündwahrscheinlichkeit. Wenn der UV-Puls mit dem reinen He wechselwirkt, wird das Tröpfchen vorionisiert und das Ionisierungspotenzial des Clusters für den ankommenden Pumppuls reduziert. Überraschenderweise dauert dieser "Aktivierungs"-Prozess bis zu mehreren Nanosekunden und scheint darauf zurückzuführen zu sein, dass Elektronen lose an Photoionen gebunden bleiben, die stabile "Schneeball"-Strukturen in den Tröpfchen bilden. Die MD-Simulation bestätigte, dass Ionen mit niedriger kinetischer Energie und Auger-Elektronen ein Minimum im Clusterpotenzial erzeugen, dass die Ionisierungskaskade auslöst, wenn sie mit dem NIR-Puls wechselwirken

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Edition: 1
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2023

Classification and Topics

• Keyword: Helium-Nanotropfen-Isolationsspektroskopie ; Infrarotspektroskopie ; Cluster ; Biomolekül ; Helium ; Plasmonik ; Helium-Nanotropfen-Isolationsspektroskopie ; Plasmadiagnostik

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2023
• Creator: Medina Hernandez, Cristian
• Contributor: Stienkemeier, Frank ; Sansone, Giuseppe ; Stock, Gerhard ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Mathematik und Physik

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/238579
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2385794
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 14.08.2025, 10:55 AM CEST