Femtosecond quantum control and adaptive polarization pulse shaping

Autor: Krampert, Gerhard
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2004
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Popis: 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}
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