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Plasmonic generation of attosecond pulses and attosecond imaging of surface plasmons
modeling and simulation of experimental proposals
Mattia Lupetti
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Mathematik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Mathematik)
Betreuer*in
Norbert Mauser
DOI
10.25365/thesis.38524
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30171.30800.592854-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Attosekundenpulse sind ultrakurze extrem-ultraviolette (XUV) Pulse,
die durch einen nicht-linearen, von einer nah-infraroten (NIR) Laserquelle stimulierten
Anregungsprozess erzeugt werden.
Attosekundenpulse können verwendet werden, um die Elektronendynamik
eines ultraschnellen Prozesses durch die ``Attosecond Streaking'' Technik zu messen, mit einer Auflösung auf der Attosekundenskala.
In dieser Dissertation wird gezeigt, dass sowohl die Erzeugung von Attosekundenpulsen als auch
die Messung ultraschneller Prozesse mittels Attosekundenpulse auf Faelle erweitert werden können,
bei denen die Anregungs- und Streakingsfelder von Oberflächenplasmonen generiert werden, welche bei nahinfraroten Wellenlängen auf Nanostrukturen angeregt werden.
Oberflächenplasmonen sind optische Moden, die aus einer
kollektiven Schwingung der Elektronen an der Oberfläche in Resonanz mit einer externen
Quelle entstehen.
Im ersten Abschnitt dieser Dissertation wird das Konzept der High Harmonic Generation (HHG) in plasmonisch erhöhten
Feldern, wie in Ref. \cite{Park2011nph} vorgeschlagen, durch numerische
Simulationen analysiert. Ein NIR Puls wird mit einem Oberflächenplasmon,
das sich in einem konischen, mit Edelgas gefüllten, Hohlleiter
ausbreitet, gekoppelt. Die Intensität des plasmonischen Feldes
steigt mit der Verringerung des Durchmessers des Hohlleiters,
sodass die Felderhöhung an seiner Spitze groß genug wird, um hohe harmonische Strahlung
zu generieren. In Ref. \cite{Lupetti2013prl} wird nachgewiesen, dass die Herstellung
von isolierten Attosekundenpulsen mit außergewöhnlichen Zeit- und Raumstrukturen
möglich ist. Trotzdem ist deren Intensität um mehrere Größenordnungen niedriger als die, die in
Experimenten mit fokussierten Laserpulsen erreicht werden kann.
Im zweiten Abschnitt wird eine experimentelle Technik für die
Abbildung plasmonischer Oberflächenanregungen vorgeschlagen \cite{Lupetti2014prl},
wobei Attosekundenpulse verwendet werden, um das Feld an der Oberfläche mittels
``Momentum Streaking'' der photoionisierten Elektronen zu messen.
Dieses Konzept ist eine Erweiterung der ``Attosecond Streak Camera'' \cite{Kienberger2004n},
welches ich ``Attosecond Photoscopy'' nenne. Es ermöglicht die Abbildung
eines Plasmons in Zeit und Raum während des Anregungsprozesses.
Anhand von numerischen Simulationen wird es gezeigt, dass die wesentlichen Parameter des plasmonischen Resonanzaufbaus mit subfemtosekunden-Präzision bestimmt werden können.
Zuletzt wird die Methode für die numerische Lösung der
Maxwell-Gleichungen diskutiert, mit Fokus auf das Problem der absorbierenden Randbedingungen.
Neue Einsichten in die mathematische Formulierung
der Randbedingungen der Maxwell-Gleichungen werden vorgestellt.
Abstract
(Englisch)
Attosecond pulses are ultrashort radiation bursts produced via high
harmonic generation (HHG) during a highly nonlinear excitation process
driven by a near infrared (NIR) laser
pulse. Attosecond pulses can be used
to probe the electron dynamics in ultrafast processes via the attosecond
streaking technique \cite{Goulielmakis2004sci}, with a resolution on the
attosecond time scale.
In this thesis it is shown that both the generation of attosecond (AS) pulses
and the probing of ultrafast processes by means of AS pulses, can
be extended to cases in which the respective driving and streaking fields are produced by
surface plasmons excited on nanostructures at NIR wavelengths.
Surface plasmons are optical modes generated by collective oscillations of the surface
electrons in resonance with an external source.
In the first part of this thesis, the idea of high harmonic generation (HHG)
in the enhanced field of a surface plasmon proposed in
\cite{Park2011nph} is analyzed in detail by means of numerical simulations.
A NIR pulse is coupled
into a surface plasmon propagating in a hollow core tapered
waveguide filled with noble gas. The plasmon field intensity
increases for decreasing waveguide radius, such that at the apex
the field enhancement is sufficient for producing high harmonic radiation.
It is shown \cite{Lupetti2013prl} that with this setup it is possible to
generate isolated AS pulses
with outstanding spatial and temporal structure, but with an
intensity of orders of magnitude smaller than in standard gas harmonic
arrangements.
In the second part, an experimental technique for the imaging
of surface plasmonic excitations on nanostructured surfaces is proposed \cite{Lupetti2014prl},
where AS pulses are used to probe the surface field by means of
photoionization. The concept constitutes an
extension of the attosecond streak camera \cite{Kienberger2004n}
to ``Attosecond Photoscopy'', which allows
space- and time-resolved imaging of the plasmon dynamics during
the excitation process. It is numerically demonstrated that the relevant parameters of the
plasmonic resonance buildup phase can be determined with subfemtosecond precision.
Finally, the method used for the numerical solution of
the Maxwell's equations is discussed, with
particular attention to the problem of absorbing boundary conditions.
New insights into the mathematical formulation of the absorbing
boundary conditions for Maxwell's equations are provided.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Attosecond pulses Surface plasmons Numerical simulation
Schlagwörter
(Deutsch)
Attosekundenpulsen Oberflächenplasmonen Numerische Simulation
Autor*innen
Mattia Lupetti
Haupttitel (Englisch)
Plasmonic generation of attosecond pulses and attosecond imaging of surface plasmons
Hauptuntertitel (Englisch)
modeling and simulation of experimental proposals
Paralleltitel (Deutsch)
Plasmonische Generation von Attosekundenpulsen und Attosekundenabbildung von Oberflächenplasmonen ; numerische Simulation von experimentellen Vorschlägen
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
XII, 106 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Mechthild Thalhammer ,
Peter Hommelhoff
Klassifikation
31 Mathematik > 31.76 Numerische Mathematik
AC Nummer
AC12387691
Utheses ID
34130
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 405 |