Generation of spatio-temporal structured high-order harmonics
Starke Laserfelder sind für die Erforschung der Laser-Atom-Dynamik in der modernen Physik unerlässlich. Die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung (HHG) ist ein bedeutender Starkfeldprozess, bei welchem ein ionisiertes Elektron durch das elektrische Feld des einfallenden Lasers beschleunigt wird und anschließend mit seinem Mutterion rekombiniert. Das beschleunigte Elektron emittiert bei der Rekombination schlussendlich ein Photon, welches auf makroskopischer Ebene höherer harmonische Strahlung entspricht. Jüngste Fortschritte in der Lasertechnologie ermöglichen die Erzeugung intensiver Laserfelder im mittleren Infrarotbereich. Diese neuen Laserquellen erweitern den Parameterbereich der HHG erheblich bezüglich des schwach relativistischen Bereichs, in welchem das Magnetfeld des einfallenden Laserfeldes zu diesem Prozess beiträgt. In dieser Dissertation wird ein theoretisches Modell der HHG vorgestellt, welches eine formale Erweiterung der bekannten Starkfeld-Näherung auf den schwach relativistischen Bereich darstellt. Generell kann das Modell im Gegensatz zu aktuellen Ansätzen beliebig räumlich strukturierte Lichtfelder berücksichtigen und bietet somit die Möglichkeit, verdrillte Lichtstrahlen im schwach relativistischen Regime zu untersuchen. Das hier entwickelte Modell betrachtet explizit einen elliptisch polarisierten ebenen Laserstrahl als Beispiel. Darüber hinaus werden auch komplexere Laserfelder betrachtet und anschließend kurz diskutiert. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation die Phasenanpassung im Kontext der HHG untersucht, die mit einer geringen Konversionseffizienz von weniger als 0, 1 % behaftet ist. Die Suche nach geeigneten externen Parametern, unter denen die Konversionseffizienz entsprechend hoch ist, ist daher von großem In- teresse für die Starkfeldgemeinde. Es wird ein analytischer Ausdruck für die kritische Intensität abgeleitet, der die Bedingung der Phasenanpassung für einen beliebigen Satz von Anfangsparametern erfüllt. Der Ansatz ist auf wasserstoffähnliche Edelgase und linear polarisierte Gauß-Laserpulse mit beliebigen Laserfeldparametern beschränkt, die die üblicherweise verwendeten Konfigurationen umfassen. Der analytische Fehler im Vergleich zu numerischen Berechnungen ist kleiner als 1 %, während die Berechnungszeit um vier bis sechs Größenordnungen verbessert wird.
Strong laser fields are essential for exploring laser-atom dynamics in modern physics. High-order harmonic generation (HHG) represents a prominent strong-field process in which an ionized electron accelerates with the electric field of an incident laser and subsequently recombines with its parent ion. The accelerated electron eventually emits a photon within the recombination process, which yields high-order harmonic radiation at the macroscopic scale. Recent advances in laser technology enable the generation of intense mid-infrared laser fields. These new laser sources extended the parameter range of HHG significantly toward the weakly relativistic regime in which the magnetic field of the incident laser field contributes to the process. This dissertation provides a theoretical model of HHG, which is a formal extension of the well-known strong-field approximation toward the weakly relativistic regime. Generally, the model considers arbitrarily spatially structured light fields, in contrast to current approaches, and therefore provides the opportunity to investigate twisted light beams within the weakly relativistic regime. The developed model explicitly considers an elliptically polarized plane wave laser beam as an example. In addition, more sophisticated laser fields are considered and briefly discussed afterward. In addition, this dissertation investigates phase matching in the context of HHG, which is afflicted with a low conversion efficiency of less than 0.1 %. Finding suitable sets of external parameters under which the conversion efficiency is respectively high is therefore of substantial interest to the strong-field community. An analytic expression of the critical intensity is derived that fulfills the phase-matching condition for an arbitrary set of initial parameters. The approach is limited to hydrogen-like noble gases and linearly polarized Gaussian laser pulses with arbitrary laser field parameters that incorporate the commonly utilized configurations. The analytical error compared to numerical computations is less than 1 %, while the computation time improves by four to six orders of magnitude.
