Subfemtosekunden-Prozesse in Molekülen untersucht mit Hilfe von Koinzidenzspektroskopie

Studying dynamics in molecules occurring on the few-femtosecond to subfemtosecond timescale is a formidable challenge, due to the wealth of phenomena exhibited by molecular systems. Complex manifolds of electronic states featuring electron-nuclear and electron-electron correlations complicate the interpretation of experimental data. In order to improve the situation, it is desirable to perform experiments where as much information as possible is obtained about the processes under scrutiny. When ionization is involved, this amounts to the detection of the full momentum vectors of all charged particles created in a single event, i.e. electrons and ions, the latter of which may dissociate into smaller fragments. This can be accomplished in coincidence experiments using a reaction-microscope detector. In this thesis, a reaction microscope is employed with the aim of studying attosecond dynamics taking place in molecules. First, the polyatomic molecule 1,3-butadiene is investigated using intense femtosecond laser pulses. According to the well-known three-step model, an electron is released from the molecule via strong-field ionization and may subsequently return to and rescatter from its parent ion, all of which happens within a single laser cycle. A common phenomenon in the response of molecules to strong fields is ionization to multiple final electronic states of the cation. Here, the coincidence capabilities of the reaction microscope are exploited to demonstrate directly for the first time that the resulting multiple electron continua display differences in their rescattering behaviour. Using aligned molecules, it is furthermore shown that the probability for the electron to return to the core is dependent on the orientation of the molecule with respect to the laser polarization direction, since the returning electron wave packet retains structural information on the shape of its initial bound state. The other goal of the thesis is to take the step from experiments relying on the sub-cycle dynamics occurring in a femtosecond laser pulse to attosecond pump-probe coincidence spectroscopy. To this end, a beamline combining a reaction microscope with a two-colour, attosecond-stable interferometric setup based on high-harmonic generation is presented. The setup is designed to operate at a repetition rate of 100 kHz, which is an order of magnitude larger than other setups currently combining attosecond spectroscopy with coincidence detection and which affords shorter acquisition times for coincidence experiments. First test results, in particular the first full characterization of attosecond pulse trains driven by sub-8 fs pulses at a repetition rate of 100 kHz, permit an optimistic perspective that, in the near future, the beamline will be capable of providing attosecond and few-cycle femtosecond pulses for pumpprobe experiments on molecular targets, promising to uncover novel insights into the complex attosecond dynamics of polyatomic molecules.Die direkte Beobachtung ultraschneller dynamischer Prozesse in Molekülen, welche auf einer Zeitskala von weniger als einer Femtosekunde ablaufen können, stellt aufgrund der großen Komplexität solcher molekularen Systeme eine große Herausforderung dar. Daher ist es wünschenswert, experimentell möglichst viele Informationen über die zu untersuchenden Prozesse zugänglich zu machen. Durch Koinzidenzmessungen mit einem Reaktionsmikroskop ist es möglich, in Ionisationsexperimenten die vollständigen Impulsvektoren aller geladenen Teilchen (Elektronen und positiv geladene Ionen), die in einem einzelnen Ionisationsereignis entstehen, zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit wird ein solches Reaktionsmikroskop mit dem Ziel, Attosekunden-Prozesse in Molekülen zu untersuchen, eingesetzt. Zunächst wird der Einfluss intensiver Femtosekunden-Laserpulse auf das mehratomige Molekül 1,3-Butadien betrachtet. Die Vorgänge, welche in Atomen und Molekülen im starken elektrischen Feld solcher Pulse ablaufen, können durch ein gängiges Dreischrittmodell beschrieben werden, wobei die drei Schritte innerhalb einer einzigen Oszillationsperiode des elektrischen Feldes stattfinden: Ein Elektron wird durch Starkfeldionisation freigesetzt und dann kurze Zeit später durch das Laserfeld zu seinem Mutterion zurückbeschleunigt, an welchem es schließlich rückstreuen kann. Es ist weiterhin bekannt, dass in Molekülen mehrere elektronische Zustände des Ions durch Starkfeldionisation besetzt werden können. Mit Hilfe von Koinzidenzmessungen wird in der vorliegenden Arbeit nun erstmals direkt gezeigt, dass die mehreren daraus resultierenden Elektronenkontinua ein unterschiedliches Rückstreuverhalten aufweisen. Des Weiteren wird mit Hilfe ausgerichteter Moleküle demonstriert, dass in 1,3-Butadien die Rückkehrwahrscheinlichkeit des Elektrons von der Molekülorientierung abhängt, da das zurückkommende Elektronenwellenpaket die Struktur des ursprünglichen gebundenen Zustands des Elektrons teilweise beibehält. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, Attosekunden-Pump-Probe- und Koinzidenzspektroskopie miteinander zu verbinden. Daher wird ein neuer experimenteller Aufbau vorgestellt, der ein Reaktionsmikroskop und ein attosekundenstabiles Zweifarben-Interferometer, basierend auf der Erzeugung hoher Harmonischer, kombiniert. Die Repetitionsrate von 100 kHz ist um eine Größenordnung höher als in vergleichbaren Aufbauten, die derzeit in Verwendung sind, was eine kürzere Messdauer für Koinzidenzexperimente ermöglicht. Ergebnisse erster Testmessungen mit dieser Apparatur werden vorgestellt, insbesondere die erste vollständige Charakterisierung von kurzen, durch sub-8 fs-Pulse und bei 100 kHz erzeugten Attosekunden-Pulszügen. Diese Ergebnisse zeichnen ein positives Bild im Hinblick auf die Möglichkeit künftiger Koinzidenzexperimente an Molekülen mit Hilfe des präsentierten Attosekunden- Pump-Probe-Aufbaus, welche tiefe Einblicke in die komplexen Vorgänge solcher Systeme ermöglichen könnten