Excitation and acceleration of neutral atomic systems in strong laser fields

In dieser Arbeit wird die Entstehung angeregter Zustände in Atomen und Molekülen durch Wechselwirkung mit einem kurzen intensiven Laserpuls untersucht. Dabei wird erstmals der Prozess der Frustrated Tunneling Ionization (FTI) beschrieben, der sich am Rückstreumodell orientiert und dieses ergänzt. Bei diesem Prozess wird ein aus dem Atom im Laserfeld getunneltes Elektron nach dem Laserpuls wieder vom Ionenrumpf in einen angeregten Zustand eingefangen, falls die kinetische Energie des Elektrons nicht ausreicht um dem Coulombpotential zu entkommen. An verschiedenen Edelgasen wird der FTI-Prozess im Experiment nachgewiesen und unter anderem die Intensitäts- und Polarisationsabhängigkeiten untersucht. Es wird ein semiklassisches Modell für Helium entwickelt, das den quantenmechanischen Tunnelprozess des Elektrons mit einer klassischen Trajektorienrechnung in einer Monte-Carlo-Simulation verbindet. Unter Berücksichtigung des Zerfalls angeregter Zustände zwischen Anregungs- und Messprozess stimmt die entwickelte Theorie mit den Daten der Messungen überein. Bei neutralen Helium- und Neonatomen wird erstmalig auch die Beschleunigung durch einen kurzen Laserpuls nachgewiesen, wobei als treibende Kraft die ponderomotorische Kraft auftritt. Die erreichten Beschleunigungen liegen bei 1014-facher Erdbeschleunigung. Eine Berechnung der Beschleunigung mit einem um die Schwerpunkts- und Relativbewegung erweiterten Trajektorienmodell für Helium zeigt eine Übereinstimmung mit den Daten der Experimente. Die Messungen von angeregten Molekülfragmenten bei Wasserstoff und Stickstoff zeigen neue, bislang nicht untersuchte Dissoziationskanäle, bei denen nach einer Coulombexplosion oder einer Dissoziation durch Bond-Softening ein Fragment in einem angeregten Zustand zurückbleibt. Auch hier wird als Ursache der FTI-Prozess identifiziert. Zusammenfassend ist der FTI-Prozess ein mit den bekannten Rückstreuprozessen (Erzeugung hoher Harmonischer (HHG), Nichtsequentielle Mehrfachionisation (NSMI), Above Threshold Ionization (ATI)) verbundener Effekt, der bei Wechselwirkung von Atomen und auch Molekülen mit intensiven Laserpulsen stattfindet. Er ergänzt das Rückstreumodell von P. Corkum und tritt allgemein als Wiedereinfangprozess zusammen mit NSMI, HHG und ATI auf.In this thesis the formation of excited states in atoms and molecules after interaction with a short intense laser pulse is investigated. The process of Frustrated Tunneling Ionization (FTI) is described for the first time, a model which is based on and an extension to the rescattering model. In this process an electron is recaptured into an excited state by the ionic core after tunneling ionization, if the kinetic energy of the electron is too low to escape the Coulomb potential of the atom. The FTI process is demonstrated in various noble gases, and the intensity and polarization dependencies are examined. A semiclassical model is developed for helium which connects the quantum mechanical tunneling process with a classical trajectory calculation in a Monte Carlo simulation. Taking into account the decay of excited states between the excitation and the actual measurement process, the semiclassical model agrees with the data from the experiment. For neutral helium and neon atoms an acceleration caused by the ponderomotive force of a short intense laser pulse is demonstrated for the first time. Accelerations up to 10^14 times the gravitational acceleration are achieved in the experiment. An extension of the semiclassical trajectory model by a center-of-mass and relative motion of the atoms yields calculated values for the acceleration of neutral atoms which agree with the measured data. The measurements of excited molecular fragments in hydrogen and nitrogen exhibit new, previously unconsidered dissociation channels. The fragments remain in an excited state after a Coulomb explosion or a Bond-softening dissociation. Here, too, the FTI process is identified as the reason for the occurrence of neutral excited atoms. In summary, the FTI process is a mechanism related to the well-known rescattering processes (high harmonics generation (HHG), nonsequential multiple ionization (NSMI), Above Threshold Ionization (ATI)), which occurs when atoms and molecules interact with intense laser pulses. It complements the rescattering model of P. Corkum, and generally occurs as a recapturing process along with NSMI, HHG and ATI