German Title: Dispersion in lasergetriebenen relativistischen Quantensystemen

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Abstract

The wave packet dynamics of electrons driven by strong laser fields is examined with the objective to both describe and manipulate the spreading dynamics. Having established analytical methods based on either classical or quantum mechanics, the quantum approach is first applied to free, laser-driven electrons. Intuitive results are found for both the relativistic and the nonrelativistic regime beyond the dipole approximation. In order to generalize the concept of recollisions to relativistic energies where magnetic field effects are important, the electron dynamics in standing laser fields with linear and circular polarization are analyzed and compared. Furthermore, a novel scheme of two consecutive laser pulses is introduced, which allows for recollisions with the maximum electron energy accessible in propagating laser fields. In this scheme, the Lorentz drift is employed both to separate electrons from atoms or molecules and to drive them back for recollisions. Aiming to increase the reaction probabilities of recollisions, two methods to inverse wave packet spreading are introduced. Both approaches, i.e. refocusing with a harmonic potential and magnetic refocusing, can be implemented in the scheme with two consecutive laser pulses to enable effective, relativistic recollisions.

Translation of abstract (German)

Es wird die Wellenpaketdynamik von Elektronen in starken Laserfeldern untersucht mit dem Ziel, das Zerfließen von Wellenpaketen sowohl zu beschreiben als auch zu beeinflussen. Nach der Einführung analytischer Methoden, die entweder auf der klassischen Mechanik oder der Quantenmechanik beruhen, wird die quantenmechanische Beschreibung zuerst auf freie, lasergetriebene Elektronen angewandt. Es werden einfach zu interpretierende Ergebnisse sowohl für den relativistischen Fall als auch für den nichtrelativistischen gefunden, der über die Dipolnäherung hinaus geht. Um das Konzept der Rekollisionen auf relativistische Energien zu erweitern, bei denen Magnetfeldseffekte nicht vernachlässigt werden können, wird die Dynamik der Elektronen in stehenden Feldern mit entweder linearer oder zirkularer Polarisation analysiert und verglichen. Außerdem wird ein neues Modell mit zwei aufeinander folgenden Laserpulsen eingeführt, welches Rekollisionen mit der höchsten Energie ermöglicht, die Elektronen in einem propagierenden Laserfeld erreichen können. In diesem Modell wird die Driftbewegung ausgenutzt, um Elektronen von Atomen oder Molekülen zuerst zu separieren und dann zur Kollision zu bringen. Mit dem Ziel, die Reaktionswahrscheinlichkeit von Rekollisionen zu erhöhen, werden zwei Methoden vorgestellt, mit denen das Zerfließen von Wellenpaketen wieder rückgängig gemacht werden kann. Beide Methoden, die magnetische Refokussierung und die Refokussierung mit harmonischen Potentialen, können in das Rekollisionsmodell mit zwei Laserpulsen integriert werden, was effektive, relativistische Rekollisionen ermöglicht.