MehrphotonenPhotoionisierung

Mehrphotonenphotoionisierung bezeichnet die Ionisation eines Atoms oder Moleküls durch die Absorption mehrerer Photonen, wobei die Energie eines einzelnen Photons in der Regel nicht ausreicht, das Ionisationspotential Ip zu überwinden. Sie tritt vor allem bei hohen Lichtintensitäten und kurzen Wellenlängen auf und ist ein zentrales Phänomen der Nichtlinear- und der starken-Feld-Physik.

Im perturbativen Bereich muss der Elektronenaustritt durch die Absorption von n Photonen erfolgen, wobei nħω ≥ Ip. Die so erzielbare Ionisationsrate lässt sich durch n-photonen Cross Sections beschreiben. Bei stärkeren Feldern verschiebt sich das Bild in Richtung nichtperturbativer Mechanismen; dort spricht man von Tunnelnionisation oder übergangsweise kombinierten Mechanismen. In Photoelektronenspektren zeigt sich oft das Phänomen der Above-Threshold Ionisation (ATI): Die Elektronen erhalten zusätzliches kinetische Energie in Vielfachen von ħω, mit Ekin ≈ nħω − Ip − Up, wobei Up das ponderomotive Potential ist.

Die theoretische Behandlung reicht von zeitabhängigen Schrödinger-Gleichungen und perturbativer MPI-Theorie bis zu starken-Feld-Ansätzen wie der Strong-Field Approximation (SFA) und Keldysh-Formalismus. Der Keldysh-Parameter γ = sqrt(Ip/(2Up)) dient als Übergangskennzahl zwischen multiphotonem (γ ≳ 1) und tunnellierendem (γ ≪ 1) Ionisationsregime.

Experimentell werden MPI-Phänomene mit ultrakurzen Laserpulsen in Gasen, typischerweise He, Ne oder Ar, untersucht; die Photonenergien liegen im eV-Bereich, die Intensitäten reichen von 10^11 bis 10^15 W/cm^2. Messgrößen sind Photoelektronenspektren, Ionisationsraten und die Abhängigkeit der Ionisation von Polarisation und Pulsdauer.

Anwendungen umfassen Attosekundenphysik, die Erzeugung von Hochharmonikestrahlung sowie die Untersuchung von Molekül-Dynamiken und nichtlinearen Prozessen in der Materie.