Kiefer, Daniel Christian (2020)
Ultraviolette Laser zur Kühlung relativistischer Ionenstrahlen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011312
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Mit Hilfe der Laserkühlung können in Speicherringen Ionenstrahlen mit sehr schmaler Geschwindigkeitsverteilung erzeugt werden. Durch den notwendigen atomaren Übergang ist die Laserkühlung Lithium ähnlicher Ionen an bestehenden Anlagen wie dem Schwer- ionenspeicherring ESR in Darmstadt auf relativ leichte Ionen beschränkt. An der neuen Teilchenbeschleunigeranlage FAIR mit dem Ionensynchrotron SIS100 und dem Speicherring HESR wird dagegen die Laserkühlung wesentlich schwererer Ionen möglich sein. Am ESR wurde erfolgreich mit einem durchstimmbaren ultravioletten cw-Lasersystem ein Strahl relativistischer Lithium ähnlicher C^3+-Ionen erzeugt, der eine Breite der relativen Impulsverteilung von weniger als 10^−6 erreichte. Die Höhe der Laserintensität, die zur Kühlung schwererer Lithium ähnlicher Ionen am SIS100 und HESR benötigt wird, wächst schnell mit der Kernladungszahl Z. Daher ist die Übertragung dieser Messergebnisse auf schwerere Ionen nur möglich, wenn ein leistungsstarker UV-Laser zur Verfügung steht. Da bei mittleren ultravioletten Wellenlängen keine schmalbandigen und leistungsstarken Laser existieren, werden in der Regel nichtlineare Konversionsprozesse genutzt, um solche Laserstrahlung zu erzeugen. Die Frequenzverdopplung mittels β-Bariumborat-Kristallen ist dabei die am häufigsten zum Einsatz kommende Methode. Diese Kristalle degradieren allerdings oft unter dem Eindruck der UV-Erzeugung und werden je nach Qualität schnell unbrauchbar. In dieser Arbeit wird eine Methode präsentiert, die trotz einer schlechten Kristallqualität eine hohe und stabile Ausgangsleistung kontinuierlicher schmalbandiger Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 257 nm erlaubt. Es wird eine UV-Leistung von mehr als 600 mW über eine Messdauer von 12 Stunden gezeigt. Als alternatives Kühlschema - zu dem bereits bei relativistischen Strahlen gezeigten mit einem gescannten cw-Laser - bietet sich die Kühlung mittels spektral breitem Laserlicht an. Bei nicht relativistischen Ionengeschwindigkeiten wurden mit dieser Technik bereits kalte Ionenstrahlen erzeugt. Beim „white-light-cooling“ sind die genutzten spektralen Bandbreiten entscheidend, da sie den Einfangbereich, die Kühldauer und das erreichte Kühllimit beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher ein gepulstes Lasersystem aufgebaut, wobei die spektrale Breite der Laserpulse variabel ist. Das System zeichnet sich durch eine Repetitionsrate aus, die im Bereich zwischen 1 MHz und 10 MHz frei eingestellt werden kann. Gleichzeitig sind die Pulslängen flexibel zwischen ca. 50 ps und 740 ps wählbar. Da es sich um transform limitierte Laserpulse handelt, kann dadurch das Spektrum der Strahlung variiert werden. Es können so Bandbreiten zwischen ca. 3 GHz und 36 GHz bei einer Wellenlänge von 257 nm erzeugt werden. Dabei liegen die erzeugten Pulsenergien im nJ-Bereich. Beide entwickelten Lasersysteme bieten das Potential zur Kühlung schwerer, hoch geladener, relativistischer, Lithium ähnlicher Ionen.

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