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Ultraviolette Laser zur Kühlung relativistischer Ionenstrahlen

Kiefer, Daniel Christian (2020):
Ultraviolette Laser zur Kühlung relativistischer Ionenstrahlen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011312,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ultraviolette Laser zur Kühlung relativistischer Ionenstrahlen
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Laser cooling enables the production of ion beams in storage rings with a narrow relative momentum distribution. Due to the necessary atomic transition, there is only a small number of lithium-like ions accessible at existing storage rings like the heavy ion storage ring ESR in Darmstadt. At the new accelerator facility FAIR SIS100, however, laser cooling will be feasible for a large number of lithium-like ions. Using a narrow linewidth cw laser with a wavelength of 257 nm it was possible to generate a cool relativistic C^3+ -beam in the ESR with a relative momentum spread of below 10^−6. The laser intensity necessary to cool heavier lithium like-ions at SIS100 and HESR increases rapidly with the atomic number Z. Therefore, the transfer of these results to heavier lithium-like ions requires powerful ultraviolet laser systems. Since powerful narrow linewidth lasers do not exist in the middle ultraviolet region, usually nonlinear frequency conversion processes are used to generate laser radiation at this wavelength. The frequency doubling with β-barium borate crystals is the most frequently used method. However, these crystals degrade under the generation of ultraviolet radiation. The amount and duration of the generated UV power depends on the crystal quality. This work demonstrates a method which allows a high and stable output power at a wavelength of 257 nm. The output is possible despite the fact that the crystal used is of poor quality. Ultraviolet power of more than 600 mW is shown over a measuring period of more than 12 hours. Instead of using a scanning cw laser, it is possible to use spectral broadened laser light for the cooling of the ions. At non relativistic velocities this technique has been proved to generate cool ion beams. „White-light-cooling“ demands specific spectral bandwidths of the light as these influence the cooling range, time and limit. This work presents the development of a pulsed laser system with a variable spectral bandwidth. The laser is characterized by a flexible repetition rate which can be set freely between 1 MHz and 10 MHz. At the same time the pulse duration is adjustable between 50 ps and 740 ps. The pulses are transform limited, resulting in a spectral bandwidth variable between 3 GHz and 36 GHz at a wavelength of 257 nm. The energies of the generated ultraviolet laser pulses are within the nJ-range. Both the cw and the pulsed laser system have the potential to be used for laser cooling of heavy, highly charged, relativistic, lithium-like ions.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Laser und Quantenoptik
Date Deposited: 13 Jan 2020 09:05
Last Modified: 09 Jul 2020 06:23
DOI: 10.25534/tuprints-00011312
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113123
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 9 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11312
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