Leistungsfähiger Dauerstrich UV Laser zur Kühlung hochrelativistischer Ionen

Experimente mit relativistischen Ionenstrahlen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Um hochauflösende Messungen durchführen zu können, ist ein brillanter Ionenstrahl mit geringer Emittanz notwendig. Bereits etablierte Techniken, wie die stochastische Kühlung und die Elektronenkühlung, werden allerdings bei hohen Teilchenzahlen und immer stärker wachsenden γ-Faktoren zunehmend ineffizient. Die Laserkühlung gebündelter Ionenstrahlen wird jedoch mit steigendem γ-Faktor zunehmend effizienter und ist für den SIS100 des FAIR Beschleunigerzentrums die präferierte Kühlmethode.

In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuierlich emittierendes Lasersystem vorgestellt, welches die Ionen bei einer Wellenlänge von 257 nm und 514 nm effizient kühlen soll. Basierend auf Erfahrungen aus einem Strahlexperiment an Lithium-ähnlichem Kohlenstoff im Jahr 2012 werden Änderungen am Lasersystem vorgenommen, die die Laserkühlung in Zukunft noch effizienter gestalten. Darunter fällt vor allem die Erhöhung der langzeit-stabilen Gesamtleistung des Lasers bei den Kühlwellenlängen, welches Hauptbestandteil dieser Arbeit ist. Der Fokus liegt dabei auf der Erzeugung der UV-Strahlung. Hierzu werden elliptisch fokussierende Resonatoren eingesetzt, die parasitäre Effekte wie Degradierung des nichtlinearen Mediums bei der Frequenzkonversion stark verringern. Das System liefert eine Leistung von 2,45 W bei der Kühlwellenlänge von 257 nm sowie 18,7 W Ausgangsleistung bei 514 nm. Zudem ist das System im infraroten Spektralbereich über 12 GHz modensprungfrei durchstimmbar. Durch die softwarebasierte Implementierung erhöht sich einerseits die Durchstimmbarkeit um einen Faktor 3, andererseits verringert sich die Komplexität des Lasers, da zusätzliche Regelungen entfallen.

Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit stellt Ergebnisse vor, die sich mit der Überlagerung dreier Laser für den SIS100 beschäftigen. Dabei werden Ergebnisse für beide Kühlwellenlängen präsentiert, wobei die Strahlparameter auf die Ausgangsleistung bei der entsprechenden Wellenlänge optimiert sind. Aufgrund der Propagationsstecke von über 50 m vom Laserlabor bis zur Überlagerungszone mit den Ionen werden zwei Strahlstabilisierungssysteme getestet und auf deren Eignung überprüft. Hierbei können die Schwankungen der Strahlposition um über 90 % reduziert werden, was einen erheblichen Gewinn an Stabilität mit sich bringt.

Experiments with relativistic ion beams are gaining increasing importance. To conduct high-resolution measurements, a high-brilliant ion beam with low emittance is necessary. However, established techniques such as stochastic cooling and electron cooling become increasingly inefficient at high particle numbers and with ever-growing γ-factors. On the other hand, laser cooling of bunched ion beams becomes more efficient with increasing γ-factors and is the preferred cooling method for the SIS100 at the FAIR accelerator facility.

This work presents a continuously emitting laser system designed to efficiently cool ions at wavelengths of 257 nm and 514 nm. Based on experiences from a beam experiment with lithium-like carbon in 2012, modifications to the laser system are introduced to make laser cooling even more efficient in the future. The main focus is on increasing the available longterm-stable laser power at the cooling wavelengths, which is a central aspect of this work. The emphasis lies on generating UV radiation, where elliptically focusing resonators are employed to significantly reduce parasitic effects such as degradation of the nonlinear medium during frequency conversion. The system delivers a power of 2.45 W at the cooling wavelength of 257 nm and an output power of 18.7 W at 514 nm. In addition, the system is tunable in the infrared spectral range above 12 GHz without mode hopping. Through software-based implementation, the tunability is increased by a factor of 3 while simultaneously reducing the laser's complexity as additional control systems are eliminated.

Another significant part of this work presents results related to the superposition of three lasers for the SIS100. Results are shown for both cooling wavelengths, with the beam parameters optimized for the output power at the respective wavelength. Due to the propagation distance of over 50 m from the laser laboratory to the superposition zone with the ions, two beam stabilization systems are tested and evaluated for their suitability. These systems reduce beam position fluctuations by more than 90 %, resulting in a significant gain in stability.