Breitbandige Laserkühlung relativistischer Ionenstrahlen: Erste Experimente und Weiterentwicklung des UV-Lasers

Die Kühlung von Ionenstrahlen in Beschleunigerringen auf geringe relative Impulsverteilungen ist essentiell für präzise Experimente, insbesondere in der Spektroskopie und bei Kollisionsexperimenten. Etablierte Methoden wie die Elektronen- und die stochastische Kühlung stoßen bei hochrelativistischen, intensiven Ionenstrahlen aufgrund der stark verlängerten Kühlzeiten an ihre Grenzen. Eine Alternative bietet die Laserkühlung gebündelter Ionenstrahlen, die als einzige Kühlmethode am Schwerionensynchrotron SIS100 der FAIR-Beschleunigeranlage geplant ist. Laserkühlung von Ionenstrahlen wurde bereits an mehreren Anlagen demonstriert, etwa 2012 an relativistischen C³⁺-Ionenstrahlen mit einem schmalbandigen UV-Dauerstrichlaser am Experimentierspeicherring ESR des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung.

Zur Kühlung mehrerer Ionengeschwindigkeitsklassen und zur Verringerung interner Aufheizprozesse wie des Intrabeam Scatterings ist bei schmalbandigen Dauerstrichlasern eine ständige Verstimmung der Laserfrequenz notwendig. Alternativ ermöglicht die für Kurzpulslaser typische große Frequenzbreite eine simultane Adressierung mehrerer Geschwindigkeitsklassen, wodurch breitbandige Laserkühlung realisiert werden kann. Dieses Prinzip wurde 2021 erstmals an hochenergetischen gebündelten C³⁺-Ionenstrahlen am ESR demonstriert. Zur Adressierung der Ionen wurde ein leistungsstarkes Lasersystem mit flexiblen Pulsdauern zwischen 50 ps und 735 ps und hohen Repetitionsraten von 1 MHz bis 10 MHz verwendet. Während gepulste Lasersysteme durch ihre breite Laserkraft mehrere Geschwindigkeitsklassen adressieren können, bleibt die finale Strahltemperatur höher als bei Dauerstrichlasern. Am SIS100 ist eine Kombination aus Dauerstrich- und zwei Kurzpulslasern mit unterschiedlichen Frequenzbreiten geplant, um die Vorteile aller Systeme zu vereinen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der weiterführenden Analyse des Strahlexperiments zur breitbandigen Laserkühlung von gebündelten C³⁺-Ionenstrahlen. Der Fokus liegt auf der Auswirkung unterschiedlicher Frequenzbreiten des Pulslasers auf kontinuierliche Ionenstrahlen und der erstmaligen Demonstration der Laserkühlung gebündelter C³⁺-Ionenstrahlen mit kurzen Laserpulsdauern von 285 ps und 166 ps bei einer hohen Repetitionsrate von über 9 MHz. Zudem wird die Weiterentwicklung des gepulsten Lasersystems beschrieben, das hohe Durchschnittsleistungen und große Frequenzverstimmungen bietet, um den Anforderungen hochrelativistischer Ionenspezies am SIS100 gerecht zu werden. Durchschnittsleistungen von 5,3 W bei 257,25 nm und ein Verstimmbereich von 3,39 THz im UV-Bereich werden demonstriert, wobei eine Regelung mit aktiver Rückkopplung zur Optimierung der kritischen Phasenanpassung eingesetzt wird.

Cooling ion beams in storage rings to achieve small relative momentum spreads is essential for precision experiments, particularly in spectroscopy and collision experiments. Established methods such as electron and stochastic cooling reach their limits for highly relativistic, intense ion beams due to significantly increased cooling times. Laser cooling of bunched ion beams offers an alternative and is the only cooling method planned for the heavy-ion synchrotron SIS100 at the FAIR accelerator facility. Laser cooling of ion beams has already been demonstrated at several facilities, including in 2012 for relativistic C³⁺ ion beams using a narrow-band UV continuous-wave (cw) laser at the Experimental Storage Ring (ESR) of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung.

To cool multiple ion velocity classes and reduce internal heating processes such as intrabeam scattering, narrow-band cw lasers require continuous detuning of the laser frequency. Alternatively, the large frequency bandwidth of pulsed lasers enables simultaneous addressing of multiple velocity classes, thereby realizing broadband laser cooling. This principle was first demonstrated for high-energy bunched C³⁺ ion beams in 2021 at the ESR. To address the ions, a powerful laser system with flexible pulse durations ranging from 50 ps to 735 ps and high repetition rates between 1 MHz and 10 MHz was employed. While pulsed laser systems can address multiple velocity classes simultaneously through their broad laser force, the final beam temperature remains higher than when using cw lasers. At the SIS100, a combination of a cw and two pulsed lasers with different frequency bandwidths is planned to combine the advantages of all systems.

This work focuses on the further analysis of the beam experiment on broadband laser cooling of bunched C³⁺ ion beams. The focus lies on the effects of different pulsed laser frequency bandwidths on continuous ion beams and the first demonstration of laser cooling of bunched C³⁺ ion beams with short laser pulse durations of 285 ps and 166 ps at high repetition rates exceeding 9 MHz. Additionally, the further development of the pulsed laser system is described, which provides high average powers and large frequency tunability to meet the requirements of highly relativistic ion species at SIS100. Average powers of 5.3 W at 257.25 nm and a tuning range of 3.39 THz in the UV range are demonstrated, utilizing a feedback-controlled regulation to optimize critical phase matching.