SPARC Laserkühlen

Einführung

Die Arbeitsgruppe "Laserkühlen" bereitet Experimente an den FAIR Speicherringen und Synchrotrons vor. Dazu werden technische Entwicklungen von Lasern, Nachweissystemen und Messmethoden durchgeführt und im Rahmen aktueller Forschungsvorhaben eingesetzt und getestet.

Eine für FAIR bedeutsame Entwicklung ist das Laserkühlen relativistischer Ionen am Experimentier Speicherring (ESR). Hier werden u.a. die Grundlagen für den späteren Einsatz dieses Verfahrens an hochrelativistischen Ionen am SIS100/300 erarbeitet. Laserkühlen ist die einzige Kühlmethode die in diesem Energiebereich noch zur Verfügung stehen wird. Diese Experimente benötigen eine kontinuierliche technische Weiterentwicklung, sowohl auf dem Gebiet der Laserentwicklung, als auch der Nachweis- und Analysemethoden, um die Herausforderungen an den neuen Experimentiereinrichtungen zu meistern. Das Laserkühlen von relativistischen Schwerionenstrahlen wurde an der GSI bereits erfolgreich demonstriert in 2004 und 2006. Diese Arbeiten wurden von Prof. Schramm (TU-Dresden) geleitet, der aufgrund seiner Expertise zusammen mit Dr. Bussmann (HZDR) federführend bei diesen Experimenten sein wird. Von Seite der GSI wird das Laserkühlen vorangetrieben durch Prof. Thomas Kühl und Dr. Danyal Winters, die sich auch beide an der Laserspektroskopie beteiligen.

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Schottky spectrum of a stored and bunched C3+ ion beam in the ESR at GSI Darmstadt. When the laser scans (scan time = 10 s) the number of synchrotron sidebands (vertical lines) is reduced, as indicated by the slanted green lines, giving a clear sign of laser cooling. The cooling time was set by the scanning time of the laser and was much shorter than the beam life time of about 400s.
Optische Diagnostik

Die Arbeitsgruppe von Prof. G. Birkl (TU-Darmstadt, IAP) beschäftigt sich u.a. mit der Nutzung des Fluoreszenznachweises für eine optische Diagnostik. Diese ist unbedingt erforderlich, da sich in vorangegangenen Strahlzeiten gezeigt hat, dass die Auswertung der Schottky-Spektren nur einen beschränkten Zugang zur Dynamik des Laserkühlens bietet. Deshalb ist der Aufbau einer dedizierten optischen Nachweiskammer vorgesehen, die zunächst für die Belange des Laserkühlens optimiert ist, aber im Hinblick auf andere Experimente ausgelegt sein soll. Hier ergeben sich Synergieeffekte mit den Entwicklungen des optischen Nachweises für die ESR-Spektroskopie und die Einzelphotonendetektoren in der Arbeitsgruppe von Prof. Weinheimer (Uni Münster).

Entwicklung kontinuierlicher und gepulster Lasersysteme

Die Arbeitsgruppe von Prof. Walther an der TU-Darmstadt besitzt u.a. Expertise im Bau weit durchstimmbarer Diodenlaser und von Festkörperlasersystemen. Diese hat sie bereits in der vergangenen Förderperiode zur Entwicklung eines schnell durchstimmbaren cw-Lasersystems mit breitem Durchstimmbereich für das Laserkühlen eingesetzt (2012). Die schnelle Durchstimmbarkeit wird es in Zukunft erlauben kurze Kühlzeiten zu erzeugen und neue, optische Strahldiagnostiken zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Schramm (TU-Dresden) soll im nächsten Schritt ein dazu komplementäres, gepulstes, bandbreiten-limitiertes Pikosekunden-Lasersystem entwickelt werden, dessen Pulsdauer optimal auf die anfängliche Impulsbreite des Ionenstrahls abgestimmt ist. Damit wird es möglich sein alle Ionen des „heißen“ Strahls gleichzeitig zu kühlen und die hohe Phasenraumdichte des gekühlten Strahls zu erhalten– ein Verfahren, das für den zukünftigen Einsatz des Laserkühlens bei FAIR unabdingbar sein wird.

Während dafür an der TU-Darmstadt das Pikosekunden-Frontend geschaffen wird, steuert die Gruppe von Prof. Schramm am HZDR ihre Expertise in der Entwicklung von Kurzpuls-Hochleistungslasern für den Bau des zugehörigen Verstärkersystems bei. Die in diesem Projekt entwickelten Verfahren sind ebenfalls interessant für die Entwicklung neuer Lasersysteme für die Spektroskopie an FAIR.

Die Entwicklung maßgeschneiderter gepulster und kontinuierlicher Lasersysteme ist für das Laserkühlen und die Spektroskopie an relativistischen Ionenstrahlen im ESR (HESR, SIS100/300) von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen des Forschungsverbundes werden sich die Arbeitsgruppen weiter eng vernetzen und ihre jeweilige Expertise in die verschiedenen Experimente zur Laserspektroskopie und Laserkühlen einbringen.

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