SPARC: Laserspektroskopie und Laserkühlen

Die SPARC Working Group "Laserspektroskopie" bereitet laserspektroskopische Experimente an den FAIR Speicherringen ESR, HESR und CRYRING vor. Dazu werden technische Entwicklungen von Lasern, Nachweissystemen und Messmethoden durchgeführt und im Rahmen aktueller Forschungsvorhaben eingesetzt und getestet. Im Folgenden findet sich eine Übersicht über die Vernetzung der verschiedenen Gruppen, deren konkreten Projekten und gemeinsamen Forschungsaktivitäten. Für Details sei auf die Webseiten der einzelnen Kollaborationspartner verwiesen.

Die Laserspektroskopie hochgeladener Ionen und exotischer Atome ist ein Schwerpunkt der atomphysikalischen Forschung an der GSI und in Zukunft an FAIR. Diese Arbeiten sind  zum einen durch die Untersuchung der Struktur und Dynamik hochgeladener Ionen und zum anderen als Test fundamentaler Wechselwirkungen motiviert. Dabei erstreckt sich die Bandbreite der Experimente von laserspektroskopischen Untersuchungen an schweren relativistischen Ionen in den Speicherringen (ESR und später am HESR) bei Energien von einigen 100 MeV/u bis zur hochauflösenden Spektroskopie an kalten Ionen bei kryogenen Temperaturen um 4 K (SPECTRAP an HITRAP). Alle genannten 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.

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Optische Diagnostik

Die Arbeitsgruppe von Prof. Weinheimer und Volker Hannen (Uni Münster) beschäftigt sich u.a. mit den Entwicklungen des optischen Nachweises für die ESR-Spektroskopie und die Einzelphotonendetektoren des SPECTRAP-Experiments. Die Entwicklung eines neues Spiegelsystems am ESR hat die Nachweißeffizienz langwelliger Photonen bei Experimenten mit hochrelativistischen Ionenstrahlen (0,7 c) signifikant verbessert und damit erstmals den Nachweis des lang gesuchten Übergangs in lithiumähnlichem Bismut ermöglicht. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich jetzt mit der Entwicklung weiterer Nachweißsysteme mit dem Ziel XUV-Photonen nachzuweisen. Das System soll zuerst für ein Experiment an berylliumähnlichen Kryptonionen am ESR eingesetzt werden, eröffnet aber auch diesen Spektralbereich für die Spektroskopie am HESR. Des Weiteren ist die Entwicklung eines optischen Nachweissystems für den Fluoreszenznachweis an CRYRING geplant.

Entwicklung kontinuierlicher und gepulster Lasersysteme

In diesem Bereich werden die Arbeitsgruppen von Prof. Birkl, Prof. Nörtershäuser, Prof. Spielmann und Prof. Walther ihre Erfahrung einbringen.

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. Die Weiterentwicklung und der Einsatz dieser Lasers für Laserexperimente an FAIR ist vorgesehen. Näheres dazu findet sich in der Beschreibung des Working Packages „Laserkühlen“, dass über die Beteiligung der Arbeitsgruppen an der TU Darmstadt eng mit der Laserspektroskopie verflochten ist.

In der Arbeitsgruppe von Prof. Birkl (TU Darmstadt) wurde ein Lasersystem für die Anregung des 1s-Hyperfeinübergangs (244 nm) im wasserstoffähnlichen Bi82+ beschafft und die für die Spektroskopie erforderliche Frequenzstabilisierung entwickelt. Dieser Laser soll bei SPECTRAP eingesetzt werden. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich auch mit der Entwicklung eines Lasersystems für die Spektroskopie an ARTEMIS.

In der Arbeitsgruppe von Prof. Nörtershäuser (TU Darmstadt) wiederum wurde für die Laserkühlung von Mg+ Ionen an SPECTRAP eine Frequenzvervierfachung eines Faserlasersystems aufgebaut und dessen Verwendung erfolgreich am SPECTRAP Aufbau demonstriert. Des Weiteren wurde in der letzten Förderperiode ein gepulster Farbstofflaser für die Messungen an wasserstoff- und lithiumartigen Bismut am ESR eingesetzt. Der Farbstofflaser ist bereit mit einem Verdoppler ausgerüstet und es wird auch für das Experiment an berylliumähnlichen Kryptonionen eingesetzt.

XUV-Laserquellen mit hoher Ausgangsleistung und Pulswiderholrate werden derzeit an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und am Helmholtz-Institut Jena entwickelt. Die Arbeitsgruppen von Prof. Jens Limpert und Prof. Christian Spielmann werden diese neuen, leistungsstarken, kompakten XUV Laserquellen gemeinsam durch Erzeugung hoher Harmonischer von Femtosekunden-Faserlasern realisieren. Diese XUV-Quellen werden Photonenenergien im Bereich von 20 bis 100 eV mit ausreichender hohem Photonenflusses (bis zu 1013 Photonen / s) bereitstellen. Mit diesen können erstmals hochenergetische Übergänge in hochgeladenen Ionen effizient angeregt werden. In Kombination mit der Doppler-Verschiebung bei antikollinearer Anregung, könnte bei maximaler Energie des ESR (v = 0.73c), beispielsweise der S1/2-p1/2 Übergang für Li-ähnliches Silber (Z = 47) bei ≈100 eV mit nur 40 eV Photonen erreicht werden. Am HESR könnte in Zukunft derselbe Übergang sogar für schwerste Ionen bis hin zu li-ähnlichem Uran angeregt werden.

Gegenwärtig sind die Entwicklungen auf die Verringerung der relativen Energiebandbreite der XUV Laserquellen auf unter 10-4 fokussiert. Im  aktuellen Förderzeitraum der BMBF Verbundforschung soll ein Prototyp der XUV Quelle entstehen und bei der GSI für die ersten Experimente am ESR eingesetzt werden. In enger Zusammenarbeit mit der Atomphysik-Gruppe der GSI und den Arbeitsgruppen von Prof. Nörtershäuser und Prof. Weinheimer wird der Versuchsaufbau entworfen und ein geeigneter Fluoreszenz-Detektor realisiert. In Zukunft werden die neuartigen XUV-Laserquellen auch am HESR für revolutionäre spektroskopische Experimente aber auch zur Präparation des Ionenstrahls eingesetzt.

Datenaufnahme und HV Diagnostik

Die Arbeitsgruppe von Prof. Nörtershäuser hat wesentliche Teile des neuen Datenaufnahmesystems entwickelt mit dem ein Tagging einzelner Photonen ermöglicht wurde und arbeitet an der Verbesserung der Hochspannungsmessungen des Elektronenkühlers in Kollaboration mit der PTB in Braunschweig und der Arbeitsgruppe von Prof. Weinheimer (Münster). Unterstützt wurde Sie dabei von der Abteilung Experiment-Elektronik von der GSI durch die Entwicklung der entsprechenden Hardware für das photon-Tagging in Form eines VUPROM-basierten TDC.

Die Entwicklung maßgeschneiderter gepulster und kontinuierlicher Lasersysteme ist für die Spektroskopie an relativistischen Ionenstrahlen im ESR, HESR und CRYRING aber auch für die Untersuchungen an kalten, ruhenden Ionen in Ionenfallen von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen des Forschungsverbundes werden sich die Arbeitsgruppen weiter eng vernetzen und ihre jeweilige Expertise in die verschiedenen Experimente zur Laserspektroskopie einbringen.

Laser Einrichtung am ESR

Infrastruktur für Laser Experimente am ESR

 

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Vereinfachte schematische Darstellung des ESR. Zu sehen sind einige Teile des Aufbaus die für den Transport des Laser-Strahls benötigt werden.

Die Laseranregung kann entweder in kollineare- oder antikollineare-Geometrie in jedem der beiden geraden Abschnitte des Rings erfolgen. An den Enden dieser Abschnitte sind Fensterflansche angebracht, durch die das Licht in den Ring eingekoppelt werden kann.

 

Aus Gründen der Sicherheit kann der ESR-Cave während der Strahlzeit nicht betreten werden, daher müssen die Lasersysteme außerhalb der Beton-Abschirmungen untergebracht werden. Das Laserlabor befindet sich am süd-westlichen Teil des Caves. Von dort wird der Strahl entweder durch eine Glasfaser oder durch die Luft mittels hoch-reflektierender optischer Spiegel transportiert. In diesem Fall wird der Laserstrahl durch Röhren und Kammern abgeschirmt. Der Transportweg zwischen Laserlabor und der Wechselwirkungsregion am ESR kann bis zu 80 m betragen.

 

Um die durch die Ionen emittierte Fluoreszenz (Photonen) zu detektieren, ist hinter dem Gastarget ein optisches Nachweissystem vorhanden. Gegenwärtig sind zwei Lichtsammelsysteme im Vakuumrohr eingebaut:

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a) Ein Spiegelsystem, das aus zehn einzelnen Spiegelsegmenten aus Aluminium-Blech besteht. Auf dem Vakuumrohr sind drei Fensterflanschen montiert die alle mit bis zu 3 PMT’s (Photomultipliers) montiert werden können. Die Flugrichtung ist durch den roten Pfeil markiert. Die Bleche sind dabei so eingerichtet, dass sie Photonen nachweisen können, die unter einen Winkel von ≥ 20° relativ zur Ionenflugrichtung emittiert werden.
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b) Ein zweites Spiegelsystem ist für Photonen mit kleinen Abstrahlwinkeln optimiert. Es besteht aus einen parabolischen Kupfer-Spiegel, der an einer druckluftgetriebenen Lineardurchführung aufgehängt ist. Der Ionenstrahl geht durch einen Schlitz im Spiegel. Die reflektierten Photonen durchlaufen nach einem Fenster einen Lichtwellenleiter und einen Filter, bevor sie auf den Detektor treffen. Zusätzliche Photonen sind durch einem „reflecting cone“ gelenkt. Die Befestigung für den Detektor, Lichtleiter und Lineardurchführung ist hier nicht gezeigt.