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SPARC: Laserspektroskopie und Laserkühlen

 

Die Working Group "Laserspektroskopie und Laserkühlen" von SPARC bereitet laserspektroskopische Experimente an den FAIR Speicherringen und dem SIS100/300 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, HESR und später am NESR bei Energien von einigen 100 MeV/u bis zur hochauflösenden Spektroskopie an kalten Ionen bei kryogenen Temperaturen um 4 K (SPECTRAP an HITRAP). Eine weitere für FAIR bedeutsame Entwicklung ist das Laserkühlen relativistischer Ionen in Speicherringen. Hier werden die Grundlagen für den späteren Einsatz dieses Verfahrens an hochrelativistischen Ionen am SIS100/300 erarbeitet, der einzigen Kühlmethode die in diesem Energiebereich noch zur Verfügung stehen wird. 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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Übersicht über die in der vergangenen Förderperioden durchgeführten Entwicklungen zur Laserspektroskopie an der GSI im Rahmen der SPARC Kollaboration. Von links oben im Uhrzeigersinn: Bewegliches Spiegelsystem für den Fluoreszenznachweis am ESR für das lithiumähnliche Bismut, frequenzverdoppeltes Faserlasersystem für das La-serkühlen, Testaufbau für kryogene Avalanche-Photodioden, gepulstes Lasersystem für das wasserstoff- und lithiumähnliche Bismut am ESR, Frequenzvervierfachung und –stabilisierung eines Diodenlasersystems für die Messung an wasserstoffähnlichem Bismut an SPECTRAP und das Detektorsystem für Fluoreszenzphotonen im sichtbaren und nahen
Infrarotbereich an SPECTRAP.

Optische Diagnostik

Das Laserkühlen von relativistischen Schwerionenstrahlen wurde an der GSI bereits erfolgreich demonstriert. Diese Arbeiten wurden von Prof. Schramm (TU Dresden) geleitet, der aufgrund seiner Expertise zusammen mit Dr. Bussmann vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) federführend bei diesen Experimenten sein wird. Die Gruppe von Prof. Walther (TU Darmstadt) konnte bereits die bisher bei diesen Experimenten genutzten Argon-Ionenlaser durch zuverlässigere wartungsarme und im Betrieb günstigere Festkörperlaser ersetzen. Die Arbeitsgruppe von Prof. G. Birkl (TU Darmstadt) 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

In diesem Bereich werden die Arbeitsgruppen von Prof. Birkl, Jun.-Prof. Nörtershäuser, Prof. Schramm 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 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 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 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. In der Arbeitsgruppe von Prof. Birkl (TU Darmstadt) wurde ein Lasersystem für die Anregung des 1s-Hyperfeinübergangs (244 nm) im wasserstoffähnlichen Bi82+ beim SPECTRAP Experiment beschafft und die für die Spektroskopie erforderliche Frequenzstabilisierung entwickelt. In der Arbeitsgruppe von Jun.-Prof. Nörtershäuser (Uni Mainz) wiederum wurde für die Laserkühlung von Mg+ Ionen an SPECTRAP eine Frequenzvervierfachung für ein Faserlasersystem aufgebaut und dessen Verwendung erfolgreich am SPECTRAP Aufbau demonstriert. Des Weiteren wurde in der letzten Förderperiode ein gepulster Farbstofflaser erworben und für die Messungen an wasserstoff- und lithiumartigen  Bismut am ESR optimiert und eingesetzt.

Unter Einsatz des PHELIX-Lasers werden zusätzlich brillante, intensive Röntgenquellen im Bereich sowohl der weichen (0,1 keV) als auch der harten Röntgenstrahlung (10–200 keV) zur Verfügung stehen, die am ESR/HESR/NESR und bei HITRAP zur Spektroskopie hochgeladener schwerer Ionen eingesetzt werden können. Die Anwendung am HESR wird bisher nicht erfüllte Anforderungen an diese neuartigen Strahlquellen stellen. Im Rahmen einer Projektstudie mit Vorexperimenten wird diese Situation geprüft werden, um neben einer sorgfältigen Evaluierung der technischen Voraussetzungen, prinzipielle experimentelle und theoretische Vorarbeiten für diese Experimente zu schaffen. Zu diesen Arbeiten werden neben der Arbeitsgruppe von Prof. Spielmann am IOQ der FSU Jena Kollaborationspartner der GSI, des HIJ, der Universität Paris Sud und des IMP Lanzhou beitragen.

Die Entwicklung maßgeschneiderter gepulster und kontinuierlicher Lasersysteme ist für das Laserkühlen, die Spektroskopie an relativistischen Ionenstrahlen im ESR (HESR, SIS100/300) 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 und Laserkühlen einbringen.

Frequenzmetrologie

Präzisionsmessungen, wie sie bei vielen der hier angesprochenen Experimente notwendig sind, erfordern eine sehr genaue Stabilisierung und Messung optischer Frequenzen. Hier existiert durch die Beteiligung des MPQ in München beim Test der SRT eine direkte Verbindung zu den Gruppen um Prof. Hänsch und PD Udem. In der Arbeitsgruppe von Jun.-Prof. Nörtershäuser (Uni Mainz) steht seit sechs Jahren ein optischer Frequenzkamm der Firma Menlo-Systems aus München zur Verfügung, der bereits vielfach für Experimente eingesetzt wurde.

Insgesamt ergibt sich somit eine enge Verflechtung der beteiligten Gruppen, die gemeinsam versuchen äußerst anspruchsvolle Laserspektroskopieexperimente an der GSI und an FAIR zum Erfolg zu führen.