Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“ Magnetisch: Stern-Gerlach

1. 2p8 1s5 Grund zustand Spiegel Ar* Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“ Magnetisch: Stern-Gerlach

2. Laserkühlung: Emission Absorbtion Energie h Impulsübertrag Impulsübertrag p=h/c p=h/c • Na Atome • = 589 nm, v = ~/ mc = 3cm/s (Pro Photon!) V= 1000m/sec auf v=0 3 104 Photonen 2 =32nsec (10-9sec)!1msec a= 106m/sec2 (105 g!!!)

3. Dopplerverbreiterung: Linie Atom in Ruhe E  t > ~ Frequenz Beispiel: Na D Linie 500K Dopplerbreite 100mal natürliche Linienbreite Thermische Bewegung

4. Optische Molasse: Atome werden nicht gefangen (keine Ortsabhängige Kraft) Atome mit v=0 keine Wechselwirkung v -> Gegenkraft Reibung (Sirup) + Ortsabhängiges B-Feld + Zeemaneffekt ----------------------------- MOT FALLE

5. m=-1 m=0 m=+1 Fazit: Nicht nur Energie auch Polarisation muss stimmen je na Richtung des B Feldes nur rechts zirkular!

6. |B| steigt in jede Richtung Magnetfeld B=0 in der Mitte Antihelmholtzspulen Verwende B Feld / Zeemanaufspaltung um Laserankopplung zu “schalten”

7. Magneto-Optical Trap

8. Magneto-Optical Trap Fallentiefe: meV E = kT = ½ mv2 schwere Atome sind langsam -> Fangen aus dem “Hintergrund” leichte sind schnell -> erst abbremsen

9. Cooling and Trapping of He* Falle Kompression Ablenkung (neutrales He*) Abbremsen

10. Natrium-MOT

11. Cloud of cold Ca atoms

13. Einschub: Woher kommen Photonen?

14. Erzeugung von Photonen (hochenergetisch) Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern Spontane Emission Induzierte Emission (Laser) höhere Harmonische Kernübergänge Vernichtungsstrahlung Schwarzkörperstrahlung Bremsstrahlung Röntgenröhre Synchrotron FEL

15. Rayleigh, Jeans Strahlungsgesetzt Plancksches Strahlungsgesetz ehv verhindert die UV Katastrophe Planck: fitted die Kurve Später Ableitung

16. Harmonische Oszillatoren (schwingende Ladungen) Thermisches Gleichgewicht Zwischen Absorbtion und Emission Fitkonstante h=Plancksches Wirkungsquantum=6.626 10-34Js Thermisch besetzter Oszillator 1/2kT kinetisch 1/2kT potentiell Plancks Annahme: harmonischer Oszillator kann nicht kontinuierlich absorbieren, sonder nur E= nh  diskret

17. Energie Planck: Diskret, Abstand h  Klassisch: kontinuierlich

18. Erzeugung von Photonen (hochenergetisch) Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern Spontane Emission Induzierte Emission (Laser) Kernübergänge Vernichtungsstrahlung Schwarzkörperstrahlung Bremsstrahlung Röntgenröhre Synchrotron FEL

19. Röntgenstrahlung Hand von Frau Röntgen 22.Dez.1895 W.C. Röntgen 8.November 1895 X-Strahlen http://www.deutsches-museum.de/ausstell/meister/roent.htm

20. Elektronen Röntgenstrahlung

21. Wechselwirkung der Elektronen Charakteristische Linien Bremsstrahlung 99% Wärme 1% Strahlung

22. 22.3. Charakteristische Röntgensrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung Elektron d Elektronen

23. Röntgenstpektrum freier Xe Atome 12keV Elektronen 12keV Charakteristische Röntgenstrahlung Elektron d Elektronen

24. Erzeugung von Photonen (hochenergetisch) Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern Spontane Emission Induzierte Emission (Laser) Kernübergänge Vernichtungsstrahlung Schwarzkörperstrahlung Bremsstrahlung Röntgenröhre Synchrotron FEL

25. Relativistisch: Vorwärtsbündelung Beispiel: E=800MeV q = 0.64mrad Nachsehen Beschleunigte Ladung Nichtrelativistisch: Dipolemission

26. zirkularpolarisiertes Licht linear polarisiertes Licht Drehimpuls gleichwahrscheinlich in oder gegen Ausbreitungsrichtung Photonendrehimpuls +- h • Eigenschaften des Photons • Energie: E = h  • Impuls p=h/c • Masse m=E/c2 = h /c2 • Ruhemasse m0=0 • Drehimpuls sph=h

27. Polarisation von Synchrotronstrahlung:

28. Hasylab Hamburg

30. ASTRID Aarhus

31. Machine Radiation Characteristics E Critical 800eV at 1.5 GeV 11keV at 4 GeV 2 GeV 1GeV Flux of the synchrotron radiation from the bending magnets: Version SES_1_1: Green book, 1GeV, 1.87 Tesla, 400 mA; version SES_4_2: 2GeV, 1.35 Tesla, 400 mA

32. Bending magnet: weisses Licht Wiggler: Weisses Licht, n*bending magnet Undulator: Monochromatisches Licht, Koherente Addition des Lichtes eines jeden Elektrons

34. High brightness

35. Freie Elektronenlaser FEL Laser für Röntgenstrahlung (Warum gibt es keine normalen Laser für Röntgenstrahlung?)

36. Keine Spiegel für Röntgenstrahlung! Bunching of the electrons creates coherentlaser light

37. Geht auch ohne Spiegel: langer Undulator SASE Self Amplification of Spontanious Emission

38. Bending magnet: weisses Licht Wiggler: Weisses Licht, n*bending magnet Undulator: Monochromatisches Licht, Koherente Addition des Lichtes eines jeden Elektrons FEL: Koheränz zwischen den einzelnen Elektronen

39. „Free electron“ light sources Wiggler Undulator Typical pulse energy: ~1 mJ FEL spatially coherent Dipole magnet Synchrotron radiation ~ Ne l1=lu/2g2(1+K2/2) ~ Ne2

41. Angle-integrated flux VUV-FEL

42. FEL essentials Photons Photons time • make use of • high peak intensity • short pulse duration

43. Improved beam properties by seeding Self-seeding Spectrum before - after seeding funded by the Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft of German Research Centers (HGF), in collaboration with GKSS, Geesthacht, and ISA, Arhus

44. 1012 Photonen in 100 fsec

46. Erste SASE Emission des TESLA FEL, Hamburg, Jan 2000

47. FLASH User Facility at DESY TESLA Test Facility(TTF 1, 1995-2002) FLASH experimental hall Commissioning: 2004 User experiments: 2005 Photon energy ~20-200 eV Bandwidth Dl/l ~0.5 % Peak power >1 GW Pulse duration ~100 fs Pulses per second up to 72000

48. Multi-Photon Multi-Electron Processes in Atoms & Molecules drift Helmholtz coil Detector position-sensitive multi-hit E-field supersonic gas jet atoms, molecules FEL Project leader: J. Ullrich, MPI Heidelberg; with Univ. Frankfurt, Fritz-Haber Institut Berlin, Univ. Hamburg Reaction-Microscope ion detector FEL gas jet electron det. • ultra high vacuum: p < 10-11 mbar • cold target : T < 1 Kelvin • multi-hit detectors:  = 12 cm, Dt ~ 10 ns Spectrometer: ion-electron coincidence meV resolution for ions meV for electrons