Synchrotron- und Laserstrahlung

Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann

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Der Artikel Synchrotron- und Laserstrahlung basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Moritz Schubotz des 17.Kapitels (Abschnitt 0) der Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann.

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Wichtigste experimentelle Entwicklungen der letzten 20 Jahre: Speicherringe (Hochenergiephysik) und Laser.

Synchrotronstrahlung

E • R 1 a i Maxwell-GI., retardierte Potentiale (Relat.theorie) - Schwinger-Gleichungen

Datei:17.1.synchrotronstrahlung.png

Datei:17.2.synchrotronstrahlung.bessy.png

z.B. 800 MeV, R ~ 1,8 m (BESSY) U-~ ____ ~I~ _____ ~ _______ L-______ ~ _ 7ev 104 103 102 10 1 Spektral verteilung der Strahlung kritische Wellenlänge Ac 41fR ~ 3')'3 ' BESSY: R ~ 1,8 m, E "'" 800 MeV ~')' "'" 1600 : Ac IY 2 nm

Vertikale Divergenz a: a oe 2 ( A) 1/3 A ~ Ac 'FiX;; z.B. A = 100 runl\)ra ~ 1,5 mrad Zeitstruktur: Im Multi-bunch-Betrieb ca. 100 bunches (1 ~ 3 cm) im Ring von 1 = 60 mund 500 MHz HF-Sender: 100 ps-Pulse mit 2 ns-Abstand (Umlaufzeit 200 ns)

Laser

Grundgleichungen Lasertypen: Gaslaser: Festkörper: Flüssigkeit: Bestimmende Größen: He-Ne, Edelgasionen-Laser (CW) NZ-' Excimer-Laser (gepulst) Nd:YAG-, Rubin-, Farbstofflaser Halbleiter-Laser Wellenlänge A, Schärfe dA, Abstimmbereich ~, Divergenz dO, Leistung L Bei Pulsbetrieb: ßt Pulsbreite, Pulsenergie E, Repetitionsrate Grundgleichungen: Nz .' l Absorption B1Z -,'" ~ II! ind. Ern. BZ1 -A, !t spont. Ern. Datei:17.3.laser.schema.png Absorption B1Z -,'" ~ II! ind. Ern. BZ1 -A, !t spont. Ern. An Einstein Ü-Koeff . Im thermodynamischen Gleichgewicht : AZ1Nz + BZ1 op(1)oNz = B 1Z P(y)oN 1 mit Boltzmann Nz/N1 = gz/gzoeJllp(-- 'n uf kT) verwenden, nach p(y) auflösen und mit Planckschem Strahlungsgesetz vergleichen, ergibt a) gloBIZ = gz oBZ1 ~ Besetzungsinversion notwendig = BZlo8~ h y3 ~ y3-Zunahme .der störenden c Spontanemission (siehe ,:Rö,;tgenlaserentwicklung)

Datei:17.4.niveau.laser.png pumpschema 4-Niveau pumpen Einige Lasertypen: - 63 - Laser Relax. Edelgasionenlaser z. B. Ar+- Laser

Datei:17.5.edelgasionenlaser.png CW, sichtbar (450 - 550 run) z.B. 3p44p 4D5 / Z-3p44s ZP 3/Z A = 514,5 run 488,0 457,9 etc. Betrieb z. B. 40 A/600 V ~ 24 kVV Xe * Cl XeCl 20 W all-Hne (0,1% Wirkungsgrad)

Datei:17.6.excimerlaser.png

Excimerlaser z. B. XeCl V CW, sichtbar (450 - 550 run) z.B. 3p44p 4D5 / Z-3p44s ZP 3/Z A = 514,5 run 488,0 457,9 etc. Betrieb z. B. 40 A/600 V ~ 24 kVV Xe * Cl XeCl 20 W all-Hne (0,1% Wirkungsgrad) gepulst, UV 351 - 353 run 1 - 2 bar He Puffergas, 1 - 10% Xe, 0,2 % HCl, Pulslängen 5 - 15 ns, Repetitionsrate ~ 100 Hz - , 1 kHz Impulsenergie ~ J puls-LeIstung 1J/10 ns = 100 MW (Dauerleistung ~ 1 - 100 W)

Nd: YAG-Laser Blitzlicht Farbstofflaser i-??5-'-VEinmodenlaser ( L Resonator ~ ) L >. f - 6.4 - u fiT +0,7% Nd: Nd3+ 4d10 4f3 ss2 sp6 4f-Schale durch ss, sp abgeschirmt, Kristallfeldenfluß deshalb relativ gering

Datei:17.8.Farbstofflaser.png

L >. f - 6.4 - u fiT +0,7% Nd: Nd3+ 4d10 4f3 ss2 sp6 4f-Schale durch ss, sp abgeschirmt, Kristallfeldenfluß deshalb relativ gering 0 i > Pumplicht = m0>. 7 = 2L c com ro' v = X = 2L (longitudinaler) Modenabstand d>' = 2L dv = c 2L (dv z. B. L :;:;: 1 m~dv z. B. A :;:;: 500 nm 3 0 108m/s = 2m = 150 MHz 2s010-14m2 3 0 108m/s 01,sol08/S = 1,2s010-13m = 0,125 pm = 1,25010-3 AO Datei:17.10.pumplicht.png

Datei:17.11.verstaerkungsprofil.png Verstärkerprofil z. B. Dopplerbreite, Druckverbreiterung, Stöße Exp. /' Wo b.Ao V' Dopplerbreite v = -X-~ C 30108 z. B. >. = 500 nm bzw. v = cl>' = Schubotz Hz = 5010-7 b.Ao ~ 5010-13 m = 0,5 pm Wo ~ 60108 Hz = 600 MHz

z. B. >. = 500 nm bzw. v = cl>' = Schubotz Hz = 5010-7 b.Ao ~ 5010-13 m = 0,5 pm Wo ~ 60108 Hz = 600 MHz Beispiele: HeNe Ar+ Farbstoff 1500 MHz 8000 MHz 103 GHz (starke Stoßverbreiterung) Einmodenlaser: Stufenweise Einschränkung durch verschiedene optische Filter (Lyot, Etalons) Exp. Anforderungen bei gewünschter Linienbreite dVLaser ~ 1 MHz z. B. >. = 500 nm r._v = 601014 Hz dv /v = 1 6010-9 V Laser' d. h. Resonatorst~bilität dL/L ~ 10-9 (bei L = 1 m dL ~ 1 nm) z. B. Temperaturstabilität: dL/L = aodT r.v dT ~ 10-3 K 't- Invar z. B. 10-6/K Druckabhängigkeit: statt L eigentlich ~ noL n Brechungsindex der Luft n = n(p) ~ 1,0003 ... dL/L = (n-1) dp/po = für p = Po = 1 bar 3 010-40dp/po n; dp " 3010-6 bar " 3010-3 rnbar