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Veröffentlicht von:Jörg Kaufenberg Geändert vor über 10 Jahren
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Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“ Magnetisch: Stern-Gerlach
Ar* Spiegel 2p8 Grund zustand 1s5
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Laserkühlung: Emission Absorbtion Energie h Impulsübertrag p=h/c Impulsübertrag p=h/c Na Atome = 589 nm, v = ~ / mc = 3cm/s (Pro Photon!) V= 1000m/sec auf v= Photonen 2 =32nsec (10-9sec) ! 1msec a= 106m/sec2 (105 g!!!)
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Dopplerverbreiterung:
Beispiel: Na D Linie 500K Dopplerbreite 100mal natürliche Linienbreite Linie Atom in Ruhe Frequenz Thermische Bewegung E t > ~
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+ Ortsabhängiges B-Feld + Zeemaneffekt -----------------------------
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
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Fazit: Nicht nur Energie auch Polarisation muss stimmen je na Richtung
des B Feldes nur rechts zirkular! m=-1 m=0 m=+1
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|B| steigt in jede Richtung
Verwende B Feld / Zeemanaufspaltung um Laserankopplung zu “schalten” Antihelmholtzspulen Magnetfeld B=0 in der Mitte |B| steigt in jede Richtung
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Wie vermeidet man rausschieben?
Magnetfeld Ort Angeregter Zustand l=1 m=+1 l=1 m=-1 - + Grundzustand l=0 m=0 Wie vermeidet man rausschieben?
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Magneto-Optical Trap
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schwere Atome sind langsam -> Fangen aus dem “Hintergrund”
Magneto-Optical Trap Fallentiefe: meV E = kT = ½ mv2 schwere Atome sind langsam -> Fangen aus dem “Hintergrund” leichte sind schnell -> erst abbremsen
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Cooling and Trapping of He* Falle
Kompression Ablenkung (neutrales He*) Abbremsen
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Natrium-MOT
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Cloud of cold Ca atoms
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Einschub: Woher kommen Photonen?
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Schwarzkörperstrahlung
Erzeugung von Photonen (hochenergetisch) Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern Spontane Emission Induzierte Emission (Laser) höhere Harmonische Kernübergänge Vernichtungsstrahlung Schwarzkörperstrahlung Bremsstrahlung Röntgenröhre Synchrotron FEL
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Rayleigh, Jeans Strahlungsgesetzt Plancksches Strahlungsgesetz ehv verhindert die UV Katastrophe Planck: fitted die Kurve Später Ableitung
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Harmonische Oszillatoren
(schwingende Ladungen) Thermisches Gleichgewicht Zwischen Absorbtion und Emission Thermisch besetzter Oszillator 1/2kT kinetisch 1/2kT potentiell Plancks Annahme: harmonischer Oszillator kann nicht kontinuierlich absorbieren, sonder nur E= nh diskret Fitkonstante h=Plancksches Wirkungsquantum= Js
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Energie Planck: Diskret, Abstand h Klassisch: kontinuierlich
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Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)
Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern Spontane Emission Induzierte Emission (Laser) Kernübergänge Vernichtungsstrahlung Schwarzkörperstrahlung Bremsstrahlung Röntgenröhre Synchrotron FEL
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Hand von Frau Röntgen 22.Dez.1895
Röntgenstrahlung W.C. Röntgen 8.November 1895 X-Strahlen Hand von Frau Röntgen 22.Dez.1895
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Elektronen Röntgenstrahlung
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Wechselwirkung der Elektronen
99% Wärme 1% Strahlung Charakteristische Linien Bremsstrahlung
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22.3. Charakteristische Röntgensrahlung
Röntgenstrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung Elektron d Elektronen
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Röntgenstpektrum freier Xe Atome 12keV Elektronen
d Elektronen Charakteristische Röntgenstrahlung
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FEL Erzeugung von Photonen (hochenergetisch)
Übergänge in Atomen/Molekülen/Festkörpern Spontane Emission Induzierte Emission (Laser) Kernübergänge Vernichtungsstrahlung Schwarzkörperstrahlung Bremsstrahlung Röntgenröhre Synchrotron FEL
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Nichtrelativistisch: Dipolemission
Nachsehen Beschleunigte Ladung Nichtrelativistisch: Dipolemission Relativistisch: Vorwärtsbündelung Beispiel: E=800MeV q = 0.64mrad
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Eigenschaften des Photons Energie: E = h Impuls p=h/c
Masse m=E/c2 = h /c2 Ruhemasse m0=0 Drehimpuls sph=h zirkularpolarisiertes Licht Photonendrehimpuls +- h linear polarisiertes Licht Drehimpuls gleichwahrscheinlich in oder gegen Ausbreitungsrichtung
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Polarisation von Synchrotronstrahlung:
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Hasylab Hamburg
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ASTRID Aarhus
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Radiation Characteristics
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
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Bending magnet: weisses Licht
Wiggler: Weisses Licht, n*bending magnet Undulator: Monochromatisches Licht, Koherente Addition des Lichtes eines jeden Elektrons
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High brightness
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Freie Elektronenlaser FEL Laser für Röntgenstrahlung
(Warum gibt es keine normalen Laser für Röntgenstrahlung?)
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Bunching of the electrons creates coherent laser light
Keine Spiegel für Röntgenstrahlung! Bunching of the electrons creates coherent laser light
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Self Amplification of Spontanious Emission
Geht auch ohne Spiegel: langer Undulator SASE Self Amplification of Spontanious Emission
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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
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„Free electron“ light sources
Dipole magnet Synchrotron radiation Wiggler Typical pulse energy: ~1 mJ Undulator ~ Ne l1=lu/2g2(1+K2/2) FEL spatially coherent ~ Ne2
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Angle-integrated flux
VUV-FEL
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make use of high peak intensity short pulse duration time Photons
FEL essentials Photons time make use of high peak intensity short pulse duration
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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
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1012 Photonen in 100 fsec
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Erste SASE Emission des TESLA FEL, Hamburg, Jan 2000
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FLASH User Facility at DESY
Commissioning: 2004 User experiments: 2005 TESLA Test Facility (TTF 1, ) FLASH experimental hall Photon energy ~ eV Bandwidth Dl/l ~0.5 % Peak power >1 GW Pulse duration ~100 fs Pulses per second up to 72000
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Multi-Photon Multi-Electron Processes in Atoms & Molecules
Project leader: J. Ullrich, MPI Heidelberg; with Univ. Frankfurt, Fritz-Haber Institut Berlin, Univ. Hamburg Reaction-Microscope ion detector supersonic gas jet atoms, molecules FEL drift Detector position-sensitive multi-hit Helmholtz coil E-field FEL gas jet electron det. ultra high vacuum: p < 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
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Ziele: z.B. Röntgenbeugung an Einzelmolekülen
1012 Photonen in 100 fsec
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