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

Präsentation zum Thema: "Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“ Magnetisch: Stern-Gerlach"—  Präsentation transkript:

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

2 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!!!)

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

4 + 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

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

6 |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

7 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?

8 Magneto-Optical Trap

9 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

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

11 Natrium-MOT

12 Cloud of cold Ca atoms

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14 Einschub: Woher kommen Photonen?

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

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

17 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

18 Energie Planck: Diskret, Abstand h  Klassisch: kontinuierlich

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

20 Hand von Frau Röntgen 22.Dez.1895
Röntgenstrahlung W.C. Röntgen 8.November 1895 X-Strahlen Hand von Frau Röntgen 22.Dez.1895

21 Elektronen Röntgenstrahlung

22 Wechselwirkung der Elektronen
99% Wärme 1% Strahlung Charakteristische Linien Bremsstrahlung

23 22.3. Charakteristische Röntgensrahlung
Röntgenstrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung Elektron d Elektronen

24 Röntgenstpektrum freier Xe Atome 12keV Elektronen
d Elektronen Charakteristische Röntgenstrahlung

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

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

27 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

28 Polarisation von Synchrotronstrahlung:

29 Hasylab Hamburg

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31 ASTRID Aarhus

32 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

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

34                                                                                                                                                                                                    

35 High brightness

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

37 Bunching of the electrons creates coherent laser light
Keine Spiegel für Röntgenstrahlung! Bunching of the electrons creates coherent laser light

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

39 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

40 „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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42 Angle-integrated flux
VUV-FEL

43 make use of high peak intensity short pulse duration time Photons
FEL essentials Photons time make use of high peak intensity short pulse duration

44 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

45 1012 Photonen in 100 fsec

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47 Erste SASE Emission des TESLA FEL, Hamburg, Jan 2000

48 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

49 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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53 Ziele: z.B. Röntgenbeugung an Einzelmolekülen
1012 Photonen in 100 fsec

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