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Kräfte: Dipolkraft: Licht off- Resonanz Magnetisch: Stern-Gerlach Ar * Spiegel 2p 8 Grund zustand 1s 5.

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1 Kräfte: Dipolkraft: Licht off- Resonanz Magnetisch: Stern-Gerlach Ar * Spiegel 2p 8 Grund zustand 1s 5

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 -9 sec) ! 1msec a= 10 6 m/sec 2 (10 5 g!!!)

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

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

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

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

7 Magnetfeld Grundzustand Angeregter Zustand - + Wie vermeidet man rausschieben? Ort l=0 m=0 l=1 m=+1 l=1 m=-1

8 Magneto-Optical Trap

9 E = kT = ½ mv 2 schwere Atome sind langsam -> Fangen aus dem Hintergrund leichte sind schnell -> erst abbremsen Fallentiefe: meV

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

11 Natrium-MOT

12 Cloud of cold Ca atoms

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14 Einschub: Woher kommen Photonen?

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

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

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

18 Energie Klassisch: kontinuierlich Planck: Diskret, Abstand h

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

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

21 Elektronen Röntgenstrahlung

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

23 22.3. Charakteristische Röntgensrahlung Elektron Elektronen Charakteristische Röntgenstrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung

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

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

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

27 Eigenschaften des Photons Energie: E = h Impuls p=h /c Masse m=E/c 2 = h /c 2 Ruhemassem 0 =0 Drehimpuls s ph =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 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 Radiation Characteristics Machine E Critical 800eV at 1.5 GeV 11keV at 4 GeV 1GeV 2 GeV

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!

38 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 Undulator Wiggler FEL spatially coherent 1 = u /2 2 (1+K 2 /2) Typical pulse energy: ~1 mJ ~ N e ~ N e 2

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42 Angle-integrated flux VUV-FEL

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

44 Improved beam properties by 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 Self-seeding

45 10 12 Photonen in 100 fsec

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

48 TESLA Test Facility (TTF 1, ) FLASH experimental hall Commissioning: 2004 User experiments: 2005 FLASH User Facility at DESY Photon energy~ eV Bandwidth / ~0.5 % Peak power>1 GW Pulse duration 100 fs Pulses per secondup 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 Spectrometer: ion-electron coincidence eV resolution for ions meV for electrons Reaction-Microscope supersonic gas jet atoms, molecules FEL drift Detector position-sensitive multi-hit Helmholtz coil E-field ultra high vacuum: p < mbar cold target : T < 1 Kelvin multi-hit detectors: = 12 cm, t ~ 10 ns ion detector gas jet electron det. FEL

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

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