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

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=0 3 104 Photonen 2 =32nsec (10-9sec) ! 1msec a= 106m/sec2 (105 g!!!)

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

+ 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

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

|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

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?

Magneto-Optical Trap

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

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

Natrium-MOT

Cloud of cold Ca atoms

Einschub: Woher kommen Photonen?

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

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

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=6.626 10-34Js

Energie Planck: Diskret, Abstand h  Klassisch: kontinuierlich

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

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

Elektronen Röntgenstrahlung

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

22.3. Charakteristische Röntgensrahlung Röntgenstrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung Elektron d Elektronen

Röntgenstpektrum freier Xe Atome 12keV Elektronen d Elektronen Charakteristische Röntgenstrahlung

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

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

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

Polarisation von Synchrotronstrahlung:

Hasylab Hamburg

ASTRID Aarhus

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

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

High brightness

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

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

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

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

„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

Angle-integrated flux VUV-FEL

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

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

1012 Photonen in 100 fsec

Erste SASE Emission des TESLA FEL, Hamburg, Jan 2000

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

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 < 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

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