Grazing incidence pumped Zr x-ray laser for spectroscopy on Li-like ions

X-ray laser fluorescence spectroscopy of the 2s-2p transition in Li-like ions is promising to become a widely applicable tool to provide information on the nuclear charge radii of stable and radioactive isotopes. For performing such experiments at the Experimental Storage Ring ESR, and the future NESR within the FAIR Project, a grazing incidence pumped (GRIP) x-ray laser (XRL) was set up at GSI Darmstadt using PHELIX (Petawatt High Energy Laser for heavy Ions eXperiments). The experiments demonstrated that lasing using the GRIP geometry could be achieved with relatively low pump energy, a prerequisite for higher repetition rate. In the first chapter the need of a plasma XRL is motivated and a short history of the plasma XRL is presented. The distinctive characteristic of the GRIP method is the controlled deposition of the pump laser energy into the desired plasma density region. While up to now the analysis performed were mostly concerned with the plasma density at the turning point of the main pump pulse, in this thesis it is demonstrated that also the energy deposition is significantly modified for the GRIP method, being sensitive in different ways to a large number of parameters. In the second chapter, the theoretical description of the plasma evolution, active medium and XRL emission properties are reviewed. In addition an innovative analysis of the laser absorption in plasma which includes an inverse Bremsstrahlung (IB) correction factor is presented. The third chapter gives an overview of the experimental set-up and diagnostics, providing an analytical formula for the average and instantaneous traveling wave speed generated with a tilted, on-axis spherical mirror, the only focusing system used up to now in GRIP XRL. The fourth chapter describes the experimental optimization and results. The emphasis is on the effect of the incidence angle of the main pump pulse on the absorption in plasma and on output and gain in different lasing lines. This is compared to the theoretical results for two different incidence angles. Significant corrections for the temperature evolution during the main pump pulse due to the incidence angle are demonstrated in comparison to a simple analytical model which does not take into account the pumping geometry. A much better agreement is reached by the model developed in this thesis. An interesting result is also the appearance of a central dip in the spatially resolved keV emission which was observed in the XRL experiments for the first time and correlates well with previous near field imaging and plasma density profile measurements. In the conclusion also an outlook to the generation of shorter wavelength XRL’s is given.

Characterization and optimization of an x-ray laser for the spectroscopy of Li-like heavy-ions

Recent developments in the theory of plasma-based collisionally excited x-ray lasers (XRL) have shown an optimization potential based on the dependence of the absorption region of the pumping laser on its angle of incidence on the plasma. For the experimental proof of this idea, a number of diagnostic schemes were developed, tested, qualified and applied. A high-resolution imaging system, yielding the keV emission profile perpendicular to the target surface, provided positions of the hottest plasma regions, interesting for the benchmarking of plasma simulation codes. The implementation of a highly efficient spectrometer for the plasma emission made it possible to gain information about the abundance of the ionization states necessary for the laser action in the plasma. The intensity distribution and deflection angle of the pump laser beam could be imaged for single XRL shots, giving access to its refraction process within the plasma. During a European collaboration campaign at the Lund Laser Center, Sweden, the optimization of the pumping laser incidence angle resulted in a reduction of the required pumping energy for a Ni-like Mo XRL, which enabled the operation at a repetition rate of 10 Hz. Using the experiences gained there, the XRL performance at the PHELIX facility, GSI Darmstadt with respect to achievable repetition rate and at wavelengths below 20 nm was significantly improved, and also important information for the development towards multi-100 eV plasma XRLs was acquired. Due to the setup improvements achieved during the work for this thesis, the PHELIX XRL system now has reached a degree of reproducibility and versatility which is sufficient for demanding applications like the XRL spectroscopy of heavy ions. In addition, a European research campaign, aiming towards plasma XRLs approaching the water-window (wavelengths below 5 nm) was initiated.

A new double laser pulse pumping scheme for transient collisionally excited plasma soft X-ray lasers

Within this thesis a new double laser pulse pumping scheme for plasma-based, transient collisionally excited soft x-ray lasers (SXRL) was developed, characterized and utilized for applications. SXRL operations from ~50 up to ~200 electron volt were demonstrated applying this concept. As a central technical tool, a special Mach-Zehnder interferometer in the chirped pulse amplification (CPA) laser front-end was developed for the generation of fully controllable double-pulses to optimally pump SXRLs.rnThis Mach-Zehnder device is fully controllable and enables the creation of two CPA pulses of different pulse duration and variable energy balance with an adjustable time delay. Besides the SXRL pumping, the double-pulse configuration was applied to determine the B-integral in the CPA laser system by amplifying short pulse replica in the system, followed by an analysis in the time domain. The measurement of B-integral values in the 0.1 to 1.5 radian range, only limited by the reachable laser parameters, proved to be a promising tool to characterize nonlinear effects in the CPA laser systems.rnContributing to the issue of SXRL pumping, the double-pulse was configured to optimally produce the gain medium of the SXRL amplification. The focusing geometry of the two collinear pulses under the same grazing incidence angle on the target, significantly improved the generation of the active plasma medium. On one hand the effect was induced by the intrinsically guaranteed exact overlap of the two pulses on the target, and on the other hand by the grazing incidence pre-pulse plasma generation, which allows for a SXRL operation at higher electron densities, enabling higher gain in longer wavelength SXRLs and higher efficiency at shorter wavelength SXRLs. The observation of gain enhancement was confirmed by plasma hydrodynamic simulations.rnThe first introduction of double short-pulse single-beam grazing incidence pumping for SXRL pumping below 20 nanometer at the laser facility PHELIX in Darmstadt (Germany), resulted in a reliable operation of a nickel-like palladium SXRL at 14.7 nanometer with a pump energy threshold strongly reduced to less than 500 millijoule. With the adaptation of the concept, namely double-pulse single-beam grazing incidence pumping (DGRIP) and the transfer of this technology to the laser facility LASERIX in Palaiseau (France), improved efficiency and stability of table-top high-repetition soft x-ray lasers in the wavelength region below 20 nanometer was demonstrated. With a total pump laser energy below 1 joule the target, 2 mircojoule of nickel-like molybdenum soft x-ray laser emission at 18.9 nanometer was obtained at 10 hertz repetition rate, proving the attractiveness for high average power operation. An easy and rapid alignment procedure fulfilled the requirements for a sophisticated installation, and the highly stable output satisfied the need for a reliable strong SXRL source. The qualities of the DGRIP scheme were confirmed in an irradiation operation on user samples with over 50.000 shots corresponding to a deposited energy of ~ 50 millijoule.rnThe generation of double-pulses with high energies up to ~120 joule enabled the transfer to shorter wavelength SXRL operation at the laser facility PHELIX. The application of DGRIP proved to be a simple and efficient method for the generation of soft x-ray lasers below 10 nanometer. Nickel-like samarium soft x-ray lasing at 7.3 nanometer was achieved at a low total pump energy threshold of 36 joule, which confirmed the suitability of the applied pumping scheme. A reliable and stable SXRL operation was demonstrated, due to the single-beam pumping geometry despite the large optical apertures. The soft x-ray lasing of nickel-like samarium was an important milestone for the feasibility of applying the pumping scheme also for higher pumping pulse energies, which are necessary to obtain soft x-ray laser wavelengths in the water window. The reduction of the total pump energy below 40 joule for 7.3 nanometer short wavelength lasing now fulfilled the requirement for the installation at the high-repetition rate operation laser facility LASERIX.rn

Test der Speziellen Relativitätstheorie mittels Laserspektroskopie an relativistischen 7 Li +-Ionen am ESR

Die Invarianz physikalischer Gesetze unter Lorentztransformationen ist eines der fundamentalen Postulate der modernen Physik und alle Theorien der grundlegenden Wechselwirkungen sind in kovarianter Form formuliert. Obwohl die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) in einer Vielzahl von Experimenten mit hoher Genauigkeit überprüft und bestätigt wurde, sind aufgrund der weitreichenden Bedeutung dieses Postulats weitere verbesserte Tests von grundsätzlichem Interesse. Darüber hinaus weisen moderne Ansätze zur Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Wechselwirkungen auf eine mögliche Verletzung der Lorentzinvarianz hin. In diesem Zusammenhang spielen Ives-Stilwell Experimente zum Test der Zeitdilatation in der SRT eine bedeutende Rolle. Dabei wird die hochauflösende Laserspektroskopie eingesetzt, um die Gültigkeit der relativistischen Dopplerformel – und damit des Zeitdilatationsfaktors γ – an relativistischen Teilchenstrahlen zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ives-Stilwell Experiment an 7Li+-Ionen, die bei einer Geschwindigkeit von 34 % der Lichtgeschwindigkeit im Experimentierspeicherring (ESR) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung gespeichert waren, durchgeführt. Unter Verwendung des 1s2s3S1→ 1s2p3P2-Übergangs wurde sowohl Λ-Spektroskopie als auch Sättigungsspektroskopie betrieben. Durch die computergestützte Analyse des Fluoreszenznachweises und unter Verwendung optimierter Kantenfilter für den Nachweis konnte das Signal zu Rauschverhältnis entscheidend verbessert und unter Einsatz eines zusätzlichen Pumplasers erstmals ein Sättigungssignal beobachtet werden. Die Frequenzstabilität der beiden verwendeten Lasersysteme wurde mit Hilfe eines Frequenzkamms spezifiziert, um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen. Die aus den Strahlzeiten gewonnen Daten wurden im Rahmen der Robertson-Mansouri-Sexl-Testtheorie (RMS) und der Standard Model Extension (SME) interpretiert und entsprechende Obergrenzen für die relevanten Testparameter der jeweiligen Theorie bestimmt. Die Obergrenze für den Testparameter α der RMS-Theorie konnte gegenüber den früheren Messungen bei 6,4 % der Lichtgeschwindigkeit am Testspeicherring (TSR) des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg um einen Faktor 4 verbessert werden.

Entwicklung kohärenter Lichtquellen im XUV-Regime

Plasmabasierte Röntgenlaser sind aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge und schma-rnlen spektralen Bandbreite attraktive Diagnose-Instrumente in einer Vielzahl potentieller Anwendungen, beispielsweise in den Bereichen Spektroskopie, Mikroskopie und EUV-Lithografie. Dennoch sind Röntgenlaser zum heutigen Stand noch nicht sehr weit verbreitet, was vorwiegend auf eine zu geringe Pulsenergie und für manche Anwendungen nicht hinreichende Strahlqualität zurückzuführen ist. In diesem Zusammenhang wurden in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte erzielt. Die gleichzeitige Weiterentwicklung von Pumplasersystemen und Pumpmechanismen ermöglichte es, kompakte Röntgenlaserquellen mit bis zu 100 Hz zu betreiben. Um gleichzeitig höhere Pulsenergien, höhere Strahlqualität und volle räumliche Kohärenz zu erhalten, wurden intensive Studien theoretischer und experimenteller Natur durchgeführt. In diesem Kontext wurde in der vorliegenden Arbeit ein experimenteller Aufbau zur Kombination von zwei Röntgenlaser-Targets entwickelt, die sogenannte Butterfly-Konfiguration. Der erste Röntgenlaser wird dabei als sogenannter Seed für das zweite, als Verstärker dienende Röntgenlasermedium verwendet (injection-seeding). Aufrndiese Weise werden störende Effekte vermieden, welche beim Entstehungsprozessrndes Röntgenlasers durch die Verstärkung von spontaner Emission zustande kom-rnmen. Unter Verwendung des ebenfalls an der GSI entwickelten Double-Pulse Gra-rnzing Incidence Pumpschemas ermöglicht das hier vorgestellte Konzept, erstmaligrnbeide Röntgenlasertargets effizient und inklusive Wanderwellenanregung zu pum-rnpen.rnBei einer ersten experimentellen Umsetzung gelang die Erzeugung verstärkter Silber-Röntgenlaserpulse von 1 µJ bei 13.9 nm Wellenlänge. Anhand der gewonnenen Daten erfolgte neben dem Nachweis der Verstärkung die Bestimmung der Lebensdauer der Besetzungsinversion zu 3 ps. In einem Nachfolgeexperiment wurden die Eigenschaften eines Molybdän-Röntgenlaserplasmas näher untersucht. Neben dem bisher an der GSI angewandten Pumpschema kam in dieser Strahlzeit noch eine weitere Technik zum Einsatz, welche auf einem zusätzlichen Pumppuls basierte. In beiden Schemata gelang neben dem Nachweis der Verstärkung die zeitliche und räumliche Charakterisierung des Verstärkermediums. Röntgenlaserpulse mit bis zu 240 nJ bei einer Wellenlänge von 18.9 nm wurden nachgewiesen. Die erreichte Brillanz der verstärkten Pulse lag ca. zwei Größenordnungen über der des ursprünglichen Seeds und mehr als eine Größenordnung über der Brillanz eines Röntgenlasers, dessen Erzeugung auf der Verwendung eines einzelnen Targets basierte. Das in dieser Arbeitrnentwickelte und experimentell verifizierte Konzept birgt somit das Potential, extrem brillante plasmabasierte Röntgenlaser mit vollständiger räumlicher und zeitlicher Kohärenz zu erzeugen.rnDie in dieser Arbeit diskutierten Ergebnisse sind ein wesentlicher Beitrag zu der Entwicklung eines Röntgenlasers, der bei spektroskopischen Untersuchungen von hochgeladenen Schwerionen eingesetzt werden soll. Diese Experimente sind amrnExperimentierspeicherring der GSI und zukünftig auch am High-Energy StoragernRing der FAIR-Anlage vorgesehen.rn

Towards a new test of time dilation: Laser spectroscopy on lithium ions stored at a velocity of 33.8 % of the speed of light

The subject of the presented thesis is the accurate measurement of time dilation, aiming at a quantitative test of special relativity. By means of laser spectroscopy, the relativistic Doppler shifts of a clock transition in the metastable triplet spectrum of ^7Li^+ are simultaneously measured with and against the direction of motion of the ions. By employing saturation or optical double resonance spectroscopy, the Doppler broadening as caused by the ions' velocity distribution is eliminated. From these shifts both time dilation as well as the ion velocity can be extracted with high accuracy allowing for a test of the predictions of special relativity. A diode laser and a frequency-doubled titanium sapphire laser were set up for antiparallel and parallel excitation of the ions, respectively. To achieve a robust control of the laser frequencies required for the beam times, a redundant system of frequency standards consisting of a rubidium spectrometer, an iodine spectrometer, and a frequency comb was developed. At the experimental section of the ESR, an automated laser beam guiding system for exact control of polarisation, beam profile, and overlap with the ion beam, as well as a fluorescence detection system were built up. During the first experiments, the production, acceleration and lifetime of the metastable ions at the GSI heavy ion facility were investigated for the first time. The characterisation of the ion beam allowed for the first time to measure its velocity directly via the Doppler effect, which resulted in a new improved calibration of the electron cooler. In the following step the first sub-Doppler spectroscopy signals from an ion beam at 33.8 %c could be recorded. The unprecedented accuracy in such experiments allowed to derive a new upper bound for possible higher-order deviations from special relativity. Moreover future measurements with the experimental setup developed in this thesis have the potential to improve the sensitivity to low-order deviations by at least one order of magnitude compared to previous experiments; and will thus lead to a further contribution to the test of the standard model.

Laser systems for collinear spectroscopy and the charge radius of 12 Be

Die kollineare Laserspektroskopie hat sich in den vergangenen drei Jahrzehnten zur Bestimmung der Kernladungsradien mittelschwerer und schwerer kurzlebiger Atomkerne in ausgezeichneter Weise bewährt. Auf die Isotope sehr leichter Elemente konnte sie allerdings erst kürzlich erweitert werden. Dieser Bereich der Nuklidkarte ist von besonderem Interesse, denn die ersten ab-initio Modelle der Kernphysik, die den Aufbau eines Atomkerns basierend auf individuellen Nukleonen und realistischenWechselwirkungspotentialen beschreiben, sind gegenwärtig nur für die leichtesten Elemente anwendbar. Außerdem existiertrnin dieser Region eine besonders exotische Form von Atomkernen, die sogenanntenrnHalokerne. Die Isotopenkette der Berylliumisotope zeichnet sich durch das Auftreten des Ein-Neutronen Halokerns 11Be und des Zwei- oder Vier-Neutronen-Halos 14Be aus. Dem Isotop 12Be kommt durch seine Position zwischen diesen beiden Exoten und den im Schalenmodell erwarteten magischen Schalenabschluss N = 8 eine besondere Bedeutung zu.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden mehrere frequenzstabilisierte Lasersysteme für die kollineare Laserspektroskopie aufgebaut. An TRIGA-SPEC stehen nun unter anderem ein frequenzverdoppeltes Diodenlasersystem mit Trapezverstärker und frequenzkammstabilisierter Titan-Saphirlaser mit Frequenzverdopplungsstufe für die Spektroskopie an refraktären Elementen oberhalb von Molybdän zur Verfügung, die für erste Testexperimente eingesetzt wurden. Außerdem wurde die effiziente Frequenzvervierfachung eines Titan-Saphirlasers demonstriert. An ISOLDE/CERN wurde ein frequenzkammstabilisierter und ein jodstabilisierter Farbstofflaser installiert und für die Laserspektroskopie an 9,10,11,12Be eingesetzt. Durch das verbesserte Lasersystem und den Einsatz eines verzögerten Koinzidenznachweises für Photonen und Ionen gelang es die Empfindlichkeitrnder Berylliumspektroskopie um mehr als zwei Größenordnungen zu steigern und damit die früheren Messungen an 7−11Be erstmals auf das Isotop 12Be auszuweiten. Außerdem wurde die Genauigkeit der absoluten Übergangsfrequenzen und der Isotopieverschiebungen der Isotope 9,10,11Be signifikant verbessert.rnDurch den Vergleich mit Ergebnissen des Fermionic Molecular Dynamics Modells kann der Trend der Ladungsradien der leichteren Isotope durch die ausgeprägte Clusterstruktur der Berylliumkerne erklärt werden. Für 12Be wird ersichtlich, dass der Grundzustand durch eine (sd)2 Konfiguration statt der vom Schalenmodell erwarteten p2 Konfiguration dominiert wird. Dies ist ein klares Indiz für das bereits zuvor beobachtete Verschwinden des N = 8 Schalenabschlusses bei 12Be.