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Aleksey Adonin

• The high energy loss of heavy ions in matter as well as the small angular scattering makes heavy ion beams an excellent tool to produce almost cylindrical and homogeneously excited volumes in matter. This aspect can be used to pump short wavelength lasers. In an experiment performed at the GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany) ion accelerator facility in December 2005 the well-known KrF* excimer laser was pumped with an intense high energy uranium beam. Pulses of an uranium beam with initial particle energy of 250 MeV per nucleon, provided by heavy-ion-synchrotron SIS-18, were delivered to the HHT-target station and then stopped inside a gas laser cell. The maximum beam intensity reached in the experiment was 2,5·109 particles per pulse, which resulted in 34 J/g specific energy deposited in the laser gas. By applying electron cooling and a bunch compression technique at SIS-18, the beam pulses were compressed down to 110 ns (FWHM). A mixture of an excimer laser premix gas (95,5% Kr + 0,5% F2) and a buffer gas (Ar 4.8) was used as the laser gas in proportions of 35/65 and 60/40, respectively. The gas pressure inside the laser cell was varied in the range of 1,2÷2 bar in continues flow mode. The experimental setup consisted of a 1 m long stainless steel tube with a number of diagnostic viewports and two mirror adjustment units. The optical cavity was formed by a flat, Alcoated mirror at the beam entrance and a second dielectrically coated, highly reflective mirror with 3 m radius of curvature at a distance of 1,3 m. A beam of heavy ions has been used to pump a short wavelength gas laser for the first time. Laser effect on the KrF* laser transition (λ = 248 nm) has been successfully demonstrated. Laser threshold for this specific setup was reached with a beam intensity of 1,2·109 particles per pulse. Laser action has been clearly proofed by the following methods: appearance of the laser line, spectral narrowing of the laser line, temporal narrowing of the laser signal, non-linear response of the laser output intensity on the pumping power, and cavity disalignment effect. An energy of the laser pulse of about 2 mJ was measured for an ion beam intensity of 2·109 particles per pulse. The time delay of the onset of the laser emission with respect to the pumping pulse was measured as a function of ion beam intensity. The dependence of spontaneous emission spectra on the gas pressure in a range of 1,3÷2 bar was observed and the optimal gas pressure for laser experiments in the sense of laser efficiency was concluded. As a next step in studying short wavelength lasers pumped with heavy ion beams it is planned to reduce the laser wavelength down to the VUV region of the spectrum, and to proceed to the excimer lasers of the pure rare gases: Xe2 * (λ = 172 nm), Kr2 * (λ = 146 nm), Ar2 * (λ = 126 nm), Ne2 * (λ = 83 nm) and He2 * (λ = 80 nm). We believe that the use of heavy ion beams as a pumping source may lead to new pumping schemes on the higher lying level transitions and considerably shorter wavelengths (XUV and X-ray spectral region), which rely on the high cross sections for multiple ionization of the target species.
• Laser und deren spezifische physikalische Eigenschaften haben sich sowohl auf vielen Gebieten der Grundlagenforschung als auch in weiten Bereichen des alltäglichen Lebens etabliert. Die Anwendungsgebiete liegen zwischen dem Infraroten- bis hin zum hochenergetischen Röntgenspektralbereich. Dabei besteht derzeit ein großes Interesse neuartige Anwendungsgebiete von Lasern im UV-Wellenlängenbereich zu erschließen. Für die Erzeugung der nötigen Besetzungsinversion bei UV-Lasern werden hohe Puleistungen benötigt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von Schwerionenstrahlen als Pumpquelle in Gasen zur Erzeugung von Laserstrahlung im UV-Bereich. Die grundlegende Idee der Anwendung von Schwerionen zur Erzeugung von Laserstrahlung liegt in den spezifischen Eigenschaften der Wechselwirkung von Ionen mit Materie. Der Energieverlust der Schwerionen in Materie skaliert quadratisch mit dem Ladungszustand des Ionenstrahls und ermöglicht somit eine hohe Energiedichte im Targetgas. Eine weitere Eigenschaft der Wechselwirkung von Schwerionenstrahlen mit Gasen ist der nicht-thermische Anregungsmechanismus von Atomen und Molekülen im Target. Des weiteren haben schwere Teilchen kleine Streuwinkel, die in Kombination mit der Ionenstrahlfokussierung und dem räumlichen Verlauf der Energiedeposition im Gas ein annähernd zylindrisches, gleichmäßig angeregtes Volumen auf der Strahlachse ergeben. Dieses kann optimal an das Modenvolumen eines Laserresonators angepasst werden. Erstmals wurde ein schwerionenstrahlgepumpter Gaslaser am "van-de-Graaff"-Beschleuniger in München im Jahre 1983 realisiert. Mit 100 MeV 32S Ionen gelang es, einen He-Ar Laser im infraroten Wellenlängenbereich zu betreiben. Weitere Entwicklungen auf diesem Gebiet wurden durchgeführt, stießen jedoch durch die begrenzte Pumpleistung des Ionenstrahls an ihre Grenzen. Deshalb war die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung auf den infraroten und sichtbaren Bereich beschränkt. Neue Perspektiven ergaben sich am Beschleuniger der GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland), an dem beträchtlich höhere Strahlströme bei gleichzeitig besserer Strahlqualität bereitgestellt werden konnten. In dieser Arbeit wird nun erstmalig über einen mit einem Schwerionenstrahl gepumpten UV-Laser berichtet. Das Experiment wurde mit einem vom SIS-18 bereitgestellten intensiven, hochenergetischen Uranionenstrahl an der GSI durchgeführt. Das Schwerionensynchrotron SIS-18 an der GSI kann Schwerionen bis hin zu Uran mit Energien bis zu 2 GeV (1 GeV für U-Ionen) pro Nukleon für Experimente liefern. Durch eine zusätzliche Elektronenkühlung des Strahls, können an der vorhandenen Anlage Strahlintensitäten bis hin zu 5·109 Teilchen pro Schuß für die schweren Uranionen und Intensitäten von mehr als 1011 für leichtere Teilchen wie z.B. Stickstoff, Kohlenstoff usw. erreicht werden. Zusätzlich wird mit der Elektronenstrahlkühlung eine signifikante Reduzierung der Strahlemittanz erreicht, wodurch eine bessere Fokussierung und Kollimierung des Strahls für das Experiment möglich ist. Mit einer speziellen Kompression des Strahls können gepulste Ionenstrahlen mit Zeiten kürzer als 100 ns (Halbwertsbreite) erzeugt werden. Für die in dieser Arbeit beschriebenen Experimente wurde ein KrF* Excimer-Laser verwendet, dessen Laseremissionswellenlänge bei 248 nm liegt. Die Wahl dieses Excimers hatte den Grund, dass sich Strahlung dieser Wellenlänge ohne merkliche Abschwächung in Luft ausbreitet, wodurch keine zusätzlichen Vakuumvorrichtungen und spezielle UV-Detektoren notwendig waren. ...