Röntgenlaserspektroskopie

Röntgenlaser sind durch ihre spektrale Bandbreite von Δλ/λ = 10^–5 und ihre kurze Wellenlänge im Bereich zwischen 7 nm und 25 nm das ideale Instrument für hochaufgelöste Spektroskopieexperimente an hochgeladenen Schwerionen, z. B. Lihtium-ähnlichen Ionen. Der experimentelle Zugang zu Größen wie dem Ladungsradius schwerer Ionen ermöglicht präzise Tests von Elektronen-Korrelationseffekten in QED-Theorien. Die Dopplerverschiebung bei der Wechselwirkung mit  relativistischen Ionen im Speicherring bietet die Möglichkeit, die festgelegte Wellenlänge des Röntgenlasers durch Variation der Ionengeschwindigkeit an die Übergangsenergie der Ionen anzupassen. Die spektrale Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen bei anti-kollinearer Geometrie erlaubt die Untersuchung der Übergänge in Ionen von höherer Kernladungszahl, in denen die QED-Effekte eine größere Rolle spielen. Am zukünftigen HESR-Speicherring bei FAIR wird dies  den Zugang zu weiteren Spektrallinien ermöglichen, die ansonsten nicht untersucht werden können.

XUV-Laserquellen mit hoher Ausgangsleistung und Pulswiderholrate werden derzeit an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und am Helmholtz-Institut Jena entwickelt. Diese neuen, leistungsstarken, und kompakten XUV Laserquellen werden durch Erzeugung hoher Harmonischer von Femtosekunden-Faserlasern realisiert. Diese XUV-Quellen werden Photonenenergien im Bereich von 20 bis 100 eV mit ausreichender hohem Photonenflusses (bis zu 10¹³ Photonen/s) bereitstellen. Mit diesen können erstmals hochenergetische Übergänge in hochgeladenen Ionen effizient angeregt werden. In Kombination mit der Doppler-Verschiebung bei antikollinearer Anregung, könnte bei maximaler Energie des ESR (v = 0.73c), beispielsweise der s_1/2-p_1/2 Übergang für Li-ähnliches Silber (Z = 47) bei ~ 100 eV mit nur 40 eV Photonen erreicht werden. Am HESR könnte in Zukunft derselbe Übergang sogar für schwerste Ionen bis hin zu li-ähnlichem Uran angeregt werden.

Gegenwärtig sind die Entwicklungen auf die Verringerung der relativen Energiebandbreite der XUV Laserquellen auf unter 10^-4 fokussiert. Im aktuellen Förderzeitraum der BMBF Verbundforschung soll ein Prototyp der XUV Quelle entstehen und bei der GSI für die ersten Experimente am ESR eingesetzt werden. In enger Zusammenarbeit mit der Atomphysik-Gruppe der GSI und den Arbeitsgruppen von Prof. Nörtershäuser und Prof. Weinheimer wird der Versuchsaufbau entworfen und ein geeigneter Fluoreszenz-Detektor realisiert. In Zukunft werden die neuartigen XUV-Laserquellen auch am HESR für revolutionäre spektroskopische Experimente aber auch zur Präparation des Ionenstrahls eingesetzt.