Synchrotron- und Laserstrahlung
| Kein GFDL | Der Artikel Synchrotron- und Laserstrahlung basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Moritz Schubotz des 17.Kapitels (Abschnitt 0) der Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann. |
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Die Abfrage enthält eine leere Bedingung.
Wichtigste experimentelle Entwicklungen der letzten 20 Jahre: Speicherringe (Hochenergiephysik) und Laser.
Synchrotronstrahlung
Spektral verteilung der Strahlung
kritische Wellenlänge Ac 41fR ~ 3')'3 ' BESSY: R ~ 1,8 m, E "'" 800 MeV ~')' "'" 1600 : Ac IY 2 nm
Vertikale Divergenz a:
a oe 2 ( A) 1/3 A ~ Ac 'FiX;; z.B. A = 100 runl\)ra ~ 1,5 mrad
Zeitstruktur:
Im Multi-bunch-Betrieb ca. 100 bunches (1 ~ 3 cm) im Ring von 1 = 60 mund 500 MHz HF-Sender: 100 ps-Pulse mit 2 ns-Abstand (Umlaufzeit 200 ns)
Laser
Grundgleichungen
Lasertypen: Gaslaser:
Festkörper:
Flüssigkeit:
Bestimmende Größen:
He-Ne, Edelgasionen-Laser (CW)
NZ-' Excimer-Laser (gepulst)
Nd:YAG-, Rubin-,
Farbstofflaser
Halbleiter-Laser
Wellenlänge A, Schärfe dA, Abstimmbereich ~, Divergenz dO,
Leistung L
Bei Pulsbetrieb: ßt Pulsbreite, Pulsenergie E, Repetitionsrate
Grundgleichungen:
Nz
.'
l
Absorption
B1Z
-,'"
~
II!
ind. Ern.
BZ1
-A,
!t
spont. Ern.
Absorption
B1Z
-,'"
~
II!
ind. Ern.
BZ1
-A,
!t
spont. Ern.
An Einstein Ü-Koeff .
Im thermodynamischen Gleichgewicht : AZ1Nz + BZ1 op(1)oNz = B
1Z
P(y)oN
1
mit Boltzmann Nz/N1 = gz/gzoeJllp(-- 'n uf kT) verwenden, nach p(y) auflösen
und mit Planckschem Strahlungsgesetz vergleichen, ergibt
a) gloBIZ = gz oBZ1 ~ Besetzungsinversion notwendig
= BZlo8~ h y3 ~ y3-Zunahme .der störenden
c Spontanemission
(siehe ,:Rö,;tgenlaserentwicklung)
pumpschema
4-Niveau
pumpen
Einige Lasertypen:
- 63 -
Laser
Relax.
Edelgasionenlaser z. B. Ar+- Laser
CW, sichtbar (450 - 550 run)
z.B. 3p44p 4D5 / Z-3p44s ZP 3/Z A = 514,5 run
488,0
457,9
etc.
Betrieb z. B. 40 A/600 V ~ 24 kVV
Xe * Cl
XeCl
20 W all-Hne
(0,1% Wirkungsgrad)
Excimerlaser z. B. XeCl V CW, sichtbar (450 - 550 run) z.B. 3p44p 4D5 / Z-3p44s ZP 3/Z A = 514,5 run 488,0 457,9 etc. Betrieb z. B. 40 A/600 V ~ 24 kVV Xe * Cl XeCl 20 W all-Hne (0,1% Wirkungsgrad) gepulst, UV 351 - 353 run 1 - 2 bar He Puffergas, 1 - 10% Xe, 0,2 % HCl, Pulslängen 5 - 15 ns, Repetitionsrate ~ 100 Hz - , 1 kHz Impulsenergie ~ J puls-LeIstung 1J/10 ns = 100 MW (Dauerleistung ~ 1 - 100 W)
Nd: YAG-Laser Blitzlicht Farbstofflaser i-??5-'-VEinmodenlaser ( L Resonator ~ ) L >. f - 6.4 - u fiT +0,7% Nd: Nd3+ 4d10 4f3 ss2 sp6 4f-Schale durch ss, sp abgeschirmt, Kristallfeldenfluß deshalb relativ gering
L
>.
f
- 6.4 -
u
fiT
+0,7% Nd: Nd3+ 4d10 4f3 ss2 sp6
4f-Schale durch ss, sp abgeschirmt,
Kristallfeldenfluß
deshalb relativ gering
0 i >
Pumplicht
= m0>. 7
= 2L c com
ro' v = X = 2L
(longitudinaler) Modenabstand d>' = 2L dv = c
2L (dv
z. B. L :;:;: 1 m~dv
z. B. A :;:;: 500 nm
3 0 108m/s
= 2m = 150 MHz
2s010-14m2
3 0 108m/s
01,sol08/S = 1,2s010-13m
= 0,125 pm
= 1,25010-3 AO
Verstärkerprofil z. B. Dopplerbreite, Druckverbreiterung, Stöße
Exp.
/' Wo b.Ao V'
Dopplerbreite v = -X-~ C
30108
z. B. >. = 500 nm bzw. v = cl>' = Schubotz Hz =
5010-7
b.Ao ~ 5010-13 m = 0,5 pm
Wo ~ 60108 Hz = 600 MHz
z. B. >. = 500 nm bzw. v = cl>' = Schubotz Hz = 5010-7 b.Ao ~ 5010-13 m = 0,5 pm Wo ~ 60108 Hz = 600 MHz Beispiele: HeNe Ar+ Farbstoff 1500 MHz 8000 MHz 103 GHz (starke Stoßverbreiterung) Einmodenlaser: Stufenweise Einschränkung durch verschiedene optische Filter (Lyot, Etalons) Exp. Anforderungen bei gewünschter Linienbreite dVLaser ~ 1 MHz z. B. >. = 500 nm r._v = 601014 Hz dv /v = 1 6010-9 V Laser' d. h. Resonatorst~bilität dL/L ~ 10-9 (bei L = 1 m dL ~ 1 nm) z. B. Temperaturstabilität: dL/L = aodT r.v dT ~ 10-3 K 't- Invar z. B. 10-6/K Druckabhängigkeit: statt L eigentlich ~ noL n Brechungsindex der Luft n = n(p) ~ 1,0003 ... dL/L = (n-1) dp/po = für p = Po = 1 bar 3 010-40dp/po n; dp " 3010-6 bar " 3010-3 rnbar