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.Röntgenlaser Fluoreszenz - Spektroskopie des 2s - 2p übergangs in Lithium-ähnlichen Ionen hat das Potenzial, eine fast universell einsetzbare Methode zur Bestimmung von Kernradien stabiler und radioaktiver Isotope zu werden. Um solche Experimente am experimentierspeicherring ESR, und auch dem späteren NESR innerhalb des FAIR Projekts, zu ermöglichen, wurde am PHELIX Laser der GSI Darmstadt ein Röntgenlaser aufgebaut, der die neuartige GRIP (Grazing Incidence Pumping) Geometrie verwendet. Mit dieser Geometrie ist stabiler Laserbetrieb bei verhältnismässig niedriger Pumpleistung möglich. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für das Erreichen einer höheren Repetitionsrate. Im ersten Kapitel wird begründet, warum für die angesprochenen Experimente der Plasma Röntgenlaser die besten Voraussetzungen liefert. Ausserdem wird ein kurzer überblick über die Entwicklung der Röntgenlaser gegeben. Die Besonderheit an der GRIP Geometrie ist die gezielte Deposition der Energie des Pumplasers in die für den Laserbetrieb optimale Dichteregion des Plasmas. In der Literatur beschränkt sich die Analyse dieses Prozesses in erster Linie auf die Bestimmung der Dichte am Umkehrpunkt der Trajektorie des Pumplaserstrahls. In dieser Arbeit wird demonstriert, dass sich die gesamte Energiedeposition unter GRIP erheblich modifiziert, wobei eine Vielzahl von Parametern unterschiedlich beitragen. Im zweiten Kapitel wird zunächst die übliche theoretische Behandlung der Plasmadynamik, des aktiven Lasermediums und der Röntgenlaser Emission erläutert. Zusätzlich wird eine darüber hinausgehende, neuartige Analyse der Laserabsorption unter Berücksichtigung eines Korrekturfaktors für die Absorption durch Inverse Bremsstrahlung (IB) vorgestellt. Im dritten Kapitel wird der experimentelle Aufbau des Lasers und der Diagnostik vorgestellt. In diesem Zusammenhang wird eine analytische Formel für die derzeit an GRIP Lasern ausschliesslich verwendete Fokussierungsoptik entwickelt, die es erlaubt, die mittlere und positionsabhängige Traveling Wave Geschwindigkeit direkt zu berechnen. Das vierte Kapitel ist den experimentellen Ergebnissen gewidmet. Speziell wird auf die Abhängigkeit der Pumplaserabsorption und der Laserintensität in verschiedenen Röntgenlinien vom Einfallswinkel des Haupt-Pumppulses eingegangen. Die Resultate für die zwei untersuchten Einfallswinkel werden mit den theoretischen Modellen verglichen. Es zeigt sich, dass durch den veränderten Einfallswinkel im Vergleich zu einem einfachen analytischen Modell, das die Geometrie nicht in Betracht zieht, sehr starke änderungen des Zeitverhaltens der Plasmatemperatur auftreten. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell zeigt eine weit bessere übereinstimmung. Ein interessantes Resultat ist auch das Auftreten einer zentralen Abschwächung der örtlich aufgelösten keV Emission, das bei den Experimenten erstmals direkt beobachtet werden konnte und gut mit früheren Beobachtungen im Ausgangsprofil des Röntgenlasers und der Plasmaverteilung korrelliert. Die Schlussbemerkung enthält neben einer Zusammenfassung den Ausblick auf die Möglichkeiten zur Erzielung höherer Photonenenergie