Nonlinear optics approach towards precision spectroscopy of highly charged ions and nuclei

Abstract

Spectroscopy of highly charged ions and nuclei is a field with great potential to open new frontiers for precision metrology, act as a scientific test bed for quantum electrodynamics, and contribute to the advancement of technology in applied physics. However, precision spectroscopy of these species typically requires laser sources with high photon energies and narrow line widths in the vacuum ultraviolet (VUV) part of the electromagnetic spectrum. The aim of this dissertation is to develop key methods which will enable to create a VUV laser source tailored to the demands set by this spectroscopy application.

Laser pulses with a duration of few optical cycles have a key potential for VUV generation, and therefore for spectroscopy of highly charged ions or nuclei. Furthermore, high average power lasers play a key role in addressing narrow transitions. However, laser sources supporting high average power such as Ytterbium-based laser systems, have a pulse duration of a few hundred femtoseconds. It is therefore essential to compress the pulses to a short duration. In this dissertation, we address temporal pulse compression of such high average power laser sources to few cycles.

A well-known demanding objective for VUV spectroscopy is the low energy transition of the Thorium 229 (229Th) nucleus. When this dissertation work started, the energy of this transition was known within a range of 149.7 +/- 3.1 nm. However, a laser with a narrow linewidth, high-power and wavelength tunability covering this range is not yet available. This dissertation addresses the development of a high-power frequency comb laser to support tunable VUV generation to drive the low energy nuclear transition of 229Th.

Finally, we discuss a preliminary experiment to investigate the low energy VUV nuclear transition of highly charged 229Th89+ ions. This experiment has the potential to locate the low energy nuclear transition of 229Th at a precision two orders of magnitude higher than the currently known uncertainty range.

Die Spektroskopie hochgeladener Ionen und Kerne ist ein Gebiet mit großem Potenzial, neue Grenzen für die Präzisionsmetrologie zu eröffnen, als wissenschaftlicher Prüfstand für die Quantenelektrodynamik zu dienen und zur Entwicklung von Technologien in der angewandten Physik beizutragen. Allerdings erfordert die Präzisionsspektroskopie dieser Spezies in der Regel Laserquellen mit hohen Photonenenergien und schmalen Linienbreiten im Vakuum-Ultravioletten (VUV) Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Das Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung von Schlüsselmethoden zur Herstellung einer VUV-Laserquelle, die auf die Anforderungen dieser Spektroskopieanwendung zugeschnitten ist.

Laserpulse mit einer Dauer von wenigen optischen Zyklen haben ein großes Potenzial für die Erzeugung von VUV-Licht und damit für die Spektroskopie von hochgeladenen Ionen oder Kernen. Darüber hinaus spielen Laser mit hoher mittlerer Leistung eine Schlüsselrolle bei der Untersuchung schmaler Übergänge. Laserquellen mit hoher mittlerer Leistung, wie Ytterbium-basierte Lasersysteme, haben jedoch Pulsdauern von einigen hundert Femtosekunden. Daher ist es notwendig, die Pulse auf eine kurze Dauer zu komprimieren. In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit der zeitlichen Kompression von Pulsen solcher Laserquellen mit hoher mittlerer Leistung auf wenige Zyklen.

Ein bekanntes und anspruchsvolles Ziel für die VUV-Spektroskopie ist der Niederenergieübergang des Thorium 229 (229Th)-Kerns.~Zu Beginn der Arbeit an dieser Dissertation war die Energie dieses Übergangs in einem Bereich von 149,7 +/- 3,1 nm bekannt. Ein Laser mit einer schmalen Linienbreite, hoher Leistung und Wellenlängenabstimmbarkeit, die diesen Bereich abdeckt, ist jedoch noch nicht verfügbar. Diese Dissertation addressiert die Entwicklung eines Hochleistungs-Frequenzkammlaser zur durchstimmbaren VUV-Erzeugung, um den niederenergetischen Kernübergang von 229Th zu treiben.

Schließlich wird ein vorläufiges Experiment zur Untersuchung des niederenergetischen VUV-Kernübergangs von hochgeladenen 229Th89+-Ionen vorgestellt. Dieses Experiment hat das Potenzial, den niederenergetischen Kernübergang von 229Th mit einer Genauigkeit zu lokalisieren, die um zwei Größenordnungen höher ist als der derzeit bekannte Unsicherheitsbereich.