Es ist eine Erfahrung des täglichen Lebens: Licht breitet sich geradlinig aus und hinter beleuchteten Gegenständen gibt es Schatten. Beim genaueren Hinsehen kann man aber auch im Schattenbereich Licht finden. Das hatte bereits Leonardo da Vinci im 15. Jahrhundert entdeckt und es wurde von Grimaldi 1665 erstmals näher beschrieben. Diese Beobachtungen standen im klaren Widerspruch zur damals akzeptierten Korpuskulartheorie des Lichts und führten 1690 schließlich zur Wellentheorie von Huygens mit dem Modell der Elementarwellen, siehe auch erstes Kapitel in diesem Buch. Fresnel verbesserte Anfang des 19. Jahrhunderts die Elementarwellentheorie.
Es ist eine Erfahrung des täglichen Lebens: Licht breitet sich geradlinig aus und hinter beleuchteten Gegenständen gibt es Schatten. Beim genaueren Hinsehen kann man aber auch im Schattenbereich Licht finden. Das hatte bereits Leonardo da Vinci im 15. Jahrhundert entdeckt und es wurde von Grimaldi 1665 erstmals näher beschrieben. Diese Beobachtungen standen im klaren Widerspruch zur damals akzeptierten Korpuskulartheorie des Lichts und führten 1690 schließlich zur Wellentheorie von Huygens mit dem Modell der Elementarwellen, siehe auch erstes Kapitel in diesem Buch. Fresnel verbesserte Anfang des 19. Jahrhunderts die Elementarwellentheorie.
Die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Optik sind schon seit alters her bekannt. Zum Beispiel wurde das Gesetz von der geradlinigen Ausbreitung und Reflexion des Lichtes erstmals im Jahre 430 v. Chr. formuliert. Aristoteles und Ptolemäus untersuchten 350 v. Chr. die Lichtbrechung. Die ersten Vorstellungen zur Natur des Lichtes entstanden bei den alten Griechen und den Ägyptern. Diese Vorstellungen erfuhren im Laufe der Entwicklung und unter dem Einfluß wichtiger Entdeckungen (zum Beispiel Parabolspiegel (13. Jahrhundert), Mikroskop (16. Jahrhundert), Fernrohr (17. Jahrhundert)) ihre Fortsetzung und Transformation. Ende des 17. Jahrhunderts entstanden auf der Grundlage der jahrhundertealten Erfahrungen zwei Theorien des Lichtes: die Korpuskulartheorie (I. Newton) und die Wellentheorie des Lichtes (R. Hooke und C. Huygens).
In Kapitel 7 wurde das Verhalten von Wellen untersucht. Es sollte geprüft werden, ob man mit ihnen die gewöhnlichen Eigenschaften des Lichts erklären kann. Wir wußten bereits, in welcher Weise Licht von einem Spiegel reflektiert wird, und fanden nun heraus, daß die Wellen nach eben demselben Gesetz zurückgeworfen werden. Wir hatten weiterhin untersucht, wie das Licht gebrochen wird, wenn es von einem Medium in ein anderes tritt. Dabei entdeckten wir, daß die Brechung der Wellen dem gleichen Gesetz wie die Brechung des Lichts genügt.
AuszugInterferenz und Beugung sind typische Welleneigenschaften. Wir haben sie schon bei der Besprechung mechanischer Wellen kennen gelernt; denken wir z.B. an die stehenden Wellen bei Musikinstrumenten, die durch Interferenz zweier gegenläufiger Wellen zustande kommen oder an die Überlagerung zweier sich radial von benachbarten Punkten ausbreitenden Wasserwellen. Auch die Beugung von Schallwellen kennen wir von Kindesbeinen an, denn Schall nehmen wir auch dann wahr, wenn sich etwa die Schallquelle hinter einer Hausecke befindet: Schall geht „um die Ecke“. Das liegt daran, dass die Wellenlänge von Schallwellen vergleichbar ist mit den Abmessungen von Hindernissen im täglichen Leben. Interferenz und Beugung von Lichtwellen machen sich wegen ihrer um Größenordnungen kleineren Wellenlängen nur in Sonderfällen bemerkbar, zumal das Licht der meisten Lichtquellen aus unterschiedlichen Wellenlängen besteht. Ein Beispiel sind die auf Interferenzen beruhenden „Farben dünner Blättchen“, die bei dünnen Ölhäuten oder Seifenblasen zu beobachten sind. Das Auftreten von Interferenzen setzt in der Regel (nahezu) monochromatisches Licht voraus, das Licht muss kohärent sein. Im Folgenden soll dieser Begriff genauer gefasst werden. Anschließend werden typische Interferenzphänomene besprochen. Der zweite Teil behandelt Beugungserscheinungen. Interferenz bzw. Beugung bestimmen das geometrische Auflösungsvermögen optischer Instrumente. Auf ihnen beruhen weiter die Wirkungsweise der Spektralapparate und andere Anwendungen.
Die Schwankungserscheinungen bilden eines jener Kapitel der Physik, die einer scheinbar geringfügigen Beobachtung ihr Leben verdanken und dann in überraschend kurzer Zeit eine ungeahnte Bedeutung erlangen. So war es etwa mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen und der Radioaktivität. Während jedoch diese immerhin nur beschränkte physikalische Gebiete in neuem Lichte erscheinen lassen, macht es den Eindruck, als ob man es bei den Schwankungserscheinungen, von denen die vorliegende Monographie handelt, mit einer naturwissenschaftlichen Betrachtungsweise zu tun hätte, die geeignet wäre, das ganze Gebiet dieser Wissenschaft von einem neuen, und anfangs fremdartig anmutenden Gesichtspunkte betrachten zu lassen. Da sie sich im wesentlichen auf die Annahme einer diskontinuierlichen Struktur der Materie stützt, ist es vielleicht nicht überflüssig, einen Blick auf die Entwickelung dieser Theorie seit ihrer Entstehung zu werfen.
Das Thema dieser Dissertation ist die Laserkühlung von molekularen Anionen mit dem Ziel, diese für die sympathetische Kühlung von Antiprotonen in einer Penning–Falle einzusetzen. Sie beinhaltet sowohl eine theoretische Analyse der Eignung von verschiedenen Kühlmethoden als auch einen Bericht über die Fortschritte, welche in Richtung einer experimentellen Realisierung gemacht wurden. Der Fokus liegt auf der molekularen Spezies C2−, welche in einer kürzlich durchgeführten Studie als Vorteilhafteste einer Reihe von Kandidaten ausgemacht wurde. Das Thema der Laserkühlung von anionischen Molekülen gewinnt auch dadurch an Brisanz, dass das Kühlen von atomaren Anionen bisher nicht erfolgreich war, obwohl es Bestrebungen in diese Richtung gibt (Yzombard et al., 2015). Nach einer generellen Einleitung des Themas werden die grundlegenden Eigenschaften von anionischen Molekülen besprochen, was insbesondere ihre elektronische Struktur betrifft. Diesem folgt eine Behandlung der Interaktion von Licht mit den Übergängen zwischen den elektronischen Zuständen, insoweit diese für die späteren Kapitel von Bedeutung ist. Ein besonderes Augenmerk liegt schließlich auf der elektronischen Struktur von C2− und den Übergängen, die für die Laserkühlung von Interesse sind. Dem folgt eine ausführliche, theoretische Untersuchung von verschiedenen Implementierungen der Laserkühlung. Diese Analyse wurde mithilfe von Computersimulationen gemacht, die mit einem GPU–beschleunigten C++ Programm durchgeführt wurden (Van Gorp et al., 2011; Van Gorp and Dupre, 2013). Letzteres wurde speziell für die Simulation von Ladungen in einer Penning–Falle geschrieben und im Rahmen dieser Arbeit um die Interaktion zwischen Teilchen und Laserlicht erweitert. Die Simulationen resultierten in zwei Publikationen (Fesel et al., 2017; Gerber et al., 2018), welche in den Unterkapiteln 2.5.1 und 2.5.2 zu finden sind. Eine Zusammenfassung sowie ein Vergleich der unter- suchten Kühlmethoden, findet sich schließlich in Unterkapitel 2.6. Letzteres zielt darauf ab, dem Leser einen Überblick darüber zu verschaffen, welche Herausforderungen bei der experimentellen Realisierung der Laserkühlung von C2− zu erwarten sind. In Kapitel 3 wird schließlich der experimentelle Aufbau für die Bereitstellung von C2− beschrieben. Dieser basiert auf einem sogenannten ”Supersonic Expansion Valve“, welches in Kombination mit einem ”Dielectric Barrier Discharge“ ein Gasgemisch aus Acetylen in einem noblen Trägergas ionisiert. Die produzierten Anionen werden anschließend beschleunigt und mittels eines Wien–Filters die gewünschte Masse ausgewählt. Der verwendete experimentelle Aufbau wird im Detail beschrieben (siehe Abbildung 3.1 für einen Überblick) und die gewonnenen Resultate präsentiert. Letztere inkludieren ein Massenspektrum, welches die erfolgreiche Produktion von Anionen mit einer Masse von 24 u zeigt, welche C2− entspricht. Im experimentellen Aufbau wurde ebenfalls eine Möglichkeit zur Spektroskopie der produzierten Anionen vorgesehen, welche auf die Photoneutralisation von angeregten Anionen ausgelegt ist. Zu diesem Zweck wurde ein optischer Resonator für die Überhöhung der Energiedichte eines 399nm Lasers gebaut, welcher gleichzeitig durchlässig für Licht mit einer Wellenlänge von 2.54μm ist, um die resonante Anregung der Anionen zu ermöglichen. Der optische Aufbau zur Stabilisierung des 399 nm Lasers auf den Resonator wird beschrieben (siehe Abbildung 3.6 für einen Überblick), gefolgt von einer Diskussion der experimentellen Resultate. Letztere inkludieren eine Bestimmung des Gütefaktors des Resonators auf F=(12800±700) und eine Überprüfung der Robustheit der Stabilisierung während des Betriebs der C2− Quelle. Zu guter Letzt findet in Kapitel 4 eine übergreifende Diskussion der besprochenen Inhalte statt und es wird ein Ausblick auf die zukünftig notwendige Arbeit gegeben.