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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-80576
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/8057/


Time resolved photoelectron spectroscopy for femtosecond characterization of X-ray free-electron laser pulses

Zeitaufgelöste Photoelektronen-Spektroskopie zur femtosekunden Charakterisierung von Röntgen-Pulsen eines Freie-Elektronen Lasers

Grguraš, Ivanka

pdf-Format:
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Basisklassifikation: 33.38 , 33.29 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Cavalieri, Adrian L. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.11.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 01.11.2016
Kurzfassung auf Englisch: Over the last 20 years, enormous effort has been invested in the development and
construction of free-electron laser (FEL) sources that emit light pulses tunable from the
extreme ultraviolet (XUV) to the X-ray range. These efforts were driven by the predicted
high brightness, femtosecond pulse duration and spatial coherence of the emitted radiation.
The large number of photons within an ultrashort time, along with the high spatial
resolution available at X-ray FELs operating today, offers unique possibilities to decipher
unexplored regimes in various disciplines of natural sciences. Yet, the precise measurement
of the temporal profile, duration, spectral phase and arrival time of the X-ray pulses
represents a major challenge.
In this work, the concept of streaking photoelectron spectroscopy was adapted to
precisely measure the temporal properties of the FEL pulses. This concept has originally
served to resolve the temporal properties of coherent XUV attosecond pulses generated as
higher harmonics from ultrashort near-infrared laser pulses in rare gases. The method is
based upon overlapping the XUV pulses with a synchronized long-wavelength laser field –
the streaking field – in a noble gas target. The kinetic energy of photoelectrons, released
from the ionization of the noble gas by the XUV pulse, is changed according to the
instantaneous vector potential of the overlapping streaking field, resulting in a modified
photoelectron spectrum that mimics the XUV pulses’ temporal profile in momentum space.
Measurement of the laser-field induced modifications to the photoelectron spectrum, with
properly chosen laser field parameters, allows for the reconstruction of the temporal
properties of the ionizing pulse.
This thesis reports the successful characterization of FEL X-ray pulses using singlecycle
terahertz pulses as the streaking field. Using this scheme, we were able to measure the
FEL pulse arrival time and temporal profile simultaneously on a single-shot basis. Precise
knowledge of these pulse properties will give rise to time-resolved studies of light-matter
interactions on an unprecedented ultrafast time scale with atomic resolution. In addition, it
will facilitate better understanding and control of the FEL operation and thus advance new
developments of even more powerful light sources for extended research opportunities.
Kurzfassung auf Deutsch: Im Laufe der letzten 20 Jahre wurden große Anstrengungen in der Entwicklung und dem
Aufbau von Freien-Elektronen-Laser (FEL) Quellen unternommen, die Lichtpulse in einem
breiten Spektralbereich vom extremen Ultraviolett (XUV) bis zum Röntgenbereich
emittieren. Diese Anstrengungen wurden durch die vorausgesagte hohe Brillanz, die
Femtosekunden-Pulsdauer und räumliche Kohärenz der ausgesendeten Strahlung motiviert.
Die große Anzahl an Photonen innerhalb kürzester Zeit in Kombination mit der hohen
räumlichen Auflösung der Röntgen-FELs, bieten einzigartige Möglichkeiten um unerforschte
Gebiete in verschiedenen Disziplinen der Naturwissenschaften zu erkunden. Eine große
Herausforderung stellt jedoch bis heute die präzise Messung des zeitlichen Profils, der
spektralen Phase und der Ankunftszeit der Röntgenpulse dar.
In dieser Arbeit wurde das Verfahren der „Photoelektronen-Streaking-Spektroskopie“
weiterentwickelt, um die zeitlichen Eigenschaften der FEL-Pulse zu bestimmen. Diese
Methode wurde ursprünglich für die zeitliche Charakterisierung von kohärenten XUV
Attosekunden-Pulsen, welche als höhere Harmonische von ultrakurzen nah-infraroten
Laserpulsen generiert werden, entwickelt. Dieses Konzept basiert auf der Überlagerung der
ultrakurzen XUV Pulse mit einem synchronisierten langwelligen Laserfeld – dem Streaking-
Feld – in einem Edelgas. Die kinetische Energie der Photoelektronen, die durch die
Ionisation des Edelgases mittels der XUV-Pulse freigesetzt werden, wird entsprechend dem
momentanen Vektorpotential des zeitlich überlappenden Streaking-Pulses geändert; mit
der Folge, dass ebenfalls das Photoelektronenspektrum moduliert wird. Dementsprechend
repräsentiert das Photoelektronenspektrum die zeitliche Struktur des zu
charakterisierenden XUV-Pulses im Impulsraum. Daher, lassen Messung dieser Laserinduzierten Modulationen mit geeigneten Laserfeld-Parametern auf die zeitlichen Eigenschaften des ionisierenden Pulses rückschließen.
In dieser Arbeit wird die erfolgreiche Charakterisierung von FEL Röntgenpulsen mittels
Terahertz-Pulsen, bestehend aus einem einzigen optischen Zyklus, als Streaking-Feld
vorgestellt. Mit diesem Verfahren konnten wir die Ankunftszeit und die Pulsstruktur
simultan und im Einzelschussmodus messen. Genaue Kenntnisse dieser Pulseigenschaften
ebnen den Weg zur Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie mit
einer beispiellosen zeitlichen und räumlichen Auflösung. Außerdem wird dieses Wissen ein
besseres Verständnis und eine bessere Kontrolle des FEL-Betriebs ermöglichen und damit
Neuentwicklungen leistungsstärkerer Lichtquellen für erweiterte Forschungsmöglichkeiten
vorantreiben.

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