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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-82961
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8296/


Experimental and numerical investigations on seeding options for the multi-beam line Free-Electron Laser facility FLASH

Experimentelle und numerische Untersuchungen von Seeding Optionen für die Mehrfach-Elektronenstrahl Freie-Elektronen Laseranlage FLASH

Ackermann, Sven

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Teilchenbeschleuniger , Freie-Elektronen-Laser , Fel , m2 , Strahlqualität , Physik , Synchrotronstrahlung , Undulator
Freie Schlagwörter (Englisch): HHG-Seeding , HGHG-Seeding , FEL-Multiplexing , FLASH , FLASH2
Basisklassifikation: 33.59 , 33.18 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Roßbach, Jörg (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.12.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 27.01.2017
Kurzfassung auf Englisch: Free-electron laser (FEL) facilities around the world provide scientists from many disciplines with the benefits of the ultra-short, transversely coherent and intense photon pulses with wavelength down to the Angström regime. Due to the large number of beam time requests facilities start to study options to provide more beam time. One recently extended FEL facilities is FLASH in Hamburg, which was equipped with a second undulator beam line. Sincemost FELs works as an amplifier for the spontaneous radiation, its stochasticbehaviour is imprinted on the photon pulses which means they show poor temporal coherence and large shot-to-shot fluctuations in wavelength, energy, and longitudinal pulse profile.

It has been shown that different seeding schemes can enhance the spectral, temporal and coherence properties of the emitted radiation as well as reducing the fluctuations in arrival time and output energy. One promising approach is direct High-Harmonic Generation (HHG) seeding, where an intense laser pulse with the desired wavelength, overcoming the power of the spontaneous radiation, is overlapped with the electron beam and works as the input signal for the FEL amplifier.

Another approach is High-Gain Harmonic Generation (HGHG) where the electrons get energy modulated by means of an NIR laser and an electromagnetic undulator. Later, this energy modulation in converted into a density modulation which enhances the harmonic content of the electron bunch at the desired wavelength, which is then preferred to be emitted.

In this thesis a summary of the scientific development towards modern FELs as well as their theoretical description is given. The influence of the beam quality on the FEL performance in a directly HHG seeded machine was studied as well was the possibility to use different undulator arrangements for the optimization of longitudinal position of the FEL source point. A method to convert electron beam distribution between different simulation codes is given and used for numerical studies on the initial modulation depth with respect to the seed laser beam quality. The first scientific results of the experimental demonstration of HHG and HGHG seeding at FLASH are presented as well as the results of the comissioning of FLASH2, the worlds first multiplexing FEL facility.
Kurzfassung auf Deutsch: Freie-Elektronen Laser (FEL) versorgen weltweit Wissenschaftler verschiedenster Fachrichtungen mit den Vorzügen extrem kurzer, transversal kohärenter und intensiver Photonenpulse mit Wellenlängen hinab bis in den ˚Angströmbereich. Wegen der hohen Zahl an Strahlzeitanfragen untersuchen einige Forschungszentren Möglichkeiten, mehr Strahlzeit zu generieren. Eine erst kürzlich erweiterte FEL-Anlage ist FLASH in Hamburg, welche mit einer zweiten Undulatorstrahlführung ausgestattet wurde. Da die meisten FELs als Verstärker fur die spontane Strahlung arbeiten, ist deren stochastischer Charakter auf die Photonenpulse aufgeprägt; das bedeutet dass diese geringe zeitliche Kohärenz und große Schuss-zu-Schuss Fluktuation in der Wellenlänge, Energie und longitudinalem Pulsprofil aufweisen.

Es wurde gezeigt dass verschiedene Seeding-Schemata sowohl die spektralen, temporalen und Kohärenzeigenschaften der abgestrahlten Strahlung verbessern als auch die Fluktuationen in der Ankunftszeit und Pulsenergie verringern können. Ein vielversprechender Ansatz ist das direkte ”HHG“-seeding, bei dem ein intensiver Laserpuls mit der gewünschten Wellenlänge und einer Leistung, die die der spontanen Strahlung übertrifft, mit dem Elektronenstrahl zum Überlapp gebracht wird und als Eingangssignal füur den FEL Verstärker dient.

Eine weitere Methode ist ”HGHG“, bei dem Elektronen mittels eines NIR-Laserpulses und eines elektromagnetischen Undulators eine Energiemodulation erfahren. Später wird diese Energiemodulation in eine Dichtemodulation konvertiert, welche den Harmonischengehalt auf der ausgewählten Wellenlänge erhöht, welche dann bevorzugt emittiert wird.

In dieser Dissertation wird die wissenschaftliche Entwicklung hin zu modernen FELs und ihre theoretische Beschreibung dargelegt. Der Einfluss der Strahlqualität auf die Leistung eines direkt HHG-geseedeten FELs wurde studiert, zusammen mit der Möglichkeit, unterschiedliche Undulatoranordnungen zu benutzen um die longitudinale Position des FEL Quellpunktes zu optimieren. Eine Methode die Elektronenstrahlverteilung zwischen verschiedenen Simulationscodes zu konvertieren wird gezeigt und genutzt um numerische Studien uber den Einfluss der Seedlaser Strahlqualität auf die initiale Modulationsamplitude durchzuführen. Erste wissenschaftliche Ergebnisse aus der experimentellen Demonstration von HHG und HGHG Seeding bei FLASH werden ebenso präsentiert wie die Ergebnisse der Inbetriebnahme von FLASH2, der weltweit ersten FEL-Anlage, die mehrere FELs mit einem Linearbeschleuniger zeitgleich betreiben kann.

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