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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-85229
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8522/


Large-Scale Laser-Microwave Synchronization for Attosecond Photon Science Facilities

Großraum Laser-Mikrowellen-Synchronisierung für Attosekunden-Photon-Forschungseinrichtungen

Shafak, Kemal

Originalveröffentlichung: (2017) DESY-THESIS-2017-015 mit ISSN 1435-8085
pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (13.563 KB) 


SWD-Schlagwörter: Metrologie , Laser , Rauschen , Faser , Freie-Elektronen-Laser , Synchronisierung , Genauigkeit , Takt
Freie Schlagwörter (Englisch): Zeitverteilungssystem , Attosekundenwissenschaft
Basisklassifikation: 33.38 , 33.18 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kärtner, Franz (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.03.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 29.05.2017
Kurzfassung auf Englisch: Low-noise transfer of time and frequency standards over large distances provides high temporal resolution for ambitious scientific explorations such as sensitive imaging of astronomical objects using multi-telescope arrays, comparison of distant optical clocks or gravitational-wave detection using large laser interferometers. In particular, rapidly expanding photon science facilities such as X-ray free-electron lasers (FELs) and attoscience centers have the most challenging synchronization requirements of sub-fs timing precision to generate ultrashort X-ray pulses for the benefit of creating super-microscopes with sub-atomic spatiotemporal resolution. The critical task in these facilities is to synchronize various pulsed lasers and microwave sources across multi-kilometer distances as required for seeded FELs and attosecond pump-probe experiments. So far, there has been no timing distribution system meeting this strict requirement. Therefore, insufficient temporal precision provided by the current synchronization systems hinders the development of attosecond hard X-ray photon science facilities.
The aim of this thesis is to devise a timing distribution system satisfying the most challenging synchronization requirements in science mandated by the next-generation photon science facilities. Using the pulsed-optical timing distribution approach, attosecond timing precision is realized by thoroughly investigating and eliminating the remaining noise sources in the synchronization system. First, optical and microwave timing detection schemes are further developed to support long-term stable, attosecond-precision measurements. Second, the feasibility of the master laser to support a kilometer-scale timing network with attosecond precision is examined by experimentally characterizing its free-running timing jitter and improving its long-term frequency stability with a sophisticated environmental insulation. Third, nonlinear pulse propagation inside optical fibers is studied both experimentally and numerically. The outcomes of the experimental and numerical analysis provide fundamental guidelines to minimize high- and low-frequency noise sources in the system. With these key developments in the link stabilization, a 4.7-km fiber link network is realized with a total timing jitter of 580 as RMS measured from 1 μs to 52 h. Efficient synchronization of slave mode-locked lasers and slave microwave oscillators to the fiber link network is realized and further optimized with the help of a comprehensive feedback loop analysis. Ultimately, a complete laser-microwave network incorporating two mode-locked lasers and one microwave source is demonstrated with total 950-as timing jitter integrated from 1 μs to 18 h. This work paves the way to unfold the full potential of next-generation attosecond photon science facilities, thereby to revolutionize many research fields from structural biology to material science and from chemistry to fundamental physics.
Kurzfassung auf Deutsch: Die rauscharme Übertragung von Zeit- und Frequenzstandards über große Distanzen hinweg ermöglicht eine hohe zeitliche Auflösung für anspruchsvolle wissenschaftliche Untersuchungen. Zu diesen zählen beispielsweise die empfindliche Bildgebung von astronomischen Objekten mit Multi-Teleskop-Arrays, der Vergleich von entfernten optischen Uhren oder die Detektion von Gravitationswellen mit Hilfe von großen Laser-Interferometern. Insbesondere die sich technologisch schnell entwickelnden Photon-Forschungseinrichtungen, wie Röntgen-Freie-Elektronen-Laser und Forschungszentren für die Attosekundenwissenschaft, haben herausfordernde Synchronisationsanforderungen. Eine zeitliche Präzision unterhalb einer Femtosekunde wird benötigt, um Super-Mikroskope von ultrakurzen Röntgenpulsen mit subatomarer Raum-Zeit-Auflösung zu realisieren. Die kritische Aufgabe ist die Synchronisierung von verschiedenen gepulsten Lasern und Mikrowellenquellen über Kilometer entfernte Distanzen, wie dies für seeded FELs und Attosekunden-Pump-Probe-Experimente erforderlich ist. Bisher gibt es kein Zeitverteilungssystem, das diese strengen Anforderungen erfüllen kann. Die derzeit ungenügende zeitliche Präzision der Synchronisationssysteme stellt ein großes Hindernis für die Forschung mit kohärenten Attosekunden-Pulsen im harten Röntgen-Spektralbereich dar.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Zeitverteilungssystems, das die anspruchsvollsten Synchronisationsanforderungen in der Wissenschaft für die nächste Generation der Photon-Forschungseinrichtungen erfüllen kann. Mit einer Zeitverteilungsmethode, die auf Lichtpulsen beruht, wird eine Attosekunden-Zeitgenauigkeit realisiert. Dies wird durch die gründliche Untersuchung der Rauschquellen im System und der gezielten Rauschunterdrückung ermöglicht. Zuerst werden optische und Mikrowellen-Zeiterfassungstechniken weiterentwickelt, um eine langfristige Attosekundenpräzision zu ermöglichen. Weiterhin wird der Master-Laseroszillator hinsichtlich seiner Eignung für ein kilometerlanges Zeitverteilungsnetzwerk mit Attosekundenpräzision durch Charakterisierung seines inhärenten Jitter untersucht. Seine langfristige Frequenzstabilität wird mit einer elaborierten Isolierung gegenüber Umgebungsstör-einflüssen verbessert und getestet. Dann wird die nichtlineare Pulsausbreitung in den Glasfasern sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Die Ergebnisse der experimentellen und numerischen Analyse liefern grundlegende Erkenntnisse zur Minimierung der Hoch- und Niederfrequenz-Rauschquellen im System. Basierend auf diesen wichtigen Entwicklungen in der Glasfaser-Link-Stabilisierung wird ein 4,7-km langes Faser-Link-Netzwerk realisiert, bei dem über einen Zeitraum von 1 μs bis 52 h ein gesamter Jitter von 580 as RMS gemessen wird. Die effiziente Synchronisation der gepulsten Slave-Laser und Slave-Mikrowellen-Oszillatoren auf ein Glasfaser-Netzwerk wird zuerst realisiert und dann mit Hilfe einer umfassenden Analyse der Feedback-Schleife weiter optimiert. Letztlich wird ein komplettes Laser-Mikrowellen-Netzwerk demonstriert, das zwei modengekoppelte Laser und eine Mikrowellenquelle enthält. Insgesamt wird für dieses Netzwerk nur 950-as Jitter von 1 μs bis 18 h gemessen. Diese Arbeit eröffnet damit die Möglichkeit, das volle Potenzial der nächsten Generation der Attosekunden-Photon-Forschungseinrichtungen auszuschöpfen und somit zahlreiche Forschungsgebiete von der Strukturbiologie bis zu den Materialwissenschaften und von der Chemie bis zur Grundlagenphysik zu revolutionieren.

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