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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-87762
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8776/


Measurements and Detailed Analysis of Seeded High-Gain Free-Electron Lasers at FLASH

Messungen und detaillierte Analyse von geseedeten stark verstärkenden Freie-Elektronen-Laser bei FLASH

Plath, Tim

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SWD-Schlagwörter: Physik , Elektron , Laser , Synchrotronstrahlung , Freie-Elektronen-Laser , Kohärenz , Emittanz , Teilchenstrahl
Freie Schlagwörter (Deutsch): Seeding , HGHG , FLASH , Self-Seeding
Freie Schlagwörter (Englisch): Seeding , HGHG , FLASH , Self-Seeding
Basisklassifikation: 33.56
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Rossbach, Jörg (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.10.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 18.10.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Single-pass high-gain free-electron lasers (FELs) are unique photon sources in the ultraviolet and x-ray spectral range which provide ultra-short pulses with unmatched brilliance. They are used by scientists of a wide variety of natural sciences. When starting from noise the longitudinal coherence properties of these pulses are limited. Providing a coherent input signal and, thus, seeding the FEL process allows to improve these properties and generate spectra which are comprised of a single peak.
The sFLASH experiment at FLASH is dedicated to the study of phase-space manipulating seeding techniques where the interaction of a seed laser and the electron beam is used to generate Fourier components in the current profile that start the FEL process. The High-Gain Harmonic Generation process at sFLASH at 38nm (the 7th harmonic of the seed laser wavelength) has been thoroughly characterized and studied with available numerical simulation tools. The unique hardware arrangement at sFLASH enables the reconstruction of the pulse power profiles from the longitudinal phase space distribution of the electron bunch on a femtosecond scale. The same measurements can be used to estimate slice properties of the electron bunch and predict the seeded performance for different longitudinal laser-electron timings. This femtosecond characterization of the electron bunch supports a more reliable operation of soft x-ray seeded FEL facilities.
The experience gained from the sFLASH experiment and the benchmark of the used simulation tools facilitate the discussion of two design proposals for a seeded user facility at the FLASH2 undulator beamline. One upgrade option discussed is self-seeding where the output of a first undulator FEL stage traverses a monochromator and is used to directly seed a second stage. The second upgrade option studied aims to implement a seeding scheme similar to the sFLASH experiment at FLASH1. After the analysis of both options a brief discussion on benefits and drawbacks of both schemes is given.
Kurzfassung auf Englisch: Stark verstärkende Freie-Elektronen-Laser (FELs) sind einzigartige Lichtquellen, die ultrakurze Photonenpulse mit unerreichter Brillianz im ultravioletten bis harten Röntgenbereich erzeugen. Sie werden von Wissenschaftlern aus einer Vielzahl verschiedener Naturwissenschaften genutzt.
Startet der FEL-Verstärkungsprozess aus dem Rauschen der Elektronenverteilung, so sind die erzeugten Lichtpulse nur begrenzt longitudinal kohärent. Wird dem FEL-Prozess jedoch beim sogenannten Seeding ein kohärentes Eingangssignal vorgegeben, kann die longitudinale Kohärenz des Lichtpulses kontrolliert werden. Die Einzelschussspektren dieser Pulse zeigen dann nur noch ein zentrales gaussförmiges Maximum.
Am experimentellen Testaufbau sFLASH, installiert an der FEL-Nutzeranlage FLASH bei DESY, werden phasenraummanipulierende Seeding-Methoden erforscht. Diese Methoden nutzen die Interaktion eines externen Seed-Lasers mit einem ultra-relativistischen Elektronenstrahl, um scharfe Spitzen im Stromprofil der Elektronen zu erzeugen, die den FEL-Prozess starten. In dieser Arbeit wird der Seeding-Prozess bei einer Abstrahlungswellenlänge von 38nm (der siebten Harmonischen der Seed-Laser-Wellenlänge) charakterisiert und mit numerischen Simulationsprogrammen untersucht. Die einzigartige Anordnung des experimentlellen Aufbaus bei sFLASH ermöglicht eine zeitaufgelöste Rekonstruktion der Leistungsprofile der Photonenpulse. Dies geschieht durch die Analyse der mit einer Auflösung von einigen Femtosekunden gemessenen longitudinalen Phasenraumverteilung der Elektronpakete. Zusätzlich könmen aus diesen Messungen Zeitprofile der Eigenschaften des Elektronenpaketes abgeleitet werden. Dies erlaubt die Effizienz des geseedeten FEL-Prozesses für verschiedene Laser-Elektronen-Zeitabstimmungen vorauszusagen. Diese Charakterisierung auf der Femtosekundenskala ermöglicht einen zuverlässigeren Betrieb von geseedeten FEL-Anlagen im weichen Röntgenbereich.
Auf Basis der im sFLASH-Experiment gewonnenen Erfahrung werden zwei Vorschläge für eine geseedete Undulator-Strecke im Nutzerbetrieb bei FLASH2 diskutiert. Eine dieser Optionen ist das sogenannte Self-Seeding. Hier wird das Licht eines ersten Undulators durch einen Monochromator in seiner Bandbreite eingeschränkt, um anschließend den FEL-Prozess in einer folgenden Undulator-Strahlführung direkt zu seeden. Die zweite Erweiterungsoption, die untersucht wurde, zielt darauf ab, ein Seeding-Schema zu implementieren, welches dem bei sFLASH sehr ähnlich ist. Nach der Analyse beider Optionen
folgt eine kurze Diskussion um die Vor- und Nachteile beider Schemata.

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