Beam Transport for a Laser-Plasma Driven Free-Electron Laser at the LUX Experiment

Abstract

Free-electron lasers (FELs) require high-quality electron beams with low energy spread, small emittance, and high peak current to enable coherent amplification of light. Laser-plasma accelerators (LPAs) could offer compact and cost-efficient drivers for FELs. However, the electron beams from state-of-the-art LPAs do not yet meet all FEL beam quality requirements simultaneously as they exit the plasma. Percent-level energy spread, micrometer-scale normalized emittance, and shot-to-shot fluctuations in beam quality pose significant challenges for FEL operation. In this thesis, a dedicated 25 m-long beamline was designed, constructed, and commissioned to demonstrate free-electron lasing at the LUX laser-plasma accelerator. The combination of decompression and chromatic focusing of the electron beams reduces the effective slice energy spread and removes limitations by the beam emittance. Applying both schemes increases the gain in a two meter short ideal undulator from a factor of 5 to a factor of 100 over the spontaneous undulator radiation. FEL simulations with the unaveraged code Puffin, suited for ultrashort beams and complex phase-spaces, extended for measured field profiles, predict a factor of 25 in gain in the experiment. Spectrally resolved detection of the FEL pulses increases the contrast by another order of magnitude, which should provide sufficient FEL signal for first lasing experiments at LUX. Beyond numerical validation, experiments were carried out to characterize and refine the beam transport from the plasma-source to the undulator. This included precise quadrupole positioning, determination and correction of strength errors, and undulator alignment to ensure an optimal beam trajectory and matching. These measures provide the necessary beam properties required for future FEL operation at LUX and establish a foundation for exploring compact, plasma-based light sources.

Freie-Elektronen-Laser (FELs) benötigen Elektronenstrahlen hoher Qualität mit geringer Energiebreite, geringer Emittanz und hohen Spitzenströmen. Zukünftig könnten diese durch kompakte und kosteneffiziente Laser-Plasma-Beschleuniger (LPAs) angetrieben werden. Die Stabilität und Qualität der im Plasma erzeugten Strahlen sind mit Energiebreiten im Prozentbereich und gleichzeitigen Emittanzen von Mikrometern nicht ohne weitere Strahlmanipulation zum Treiben eines FELs geeignet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine 25m lange Elektronen-Beamline am LUX-Experiment mit dem Ziel der Demonstration eines Plasma-getriebenen FELs entworfen, gebaut und charakterisiert. Die gleichzeitige Verwendung einer Dekompressionsschikane und einer chromatischen Fokussierung in den Undulator reduziert den Slice-Energyspread und erlaubt eine konstante effektive Strahlgröße unterhalb der Emittanzgrenze entlang eines zwei Meter kurzen Undulators. Im Idealfall kann diese Kombination die Verstärkung des Lichtfelds von einem Faktor 5 auf einen Faktor 100 im Vergleich zur spontanen Undulatorstrahlung erhöhen. Realistische Simulationen mit Puffin, einem FEL code, der komplexe Strahleigenschaften erlaubt und um die Fähigkeit erweitert wurde, gemessene Felddaten zu verwenden, versprechen eine Verstärkung um den Faktor 25. Der Kontrast zur spontanen Strahlung kann um einen weiteren Faktor 10 erhöht werden, wenn die Messung der FEL Pulse spektral aufgelöst wird. Dies sollte genügend Signal für erste FEL-Experimente bei LUX liefern. Zusätzlich wurden Experimente durchgeführt, um die Elektronen-Beamline feinzujustieren. Die Quadrupol-Magnete wurden zur Elektronenstrahlachse ausgerichtet, ihre Fokussierstärke kalibriert, der Undulator justiert und automatische Strahllagekorrekturen implementiert. Diese Maßnahmen sollten zukünftige FEL-Experimente bei LUX ermöglichen.