Pulse Metrology Tool and Burst-Mode Laser Amplifier for the Free-Electron Laser in Hamburg

Abstract

The full scientific potential of high repetition rate free-electron lasers is still not exploited. The attainable resolution of time-resolved experiments is limited by fluctuating temporal pulse properties due to the self-amplified spontaneous emission process. To overcome this limitation, the temporal characterization of free-electron laser pulses was improved by the development of a single-shot temporal pulse metrology tool, based on a solid-state cross-correlation technique. The method is based on probing the optical transmission change of a transparent solid material pumped by a free-electron laser pulse. A comprehensive theoretical model allows the reconstruction of the free-electron laser pulse structure. Pulse duration measurements were performed at the Free-Electron Laser in Hamburg, FLASH, yielding 184 fs at 41.5 nm wavelength and sub-40 fs at 5.5 nm. Online measurements during a running experiment are possible with a residual soft-X-ray transmission of 10–45%. A resolution of sub-10 fs can be attained, provided that sufficiently short optical probe pulses are available. Achieving the full performance of high repetition rate free-electron lasers, such as FLASH, requires also optical laser systems with a high repetition rate. A novel burst-mode optical parametric chirped-pulse amplifier is being developed for high-resolution pump-probe experiments and seeding of FLASH at its full repetition rate of 100 kHz–1 MHz. In this work, a first prototype was tested, delivering 1.4 mJ pulse energy and a spectral bandwidth supporting sub-7 fs pulse duration at 27.5 kHz intra-burst repetition rate. A passive pump-to-signal synchronization method was developed for long-term stability with sub-7 fs root mean square jitter between pump and signal pulses. The developed amplifier technology is scalable to high average powers for the future generation of kilowatt-pumped ultrashort laser amplifiers.

Das Potential moderner Freie-Elektronenlaser im Röntgenbereich ist noch nicht voll ausgeschöpft, da starke Schwankungen der zeitlichen Pulseigenschaften die erreichbare Auflösung in zeitaufgelösten Experimenten limitieren. Um die Auflösung zu verbessern, wurde eine Einzelschuss-Röntgenpulsdiagnostik entwickelt, basierend auf dem Prinzip eines Plasmaschalters. Durch Abtasten der optischen Transmission einer mit dem Röntgenpuls angeregten Probe wurde eine Kreuzkorrelation zwischen einem optischen Laserpuls und dem Röntgenpuls gemessen. Ein theoretisches Modell zur Beschreibung der Ionisationsdynamik und der damit verbundenen optischen Transmissionseigenschaften wurde entwickelt und zur Rekonstruktion des Röntgenpulses verwendet. Pulsdauermessungen, welche am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg, FLASH, durchgeführt wurden, ergaben eine Pulsdauer von 184 fs bei einer Wellenlänge von 41.5 nm sowie < 40fs bei 5.5 nm. Da bei sehr dünnen Proben eine Resttransmission weicher Röntgenstrahlung von 10–45% zu erwarten ist, ist eine gleichzeitige Pulsdiagnostik während eines laufenden Experimentes möglich. Die theoretisch erreichbare Auflösung des Messverfahrens beträgt < 10fs, wenn ein vergleichbar kurzer optischer Laserpuls zur Abtastung verwendet wird. Freie-Elektronenlaser mit hohen Repetitionsraten profitieren in besonderem Maße von optischen Lasern mit hohen Repetitionsraten, da bei zeitaufgelösten Anregungs-Abfrage-Experimenten für jeden Röntgenpuls ein optischer Puls zur Verfügung stehen muss. Ein entsprechender Hochleistungslaser wird für FLASH entwickelt, basierend auf optisch-parametrischer Breitbandverstärkung. Dieser soll sowohl für die Femtosekundenspektroskopie in der Experimentierhalle, als auch für das Seeding bei Repetitionsraten von 100 kHz–1MHz eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein erster Prototyp aufgebaut und getestet. Dieser lieferte 1.4 mJ Pulsenergie bei einer spektralen Bandbreite, welche Pulsdauern < 7fs unterstützt. Die Repetitionsrate innerhalb eines Pulszuges betrug 27.5 kHz. Für die Verbesserung der Langzeitstabilität wurde ein passives Synchronisationskonzept für Pump- und Signalpulse entwickelt. Dabei wurde ein Synchronisationsjitter < 7fs im quadratischen Mittel erreicht. Diese zukunftsweisende Verstärkertechnologie ist theoretisch auf hohe mittlere Ausgangsleistungen von mehreren einhundert Watt skalierbar.