Experimental Characterization of the Photocathode Laser System for Advanced 3D Pulse Shaping at PITZ

Abstract

Light is one of the most versatile tools in an experimenter’s toolbox and has been used to investigate the natural world since the invention of the lens and as new techniques, sources, and materials have been developed. One of the biggest turning points was the development of a brilliant, coherent, light source: the laser. This simple device revealed predicted but hitherto unprovable science before the availability of such an intense light source. Since then this versatile tool has enabled and opened up numerous avenues of research and development of communication networks, computer processors, medical manufacturing and treatments, drug research, basic commerce, and much more. However, despite its flexibility a conventional laser system is limited by its material constraints. The crystals, glasses, and optical elements used in modern, ultrafast, high power lasers can only endure a finite amount of energy flux before damage sets in. Furthermore, the spectral range is limited by the most fundamental of material properties: absorption. Extending the operational range further and further into the ultraviolet (UV) wavelengths and beyond is difficult with the increasing number of exotic technical requirements. Modern Free Electron Lasers (FEL) circumvent these constraints on the generation and propagation of extreme light pulses by simply not having any material. Instead coherent, ultrashort light pulses are generated by exploiting relativistic electron bunches generated in an accelerator. By utilizing periodically alternating magnetic fields and spontaneous light generation Self Amplifcation by Stimulated Emision (SASE) can be induced and a brilliant, coherent laser pulse in the deep UV, soft X-ray, and beyond can be produced. In effect a laser system without an optical cavity- without materials. This approach permits unparalleled tunability and flexibility of the laser pulse properties as the repetition rate, duty cycle, duration, wavelength, intensity and coherence can all be dynamically modified. For modern, linear, electron accelerators and light sources such as the Free Electron Laser in Hamburg (FLASH) and the European XFEL the entire foundation of this process is the photoinjector and the conventional laser system used to drive photoelectron production within it. Fundamentally, the properties of the electron bunches determine the quality of lasing. The size, charge, duration, distribution and subsequently the emittance (the volume the bunches take in phasespace) all play a role and are determined by the photoinjector and primarily by the laser pulse properties. The Photo Injector Test Facility at DESY, Zeuthen (PITZ) was founded to pioneer new technologies and concepts to improve and characterize photoinjectors and subsequently help push the limits and capabilities of FELs. As such it is uniquely situated to test and develop new photocathode drive lasers. In this work the feasibility and application of a new method to produce volumetrically shaped photocathode laser pulses, and subsequently shaped electron bunches, at PITZ is detailed and demonstrated. First, the basic theory, and numerical simulations of laser pulses shaped by directly accessing their spectral domain and modifying it with Spatial Light Modulators, and the potential advantages of the shaped electron bunches are shown. Furthermore, shaped electron bunches arising from shaped photocathode laser pulses are demonstrated and utilized to improve photoelectron bunch properties. Finally, lessons, designs, and preliminary results of an improved laser system are shown.

Seit Erfindung der optischen Linse und vorangetrieben durch die kontinuierliche Entwicklung neuer Methoden, Quellen und Materialien ist Licht eines der mächtigsten Werkzeuge der experimentellen Physik. Einer der größten Meilensteine dieser Entwicklung war die Erfindung des Lasers, einer kohärenten und brillianten Lichtquelle. Der Laser hat die Erforschung von vorhergesagten Phänomenen ermöglicht, die Experimenten vor seiner Entdeckung unzugänglich waren. Seitdem hat dieses vielseitige Werkzeug der Forschung und Entwicklung vielfältige Wege eröffnet: Kommunikationsnetzwerke, Mikroprozessoren, Medizinprodukte, medizinische Behandlungen, Pharmazie, kommerzieller Handel sowie viele weitere Aspekte unseres Lebens verlassen sich heute auf Lasertechnik. Nichtsdestotrotz sind die Möglichkeiten konventioneller Laser durch die Eigenschaften der verwendeten Materialien eingeschränkt. Kristalle, Gläser und andere optische Elemente, die in modernen Kurzpuls- und Hochleistungslasern Anwendung finden, können nur endliche Energieflüsse transportieren, bevor sie Schaden erleiden. Weiterhin wird der Spektralbereich des erzeugten Lichts durch Absorption der Materialien vor allem zu niedrigen Wellenlängen hin begrenzt. Tiefer und tiefer in den ultravioletten (UV) Bereich der Laserwellenlängen vorzustoßen hat so durch die Summe der komplexen technischen Ansprüche und Hürden die Grenzen der physikalischen Machbarkeit erreicht. Moderne Freie Elektronen Laser (FEL) umgehen diese Einschränkungen indem sie ohne die Verwendung von Materialien zur Lichterzeugung auskommt. Als Medium für die Erzeugung von kohärenten und ultrakurzen Lichtpulsen dienen stattdessen Pakete relativistischer Elektronen, die von Teilchenbeschleunigern bereitgestellt werden. Durch die Ablenkung dieser Pakete in periodisch wechselnden magnetischen Feldern wird anstelle reiner spontaner Emission von Synchrotronstrahlung sogenannte Selbstverstärkung durch stimulierte Emission (engl. Self Amplification by Stimulated Emission, SASE) hervorgerufen. Dies ermöglicht die Bereitstellung von Lichtpulsen mit Lasereigenschaften im kurzwelligen UV- und weichen Röntgen-Bereich bis hin zu noch kleineren Wellenlängen ohne die Verwendung eines optischen Resonators und damit ohne Materialeinschränkungen. Da Pulswiederholrate, Betriebszyklus, Pulsdauer, Wellenlänge und Kohärenz der erzeugten Lichtpulse vom verwendeten Elektronenstrahl abhängen bietet der FEL einzigartige Flexibilität in der Lichterzeugung. Die Grundlage zur Bereitstellung dieser Elektronenstrahlen in Lichtquellen wie dem Freie Elektronen Laser in Hamburg (FLASH) und dem europäischen Röntgenlaser (European XFEL) ist der Photoinjektor und das konventionelle Lasersystem, das darin zur Freisetzung der Elektronenpakete aus einer Photokathode mittels des Photoelektrischen Effekts dient. Eigenschaften wie Größe, Ladung, Dauer und das Volumen, das die Elektronenpakete im Phasenraum einnehmen – die sogenannte Emittanz – sind maßgeblich für die Lichterzeugung im FEL und hängen direkt von den Eigenschaften des Photoinjektors und insbesondere von den Photokathodenlaserpulsen ab. Der Photoinjektor Teststand am DESY in Zeuthen (PITZ) wurde errichtet um neue Technologien und Methoden zur Verbesserung von Photoinjektoren zu erfoschen und damit die Leistungsfähigkeit und Möglichkeiten von FELs zu erweitern. Die Anlage bietet daher einmalige Voraussetzungen für die Entwicklung und experimentelle Erprobung von neuen Photokathodenlasersystemen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Machbarkeit und experimentelle Umsetzung eines neuartigen Konzepts zur dreidimensionalen Formung von Photokathodenlaserpulsen – und folglich der damit erzeugten Elektronenpakete – bei PITZ beschrieben und demonstriert. Dazu werden zunächst die Vorteile von ellipsoidförmigen Elektronenpaketen und die theoretischen Grundlagen und numerische Simulationen der Erzeugung dreidimensional geformter Laserpulse durch direkte Manipulation ihrer Spektralverteilung mit sogenannten räumlichen Lichtmodulatoren (engl. Spatial Light Modulators, SLMs) beschrieben. Weiterhin werden die Erzeugung von dreidimensional geformten Elektronenpaketen mit Hilfe dieser Laserpulse und die dadurch erreichte Optimierung der Eigenschaften des Elektronenstrahls experimentell gezeigt. Schließlich werden Lehren aus den experimentellen Ergebnissen mit dem verwendeten Lasersystem gezogen und der Aufbau und vorläufige Ergebnisse eines neuen, verbesserten Lasersystems vorgestellt.