Design and Commissioning of an XUV and Soft X-Ray FEL Pulse Shaper

Abstract

In the course of the present experimental PhD work the first extreme ultraviolet (XUV) and soft x-ray pulse shaper relying on reflective optics has been developed. Its use will allow arbitrary control on the time-frequency spectrum of femtosecond pulses generated by seeded free-electron lasers (FEL) and high-harmonic generation (HHG) sources. The device is based on the geometry of a 4f grating compressor. It has been applied to shorter wavelengths through the use of grazing incidence optics operated under ultra-high vacuum conditions. The design blaze angle and line density of the gratings allow the manipulation of all the different harmonics typical of high-gain harmonic generation (HGHG) and echo-enabled harmonic generation (EEHG) FELs, as well as of HHG sources, without the need of realignment of the instrument and even simultaneously in multi-color experiments. Furthermore, the diagnostics necessary for commissioning of the pulse shaper have been realized, including an UV-IR cross-correlator for initial studies using 266nm femtosecond pulses. HGHG seeding at FLASH and temporal characterization of the amplified XUV and soft x-rays by means of THz streaking has been achieved with important contributions by the author of this thesis. These longitudinally fully coherent FEL pulses are well-suited for future shaping applications. A successful proof-of-principle pulse shaping experiment using 266nm light has been performed, demonstrating spectral phase-control on femtosecond UV pulses.

Im Zuge der vorliegenden experimentellen Doktorarbeit wurde der erste Pulsformer für extrem ultraviolette (XUV) und weiche Röntgenstrahlen entwickelt, der ausschließlich auf reflektierende Optik setzt. Seine Nutzung wird die beliebige Steuerung des Zeit-Frequenz-Spektrums der Femtosekundenpulse ermöglichen, die von seeded Freie-Elektronen-Lasern (FEL) und Hohe-Harmonischen Quellen (high harmonic generation, HHG) generiert werden. Das Gerät basiert auf der Geometrie eines 4f Gitterkompressors. Der Einsatz für kürzere Wellenlängen wird durch die Verwendung von Optiken unter streifendem Einfall im Ultrahochvakuum ermöglicht. Die Blazewinkel und Liniendichte der Gitter wurden so ausgewählt, dass die Manipulation aller verschiedenen Harmonischen für high-gain harmonic generation (HGHG) und echo-enabled harmonic generation (EEHG) FELs sowie für HHG Quellen ermöglicht wird, ohne eine Neujustage des Instruments zu erfordern, und erlaubt sogar die gleichzeitige Nutzung mehrerer Harmonischer in Mehrfarben-Experimenten. Ferner wurden Diagnosegeräte entworfen, die für die Inbetriebnahme des Pulsformers nötig sind, inklusive eines UV-IR Cross-Korrelators für die ersten Versuchen mit 266nm Femtosekundenpulsen. HGHG Seeding bei FLASH und die zeitliche Charakterisierung der verstärkten XUV- und weichen Röntgenstrahlen mittels THz Streaking wurde mit wichtigen Beiträgen des Autors dieser Doktorarbeit erreicht. Diese longitudinal vollständig kohärenten FEL-Impulse sind für zukünftige Experimente mit geformten Pulsen gut geeignet. Ein Nachweis der Funktionalität des Pulsformers wurde unter Nutzung von 266nm Licht erfolgreich erbracht, indem die spektrale Phasensteuerung an Femtosekunden-UV-Pulsen demonstriertet wurde.