Free electron laser pulse characterization by THz streaking

Abstract

The goal of this dissertation was to investigate a reliable single-shot pulse duration diagnostic tool for the pulse duration and wavelength range delivered at the Free Electron LAser of Hamburg (FLASH). At Self-Amplified-Spontaneous-Emission-based free-electron lasers (FELs), the radiation parameters - duration, arrival time, energy, spectrum, and spatial distribution - differ for each pulse. A dedicated single-shot diagnostic tool for each parameter is therefore essential in order to interpret the experimental data on a pulse-to-pulse basis.

This work summarizes the effort to realize a temporal diagnostic tool using the streaking technique by building a terahertz (THz) "streak camera". The setup was prepared and calibrated, and various pulse duration measurements with different experimental settings were performed in order to explore and validate the application range of the streaking method. The aspects limiting the temporal resolution using the commissioned streaking setup were characterized experimentally. The pulse duration measurements were analyzed using classical and quantum mechanical streaking theory models. Furthermore, a deep statistical study on the SASE fluctuations was realized using single-shot measurements of various radiation parameters. Scaling laws were derived using theoretical simulations and the measured data. This analysis enabled the intrinsic statistical SASE fluctuations to be disentangled from accelerator-based fluctuations and measurement uncertainties.

Exploiting the capabilities of the THz-streaking setup, fundamental atomic physics questions were also addressed.

Within this thesis, the Post-Collision Interaction (PCI) effect in THz-assisted Auger decay was studied for different noble gas atoms using a semi-classical analytical model. Moreover, a quantum-mechanical description was developed in order to enhance the current methods. Numerical simulations of Auger electron spectra in the presence of a THz field were performed using the semi-classical model for various experimental parameters, focusing on achievable experimental conditions at currently operational FELs and particularly at FLASH. The results revealed the optimal parameter range in which a measurable PCI effect can be expected and were used to prepare PCI experiments at FLASH2 using the THz streaking setup.

Ziel dieser Dissertation war es, ein zuverlässiges Einzelschuss-Diagnosewerkzeug für den Puls-dauer- und Wellenlängenbereich des Freien Elektronen-Lasers (FEL) in Hamburg (FLASH) zu entwickeln.

Die Strahlungsparameter, die von FELs mit selbstverstärkter Spontanemission (SASE) erzeugt werden, sind für jeden Licht-Puls unterschiedlich. Dauer, Ankunftszeit, Pulsenergie, spektrale und räumliche Verteilung ändern sich von Puls zu Puls. Daher kann eine Diagnose, die puls-aufgelöst die zeitlichen Charakteristik der FEL Pulse vermessen kann, einen wichtigen Beitrag zur genaueren Interpretation von Experimenten an FLASH liefern. Zu diesem Zweck wurde eine Terahertz (THz) "Streak-Kamera'' aufgebaut, die in dieser Arbeit vorgestellt wird.

Der Aufbau wurde vorbereitet, kalibriert, und es wurden verschiedene Pulsdauermessungen mit unterschiedlichen experimentellen Parametern durchgeführt, um den Anwendungsbereich der Methode zu erkunden und zu validieren. Durch die Analyse der gewonnenen Daten wurden die Grenzen der zeitliche Auflösung dieses Streaking-Aufbaus untersucht. Die Messungen wurden mit klassischen sowie quantenmechanischen Methoden analysiert. Darüber hinaus wurde eine eingehende statistische Untersuchung der SASE-Fluktuationen anhand von Single-Shot-Messungen verschiedener Strahlungsparameter durchgeführt. Anhand von Simulationen und gemessenen Daten wurden Skalierungsgesetze abgeleitet. Diese Analyse ermöglichte es, die impliziten statistischen SASE-Fluktuationen von beschleunigerbedingten Fluktuationen und Messunsicherheiten zu separieren.

Weiterhin ermöglicht THz-Streaking eine Vielzahl von Pump-Probe-Photoelektronenspektro-skopie Experimenten.

Als Beitrag zu grundlegenden Fragen der Atomphysik wurde der Post-Collision Interaction (PCI)-Effekt beim THz-unterstützten Auger-Zerfall für verschiedene Edelgasatome mit Hilfe eines semi-klassischen analytischen Modells untersucht. Darüber hinaus wurde eine quantenmechanische Beschreibung entwickelt, um die bisherigen Methoden zu erweitern. Numerische Simulationen von Auger-Elektronenspektren, in Gegenwart eines THz-Feldes, wurden unter Verwendung des semiklassischen Modells für verschiedene experimentelle Parameter durchgeführt. Hier lag der Schwerpunkt auf den experimentellen Bedingungen, die mit derzeit im Betrieb befindlichen FELs (insbesondere FLASH) erreichbar sind. Die Ergebnisse zeigen den optimalen Parameterbereich auf, in dem ein messbarer PCI-Effekt erwartet werden kann, und wurden zur Vorbereitung von PCI-Experimenten an FLASH2 mit Hilfe des THz-Streaking-Aufbaus verwendet.