Laser-basierte Synchronisation. Femtosekundenpra zision auf den Master-Laser-Oszillator von FLASH mittels balancierter optischer Kreuzkorrelation.

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1 mit Femtosekundenpra zision auf den Master-Laser-Oszillator von FLASH mittels balancierter optischer Kreuzkorrelation. Sven Schefer1,2, Sebastian Schulz2 1 Universita t Hamburg Institut fu r Experimentalphysik 2 DESY - Hamburg Deutsches Elektronen-Synchrotron DPG - Fru hjahrstagung Go ttingen 2012 T / 15

2 Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 2 Synchronisationssystem bei FLASH 3 Nichtlineare Optik 4 Optischer Kreuzkorrelator 5 Fazit 2 / 15

3 Motivation ElektronenQuelle Magnetische Schikane Vorbeschleuniger Photonenstrahl Beschleunigungsmodule Experiment Undulatoren Seed-Laser Pump-ProbeLaser Hohe Synchronisationsanforderungen bei FLASH I I I Pump-Probe-Experimente FEL-Pulse (seeding) Experimente (z.b. THz-Pulse) Hardwaregrenzen der HF-Technik Erfahrungswerte und Prototypentwicklung fu r den europa ischen XFEL 3 / 15

4 FLASH - Synchronisationssystem Master Oszillator Master Laser Oszillator GHz - gelocket auf Quartzoszillator - langzeitstabil - Erbium-Faserlaser (1560 nm) - Rep-Rate: 216 MHz - kurzzeitstabil Laser zu HF Sync. - Sync. 1. Stufe Faser - LINKS Längenstabilisierendes Verteilungssystem Laser - Laser Sync. direkte Benutzung HF Generierung - Sync Stufe - z.b. BAMs (bunch arrival time monitor - Beschleuniger 4 / 15

5 Laser - Synchronisationsstufen Nur eine aktive PID Regelung. Master Oszillator Laser 1 mit 800 nm 1. PID-Regelung Laser zu HF Phasenvergleicher Fehlersignal Laser-HF synchronisiert Zeitjitteritter > 20 fs Laser 2 (LINK) mit 1560 nm 2. PID-Regelung Laser zu HF Phasenvergleicher Fehlersignal Laser-Laser (HF) synchronisiert Zeitjitteritter > 10 fs Kreuzkorrelator 3. PID-Regelung 1. & 2. Summensignal Differenzverstärker Fehlersignal Laser-Laser (optisch) synchronisiert, Zeitjitteritter < 10 fs 5 / 15

6 Nichtlineare Optik Zusammenhang zwischen Feld und Polarisation ist nicht linear P = 0 χ(1) E + 0 χ(2) E2 + 0 χ(3) E NLO nur in Medien mit ho here Ordnung der Suszeptibilita t NLO-Effekte: - Frequenzverdopplung (SHG): ω ω + 2ω - Summenfrequenz (SFG): ω1 + ω2 ω1 + ω2 + ω3 NLO-Medium zweiter Ordnung: - Kristalle: z.b. BBO - Beta-Bariumborat - BBO: 800 nm nm = 528 nm 6 / 15

7 OXC - Funktionsprinzip 2 BBO GDD 1 HT@ 527.7nm HR@800 &1550nm HR@527.7nm HT@ 800 &1550nm Ti:Sa und LINK auf gleicher optischer Ebene SFG-Erzeugung im BBO-Kristall Ru ckreflektion ist verzo gert Differezbildung: SFG 1 SFG 2 = Fehlersignal Sehr empfindlich auf Zeita nderungen Amplitudenschwankungen tragen nicht bei, da Laser balanciert Differenzsignal Eingang Regelung 7 / 15

8 OXC - Aufbau (aktuell) Wellenplatten Spiegel Faser-Link 1560 nm PBC Ti:Sa-Laser 800 nm Laser zu HF 1560 nm HT 1560 HR 800 Detektoren für Differenzsignal Kristall BBO HT 528 HR 800 HR 1560 Retro Linse Linse HT 528 HR 800 HR 1560 Längenänderung Schrittmotor 8 / 15

9 OXC - Aufbau (geplant) Wellenplatten Spiegel Faser-Link 1560 nm PBC Ti:Sa-Laser 800 nm Laser zu HF 1560 nm HT 1560 HR 800 Detektoren für Differenzsignal Kristall BBO HT 528 HR 800 HR 1560 Retro Linse Linse HT 528 HR 800 HR 1560 Längenänderung Schrittmotor 9 / 15

10 OXC - Signale Zeitliche A nderung vom Laser Phasenunterschied Phasenunterschied erzeugt eine A nderung des Differenzsignales Kalibrationskonstante aus dem Anstieg des Differnzsignales 10 / 15

11 OXC - Ergebnisse Ti:Sa-Laser gelockt auf LINK Jitter vom Fehlersignal: 11.3 fs Ti:Sa-Laser gelockt auf OXC Jitter vom Fehlersignal: 3.5 fs 11 / 15

12 OXC - Ergebnisse timing change (fs) 100 Ti:Sa-Laser gelockt auf HF bzw. LINK out-of-loop timing change (fs) Drift u ber 60 Minuten: HF: fs LINK: 99.7 fs RF-locked to MO, t pp = fs slow drift (locked to MO), δt res = 25.5 fs RF-locked to optical pulse train, t pp = 99.7 fs slow drift (locked to MLO), δt res = 12.7 fs time (min) RF-locked oscillator (to RF from pulse train) all-optical locked oscillator slow drift RF, δt res = 17.2 fs, t pp = 20.6 fs slow drift OXC, δt res = 7.7 fs, t pp = 3.2 fs Ti:Sa-Laser gelockt auf LINK bzw. OXC time (min) Drift u ber 12 Minuten: LINK: 20.6 fs OXC: 3.2 fs 12 / 15

13 Fazit optische Synchronisation muss stabil sein OXC muss sich weiter in Langzeittest beweisen Untersuchungen mit anderen Kristallen (PPLN) Baukastenprinzip Automatisierung 13 / 15

14 Vielen Dank! 14 / 15

15 Quellen Literatur - Sebastian Schulz, Disputation: Implementation of the Femtosecond Precision Laser-Based Synchronisation System at FLASH - Vladimir Arsov, Handout: A balanced optical cross-correlator for a laser-laser synchronization with a BOO crystal - V.G.Dimitriev, Handbook of Nonlinear Optical Crystals, Third Revised Edition Abbildungen Seite 3,8 und 9: Sven Schefer Seite 7,10,11 und 12: Sebastian Schulz Seite 6: Wikipedia.org/Nichtlineare-Optik 15 / 15