FEL für Fussgänger. Dirk Nölle DESY, MDI FLASH Operateursausbildung,

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1 FEL für Fussgänger Dirk Nölle DESY, MDI FLASH Operateursausbildung,

2 Überblick: Warum das Ganze? Was ist ein Free-Electron-Laser? Klassischer Klassischer Laser und FEL Eine kleiner (historischer) Überblick Das Funktionsprinzip Beispiele für verschiedene FEL Typen SASE 2

3 Warum au dasganze? Strahlung (Licht) ist ein wichtiges Werkzeug zur Beobachtung der Natur. Immer kleinere Strukturen benötigen immer kürzere Wellenlängen. Hohe Intensitäten erlauben die Beobachtung extremer Vorgänge. Kohärenz: Holographische Bilder, räumliche Auflösung Die Beobachtung schneller Abläufe erfordert kurze Pulse. 3

4 Wellenlängen/Typische Strukturen TTF II & X-FEL 4

5 Intensität Vielphotonenprozesse in TTF: T. Möller et al. in Nature SASE FELs sind mehr als 10 8 x so hell wie Speicherringe (im Peak). 5

6 Kohärenz Beugungsmuster eines Doppelspalts: Messung Simulation GLAD R. Ischebeck Feste Phasenbeziehung der Laserwelle Transversal Longitudinal Voraussetzung g für 3D auflösende Messungen (Holografie) 6

7 Zeitaufgelöste Untersuchungen 1878 Edward Muybridge 1 s bei Lichtgeschwindigkeit = km ( Entf. Erde Mond) 7

8 Schnelle Abläufe 100 fs bei Lichtgeschwindigkeit = 0, m (30 µm) 8

9 Überblick: Warum das Ganze? Was ist ein Free-Electron-Laser? Ist das ein Laser? Eine kleiner historischer Überblick Das Funktionsprinzip i i Beispiele für verschiedene FEL Typen SASE 9

10 Klassischer Laser & FEL LASER: e - in festen Zuständen gebunden hω pump inversed state hω lasing line ground state Lasereigenschaften: Wellenlänge Übergangswahrscheinlichkeiten Linenbreite Pulslänge hängen vom Material ab. Free Electron Laser: Freie Elektronen im Vakuum, die durch externe Beschleunigung (Magnetfelder) zum Strahlen gezwungen werden. Strahlungseigenschaften werden nur noch durch die e - und die externen Kräfte bestimmt Es gibt keine prinzipielle Beschränkung 10 des Spektralbereichs.

11 Spektrum und Laser Quellen λ [nm] ENEA, Frascati sichtbares Licht nm IR UV VUV XUV Röntgen E [ev] ELETTRA, Trieste FLASH OK 4, Duke Laser-QuellenSuper ACO, Orsay TTF II, HH SCA, Stanford, CLIO, Orsay ifel heute 3, Japan TTF I, HH Felix, Utrecht X-FEL, HH LCLS, Stanford Eine Auswahl von FEL Facilities! 11

12 FELs Weltweit infrared visible - UV VUV soft XRay 12

13 Historie der FEL Technologie X-ray FEL development 1957 ubitron FEL avant la lettre Fundamental research FEL lightsource development FIR FEL User Facilities mμ Star Wars FLASH 13

14 Funktionsweise eines FEL (I) Energieaustausch: mc 2 dγ = e v E dt Ziel: Transfer von Energie aus einem Elektronen- in einen Laserstrahl Problem: Lichtwellen sind transversal polarisiert, d.h. das elektrische Feld steht senkrecht zur Flugrichtung eines mit-fliegenden Elektronenstrahls Energieübertrag eigentlich unmöglich! Lösung: Erzeugung transversaler Geschwindigkeits- komponenten in einem Magnetfeld! 14

15 Funktionsweise eines FEL (II) Elektronenstrahl Undulator Input Strahlung x Verstärkte Strahlung v x -e z λ E s optical field 15

16 Funktionsweise eines FEL (III) Resonanzbedingung g Elektronenbahn E s E-Vektor des Lichts slip slip z λ u λ υ +λ S Energieaustausch: 2 λ + λ λ λ u s u λ u K = = s 1+ 2 c v 2γ 2 mc 2 d γ B0 E e dt γ z 0 sin( φ 0 ) Aber: φ 0 ist eine zufällige Phase Energie wird nur moduliert! 16

17 Funktionsweise eines FEL (IV) Elektronen Strahl Undulator Photonen Strahl Energie Modulation Dispersion im Magnetfeld Energiemodulation Geschw. Modulation Bunching Phasen- bzw. Dichtemodulation Energieaustausch FEL Verstärkung Analogien: Einfangen des LINAC 2 Strahls in PIA LKW Pulks auf der A1 Dortmund-Köln im Siebengebirge 17

18 bleiben wir noch in der Geschichte FEL Typen 18

19 Oszillator FEL Moderate Undulatorlängen < 5 m Verstärkung im % Bereich Ein einziger Pass reicht nicht! Anordnung mit Spiegeln wie beim klassischen Laser LINAC S N N S S N N S S N λu N S gun Speicher Ring 19

20 LINAC FEL, IR Quellen z.b. Felix in Rijnhuisen -User Facility im Mid IR Bereich -Ca h/a First Lasing 1991 (Bart??) FELIX layout FEL2: 5-35 μm Injector linac MeV SEM energy spectrometer linac MeV OTR enery spectrometer SEM energy spectrometer 5 m button monitor (energy fluctuations) ti FEL1: μm quadrupole b eam dump 20

21 Speicherring FEL: z.b. FELICITA I bei DELTA, Dortmund Installiert in einer geraden Strecke von DELTA. Die Gerade wird durch 2 Zusatzdipole verkürzt, so dass auch die Spiegel eingebaut werden können. Spiegel Kammern First Lasing nm FEL Radiation electromagnetischer Undulator (25cm,K max =3; OK und FEL Option) 21

22 The Elettra Storage Ring FEL optical cavity length 32.4 m beamline -e 4.5 m helical undulator FEL beam Storage ring operation * 1.0 GeV λ = nm Tunability range nm ev Average power 1 W Pulse length (FWHM) ~ 5 ps Peak power 40 kw Δλ =0.06nm Pulse energy 0.2 mj Δλ/λ =003% =0.03 Photon flux ** photons/s Polarization circular (linear may also be possible) Repetition rate 4.6 MHz Synchronization with 1: synchrotron radiation wavelength (nm) * 4-bunch operation, ** within the laser bandwidth 22 in ntensity (a a.u.)

23 Warum geht es nicht richtig mit Speicherringen Ein FEL bewirkt in erster Line eine Energiemodulation Aufweitung der Energiebreite FEL Prozess wird gebremst Synchrotronstrahlung bewirkt Dämpfung Energiebreite wird wieder zusammengeschoben Die Leistung eines SR FEL ergibt sich als Gleichgewicht von FEL getriebener Energieaufweitung Dämpfung aus Synchrotronstrahlung Renieri Limit 23

24 Spiegelproblematik 1.0 photon energy (ev) Clean Al in UHV Wir brauchen: etwas ohne Spiegel etwas ohne einen Input Laser nce nce reflecta no ormal incide SiC Os, Ir, Pt, Au Dielectric multi-layers MgF on Al 2 multi-layers ut cristals measured multi-layers wavelength (nm) D.T. Attwood et al, AIP Conf. Proc. 118, eds J.M.J. Madey and C. Pellegrini (AIP, New York, 1983), p. 93 Nutze die spontane Synchrotronstrahlung des Undulators Verstärke sie in einem einzigen i Durchgang SASE (Self Amplifying Spontaneous Emission) 24

25 Lösung: SASE mc 2 dγ = e v E dt Undulatoren erzeugen spontane Strahlung (Startfeld, Seed ) Danach, mache den Undulator lang genug, dass diese Strahlung reicht, damit sich der Laser selbst aus dem Dreck zieht. 25

26 Extreme Anforderungen an den Elektronenstrahl Strahlqualität; d.h. Elektronendichte Spitzenstrom (O(kA)) Bunch Kompression Extrem kurze Bunche (O(100fs))}} Strahlquerschnitt und divergenz (Emittanz) -4 GUN Energiebreite (O(10 )) } Beim LINAC werden die Grundlagen für die Strahlqualität am Stabilität Anfang gelegt. Danach kann man alles nur noch schlechter machen! Δλ ΔE Energie bzw. Laserwellenlänge ( = 2 ) } λ E Ankunftszeit (Pump & Probe ) LLRF BPMs { Strahllage (FEL-Prozess, Laserstrahltransport) Überlapp zwischen Licht und Elektronen über viele Meter { 26 Winkelgenauigkeit/Stabilität => Frösche treffen!!

27 Bunch Kompression Instrumentation Section Til Tail particle, til more momentum Head particle, less momentum Bending Magnet Quadrupole Triplett Korrelierte Energiemodulation durch Offcrest Offcrest Beschleunigung (ACC1,23) Die Energie im Bunch steigt vom Kopf zum Schwanz an. In der Schikane fliegen nieder energetische Teilchen weiter aussen, die mit mehr Energie weiter innen. Die Innenbahn ist kürzer => die Teilchen mit mehr Energie holen auf. Der Bunch wird zusammengeschoben. 27

28 Self Amplified Spontanous Emission electron beam undulator photon beam (1) (2) spontaneous emission energy modulation / bunching radiated log( power ) (3) λ coherent emission (4) saturation beam dump Reminder: Movie Zeigen! z 28

29 Comment (from J. Hastings LCLS) For LCLS, slice emittance >1.8 μm will not saturate ε N = 1.2 μm P = P 0 ε N = 20μm 2.0 P = P0 P 0 /100 Similar of course for XFEL, VUV-FEL, courtesy S. Reiche SASE FEL is not forgiving instead of mild brightness loss, power nearly switches OFF electron beam must meet brightness requirements 29

30 Danke, den vielen Kollegen, die mir Grafiken und Folien zur Verfügung gestellt haben! 30