sflash Das Seeding"-Projekt am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg Beschleuniger Seminar TU Dortmund/DELTA 3/3/09 Jörn Bödewadt Universität Hamburg

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Alke Meyer
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1 sflash Das Seeding"-Projekt am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg Beschleuniger /DELTA 3/3/09 Jörn Bödewadt Universität Hamburg

2 Inhalt Einleitung SASE FELs Ein paar Formeln Übersicht eines SASE FEL (FLASH nach 2009) SASE vs. Seeding Seeding mit höheren Harmonischen (HHG) Was ist HHG? Aufbau von sflash Ausblick 2

3 Einleitung Untersuchung molekularer und atomarer Strukturen erfordern kurze Wellenlängen (OE ~nm und sub nm) Verdünnte Proben erfordern hohe Intensitäten (Brillianz) kohärente Strahlung für z.b. Phasenkontrastmikroskopie u.v.m. 3

4 Intensive kohärente Röntgenstrahlen Kohärente Röntgenquellen: HHG Methoden Plasma basierte Methoden FLASH Freie Elektronen Laser Photon energy (ev) Peak Power (W) Wavelength (m) 4

5 FEL Prinzip Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen im Magnetfeld eines Undulators führt zur Energiemodulation der Teilchenpakete Resonanzbedingung: λ = u K λ l γ 2 2 5

SASE Prinzip (High Gain FEL) Abgestrahlte Leistung: P rad = P 0 Gain Länge: L G = 1 3 exp z L g 3 2 I A γ σ r λu ˆ 2 4 π I K 1 3 Spontane Emission Energiemodulation Dispersion im

6 SASE Prinzip (High Gain FEL) Abgestrahlte Leistung: P rad = P 0 Gain Länge: L G = 1 3 exp z L g 3 2 I A γ σ r λu ˆ 2 4 π I K 1 3 Spontane Emission Energiemodulation Dispersion im Magnetfeld Energiemodulation Dichtemodulation Bunching Phasenmodulation Exp. Energieaustausch FEL Verstärkung Sättigung Sättigungsleistung: 1 P sat L G Iˆ γ Spitzenstrom des e-pakets 6

7 Anforderungen an die Elektron Pakete hoher Spitzenstrom ( ~ ka ) Î kleine transversale Emittanz -> norm. Emittanz ~ 1 mm mrad ε < λl 4π kleine Energiebreite Δγ < γ ρ

8 Übersicht eines SASE FEL 8

9 Übersicht eines SASE FEL 5 MeV HF Gun Photokathodenlaser laser beam e- beam Cathode S. Schreiber 9

10 Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 1. Beschleunigungsmodul Supraleitende TESLA Technologie Beschleunigung off-crest E[MeV] Sim.: Igor Zagorodnov s [m] 10

11 Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 3. harmonischen Modul Linearisierung des long. Phasenraums E[MeV] Sim.: Igor Zagorodnov s [m] 11

einigen ka werden die Elektronenpakete E[MeV] in einer

12 Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 450 MeV 1200 MeV Bunch Kompressoren Zum erreichen der Spitzenströme vom einigen ka werden die Elektronenpakete E[MeV] in einer Magnetschikane komprimiert Sim.: Igor Zagorodnov Disp. F. s [m] Stulle

13 Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 450 MeV 1200 MeV HF Gun Bunch Kompressoren Kollimatoren Undulatoren Experimente 3. harmonischen Modul Beschleunigungsmodule 315 m Longitudinale Strahldiagnose Elektronenstrahlparameter FLASH (2009): Strahlenergie [MeV] (1200) Bunch Ladung [nc] Spitzenstrom [ka] 2 (2.5) Norm. Emittanz [mm mrad] 2 Repetitionsrate Makropulse [Hz] 5 Repetitionsrate Mikropulse [khz] Seeding Experiment Photondiagnose 13

14 Typische SASE Spektren Nature Photonics 2,

15 SASE <> Seeding Welche Probleme treten auf Spektrum fluktuiert statistisch (rms ~ 20%) Intensitätsschwankungen Ankunftszeitschwankungen (~ 200 fs) Begrenzt die zeitliche Auflösung für Pump-Probe Experimente Sättigung nach typischerweise 20 Gain Längen Betrieb kompliziert und keine kontrollierte Optimierung (bisher) Durch Verwendung eines externen Lasers 15

16 SASE <> Seeding wird der FEL Prozess gezielt induziert: Nature Photonics 2, (2008) Simulationen für PSI XFEL 16

17 SASE <> Seeding Was soll besser werden? Spektrum wird stabilisiert -> Intensität stabil bei einer Wellenlänge Ankunftszeitschwankungen der Elektronenpakete im Undulator immer noch ~ 200 fs ABER Pump- und Probe-Laser entstammen der selben Quelle -> Zeitliche Schwankungen ~ 10 fs Sättigungslänge wird deutlich verkürzt 17

18 Seed FEL in Hamburg: sflash Demonstration des Seedings mit höheren Harmonischen bei Wellenlängen unterhalb von 30nm Zeitliche Stabilität für Pump-Probe Experimente von wenigen 10 fs Verbesserung der spektralen Eigenschaften der FEL Pulse gegenüber FLASH (SASE) Gleichzeitiger Betrieb von FLASH und sflash angestrebt Vergleich der Zeitstruktur für SASE- und Seed-FEL 18

19 Seeding mit höheren Harmonischen Schematischer Versuchsaufbau Elektronenstrahl Energiekollimator Undulator Optischer Hochleistungslaser 800 nm ~ 10 mj Erzeugung von höheren Harmonischen der Lichtwellen ~ 30 nm ~ 10 nj Induzierter FEL Prozess ~ 30 nm > 10 µj Pump-Probe-Experiment 19

20 Höheren Harmonischen Erzeugung in Gasen Prinzip: Feuere einen starken Laserpuls in ein Edelgas und erzeuge viele höhere Harmonische! Halbklassisches 3 Stufen Modell (Corkum et al.) langsam variierendes (~ fs) und starkes elektrische Laserfeld (~10 16 V/m) Tunnelwahrscheinlichkeit für Elektronen (Statistik) Elektronen werden im Laserpotential beschleunigt Bewegungsrichtung kehrt sich um und Elektronen können mit Atom kollidieren Bei Rekombination wird ein XUV Photon emittiert Prozess findet jede Halbwelle des einfallenden Lichtes statt -> nur ungerade Harmonische 20

21 Parameter für sflash Strahlparameter NIR Laser HHG Pulse (Quelle) HHG Pulse (Undulator) Elektronpakete (Undulator) Rep. Rate [Hz] (1MHz) Pulsdauer [fs] (FWHM) Pulsenergie/Puls [J] (FWHM) 35 mj 100 nj >1 nj I max 2 ka Strahlgröße [µm] (FWHM) Undulatoren U32 U33 Periode [mm] min. Polabstand [mm] Anzahl der Pole Max. K-Parameter Länge [m] 2 4 Gesamtlänge [m] 10 21

22 sflash Installation Experimente mit sflash Pulsen HHG Lasersystem und HHG Quelle 22

23 HHG Quelle 23

24 Einkopplung 24

25 Transversaler Überlapp: Diagnose 25

26 Undulatoren 26

27 Auskopplung 27

28 good news - bad news bad news: Seed-Laser kann nur mit 10Hz betrieben werden -> 5 Hz FEL Pulse Parasitärer Betrieb von sflash zum SASE Modus unklar Limitierter Platz für Experimente good news: Neues Lasersystem im Burst Mode bis 1 MHz Rep. Rate im Rahmen von FLASHII in der Entwicklung (DESY, HZB) 28

Ausblick Experimente bei sflash: XUV-Pulsanalyse Messung der zeitlichen Pulsstruktur mit Hilfe einer lichtgetrieben Streak-Kamera (Umwandeln von I XUV (t) -> I e (p) ) zeitaufgelöste

29 Ausblick Experimente bei sflash: XUV-Pulsanalyse Messung der zeitlichen Pulsstruktur mit Hilfe einer lichtgetrieben Streak-Kamera (Umwandeln von I XUV (t) -> I e (p) ) zeitaufgelöste Atom- /Molekülphysik Untersuchung von schnellen Anregungsprozessen von starken NIR- Strahlung mit C60 Fullerenen Dynamik von An- und Abregungsprozessen in Atomen z.b. Auger-Kaskaden 29

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit und Vielen Dank allen Beteiligten Armin Azima, Jörn Bödewadt, Francesca Curbis, Hossein Delsim-Hashemi, Markus Drescher, Stefan Düsterer, Josef Gonschior, Katja

30 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit und Vielen Dank allen Beteiligten Armin Azima, Jörn Bödewadt, Francesca Curbis, Hossein Delsim-Hashemi, Markus Drescher, Stefan Düsterer, Josef Gonschior, Katja Honkavaara, Rasmus Ischebeck, Shaukat Khan, Tim Laarmann, Theophilos Maltezopoulos, Atoosa Meseck, Nils Mildner, Velizar Miltchev, Manuel Mittenzwey, Heinrich Münch, Otto Peters, Benjamin Poltzin, Joerg Rossbach, Ernst-Otto Saemann, Holger Schlarb, Sebastian Schultz, Michael Schulz, Angad Swiderski, Roxana Tarkeshian, Markus Tischer, Antonio de Zubiaurre Wagner, Marek Wieland, Torsten Wohlenberg 30

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