Optische Synchronisation verteilter Lasersysteme bei FLASH.

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1 Optische Synchronisation verteilter Lasersysteme bei FLASH. S. Schulz 1, V. Arsov 2, M. K. Bock 2, M. Felber 2, K. Hacker 2, P. Gessler 2, F. Loehl 2, F. Ludwig 2, K.-H. Matthiesen 2, H. Schlarb 2, B. Schmidt 2, A. Winter 2, L. Wissmann 1, J. Zemella 2 1 Institut für Experimentalphysik Universität Hamburg 2 Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg DPG Frühjahrstagung München, März 2009 S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

2 Inhalt. 1 Einleitung und Motivation 2 Das optische Synchronisationssystem bei FLASH Master-Laser-Oszillator Stabilisierte Faser-Links 3 Synchronisation zweier Lasersysteme RF-Synchronisation Balancierter optischer Kreuzkorrelator Erste Implementierung Vorläufige Ergebnisse 4 Zusammenfassung und Ausblick S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

3 Einleitung und Motivation Einleitung und Motivation. Zeitjitter in einem Freie-Elektronen-Laser Elektronen- Quelle Magnetische Schikane Photonenstrahl Experiment Vorbeschleuniger Beschleunigungsmodule Undulatoren Photoinjektor- Laser Seed-Laser Pump-Probe- Laser Hauptquellen von Zeitjitter Ankunftszeit der Photoinjektor-Laserpulse Stabilität der Phase der Elektronenquelle Amplituden- und Phasenstabilität des Vorbeschleunigers Ankunftszeit der Seed-Laserpulse Ziel eines (optischen) Synchronisationssystems Synchronization des Pump-Probe-Lasers und der FEL-Pulse < 30 fs S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

4 Einleitung und Motivation Optische Synchronizationssysteme. Übersicht der wichtigsten Komponenten Augenmerk auf Robustheit, Stabilität und Wartungsfähigkeit S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

5 Das optische Synchronisationssystem bei FLASH Das optische Synchronisationssystem bei FLASH. Prototyp-Entwicklung für den Europäischen XFEL RF gun BAM EBPM BAM EBPM BAM ACC1 3rd H. ACC2 ACC3 ACC4 ACC5 ACC6 ACC7 L2RF L2RF L2RF injector laser OXC OXC EO/THz laser master laser oscillator & distribution bypass length stabilized fiber links OXC pump-probe laser EO seeding SASE undulators photon beam target EO/THz OXC seed laser BAM undulators dump Kompletter Ausbau während/nach dem Shutdown 2009/2010 S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

6 Das optische Synchronisationssystem bei FLASH Das optische Synchronisationssystem bei FLASH. Prototyp-Entwicklung für den Europäischen XFEL Kompletter Ausbau während/nach dem Shutdown 2009/2010 Stufe 1: Links, 2 optische X-Korrelatoren, 4 BAMs, 1 EBPM S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

7 Das optische Synchronisationssystem bei FLASH Master-Laser-Oszillator Master-Laser-Oszillator. Spezifikationen der Zeitreferenz fu r das gesamte Synchronisationssystem modengekoppelter Erbium-Faserlaser Repetitionsrate MHz 980 nm PumpDioden mittlere Leistung > 100 mw Er-dotierte Faser Gitter InGaAs Zeilenkamera Kollimator PumplichtKombination L/4 PumplichtEinkoppler L/2 Pulsla nge < 100 fs PBC Isolator Photodiode L/2 zur StrahlVerteilung integrierter Zeitjitter < 10 fs Kollimator L/4 L/2 PBC L/2 PBC L/4 Piezo-Spiegel auf motorisiertem Tisch Amplitudenstabilita t < Erste Generation S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Zweite Generation Dritte Generation Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

8 Das optische Synchronisationssystem bei FLASH Master-Laser-Oszillator Master-Laser-Oszillator. Charakterisierung der ersten Generation Pulselänge: 75 fs (FWHM) Amplitudenstabilität % Integrierter Zeitjitter < 6 fs im Intervall [10 Hz, 40 MHz] (limitiert durch Messtechnik) Messungen: F. Löhl S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

9 Das optische Synchronisationssystem bei FLASH Stabilisierte Faser-Links Stabilisierte Faser-Links. Verteilung der Zeitinformation mit Femtosekundengenauigkeit Faserlängen-Stabilisierung mittels Piezo-Dehner und Translationstisch Grundlage: optische Kreuzkorrelation (gleicher Pulszug) Driftmessungen in Beschleunigerumgebung mit zweitem Kreuzkorrelator S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

10 Das optische Synchronisationssystem bei FLASH Stabilisierte Faser-Links Stabilisierte Faser-Links. Driftmessungen in Beschleunigerumgebung: 300 m Faser-Link in Experimentierhalle Messungen: F. Löhl Zeitjitter über 2 Minuten: 4.4 fs ± 1.1 fs (rms) In-Loop-Jitter < 1 fs Drift über 12 Stunden: 25 fs (Polarisation) S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

11 Synchronisation zweier Lasersysteme Synchronisation zweier Lasersysteme. Ziel: Synchronisation mit Sub-10-Femtosekunden Genauigkeit RF-Synchronisation Grundlage: Phasendifferenz-Messung Zeitjitter 65 fs S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

12 Synchronisation zweier Lasersysteme Synchronisation zweier Lasersysteme. Ziel: Synchronisation mit Sub-10-Femtosekunden Genauigkeit RF-Synchronisation Grundlage: Phasendifferenz-Messung Zeitjitter 65 fs Optische Synchronisation Grundlage: nicht-lineare Optik präzisere Messung möglich Zeitjitter < 10 fs Probleme: verschiedene Repetitionsraten verschiedene Wellenlängen S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

13 Synchronisation zweier Lasersysteme Synchronisation zweier Lasersysteme. Ziel: Synchronisation mit Sub-10-Femtosekunden Genauigkeit RF-Synchronisation Grundlage: Phasendifferenz-Messung Zeitjitter 65 fs Optische Synchronisation Grundlage: nicht-lineare Optik präzisere Messung möglich Zeitjitter < 10 fs Probleme: verschiedene Repetitionsraten verschiedene Wellenlängen Charakterisierung & Langzeitstabilität nur mit out-of-loop-messung möglich zweiter X-Korrelator nötig S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

14 Synchronisation zweier Lasersysteme Synchronisation zweier Lasersysteme. Ziel: Synchronisation mit Sub-10-Femtosekunden Genauigkeit Referenzlaser Erbium-Faserlaser (Eigenbau) λ 1 = 1550 nm, λ 1 = 100 nm τ FWHM,1 = 120 fs f rep,1 = MHz Diagnoselaser Ti:Sa-Oszillator (Coherent Micra-5) λ 1 = 800 nm, λ 1 = 65 nm τ FWHM,1 = 70 fs f rep,2 = MHz RF-Synchronisation Grundlage: Phasendifferenz-Messung Zeitjitter 65 fs Optische Synchronisation Grundlage: nicht-lineare Optik präzisere Messung möglich Zeitjitter < 10 fs Probleme: verschiedene Repetitionsraten verschiedene Wellenlängen Charakterisierung & Langzeitstabilität nur mit out-of-loop-messung möglich zweiter X-Korrelator nötig S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

15 Synchronisation zweier Lasersysteme RF-Synchronisation RF-Synchronisation. Aktuell angewendete Technik und Voraussetzung für optische Synchronisation Phasendifferenzmessung Laserpulszüge auf Photodiode (hohe Bandbreite, gesättigt) Filterung einer hohen Harmonischen der Repetitionsrate u 1 = A 1 cos(ω 1 t) u 2 = A 2 cos ((ω 1 + ω) t) Mischung von u 1 und u 2 : u 1 u 2 = 1 ( 2 A 1A 2 cos ( (ω 1 ω 1 + ω) t ) + cos ( (ω 1 + ω 1 + ω) t ) ) } {{ } herausgefiltert mit LPF Fehlersignal mit der Differenzfrequenz ω Eingang für PLL S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

16 Synchronisation zweier Lasersysteme Balancierter optischer Kreuzkorrelator Balancierter optischer Kreuzkorrelator. Schematische Darstellung des Funktionsprinzips 2 BBO GDD 1 HR@527.7nm HT@ 800&1550nm HT@ 527.7nm HR@ 800&1550nm Summenfrequenzerzeugung in einem BBO-Kristall (Typ-I ( ), ooe) Gruppengeschwindigkeitsanpassung der rückreflektierten Pulse Messung beider SFG-Intensitäten Differenzsignal höchstempfindlich auf Zeitänderungen unabhängig von Amplitudenschwankungen der Laser (balanciert) Eingangsignal für Regelkreis S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

17 Synchronisation zweier Lasersysteme Balancierter optischer Kreuzkorrelator Balancierter optischer Kreuzkorrelator. Grundlagen und Auswahl einiger vorhergehender Betrachtungen Korrelationsfunktion höchst sensitiv auf Zeitänderungen t: { } 1 I SFG (t) I 1 (τ)i 2 (t τ)dτ = 2π(σ σ2 2) exp (t t)2 2(σ1 2 + σ2 2 ) Einige Betrachtungen Konversionseffizienz und Fokussierung η 2 % für 50 µm Strahltaille η 0.25 % für 160 µm Strahltaille kollineare Phasenanpassung ( ooe oder Typ-I ( ) ) k3 e(θ) = ko 1 + ko 2 θpm ooe = 22.2 walk-off der Summenfrequenz 54.7 mrad Mix-Akzeptanzbandbreite 65 nm Problem: Reflexion und Reflexionsverluste S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

18 Synchronisation zweier Lasersysteme Erste Implementierung Erste Implementierung. Aufbau von zwei optischen Kreuzkorrelatoren im EO-Labor bei FLASH S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

19 Synchronisation zweier Lasersysteme Vorläufige Ergebnisse Regelsignal. Differenz der Summenfrequenzintensitäten ersetzt RF-Mixer-Signal PMT voltage (V) laser pulses 1st photo detector 2nd photo detector PD voltage (V) ADC voltage (V) measured data Gaussian fitted data slope = mv/fs time (ns) relative time t (ps) SFG-Signale bei festem t gleiche SFG-Amplitude balancierter Zustand Amplitudenänderung zeitlichen Änderung Vektormodulator-Scan Steigung 8.7 mv/ fs, ADC-Rauschen 1mV ausreichend als Regelsignal Peak-Abstand 280 fs S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

20 Synchronisation zweier Lasersysteme Vorläufige Ergebnisse Optische Synchronisation. Aktueller Status: Manuelles Umstellen auf optischen Lock DOOCS-Panel des Lock-Servers PID-Werte und Filter einstellbar ADC-Auslese und DAC-Rücklese Implementation auf einem DSP Integration ins Kontrollsystem RF-Lock, (PD0 = 1) Zeitjitter 65 fs (in-loop) Kreuzkorrelator-Regelsignale messbar (ADC1, ADC2) S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

21 Synchronisation zweier Lasersysteme Vorläufige Ergebnisse Optische Synchronisation. Aktueller Status: Manuelles Umstellen auf optischen Lock DOOCS-Panel des Lock-Servers PID-Werte und Filter einstellbar ADC-Auslese und DAC-Rücklese Implementation auf einem DSP Integration ins Kontrollsystem RF-Lock, (PD0 = 1) Zeitjitter 65 fs (in-loop) Kreuzkorrelator-Regelsignale messbar (ADC1, ADC2) Optischer Lock, (PD0 = 0) stabil für Minuten Zeitjitter 45 fs (in-loop) S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

22 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung und Ausblick. Aufbau eines optischen Synchronizationssystems bei FLASH Infrastruktur fertig gestellt Inbetriebnahme optischer Komponenten ab sofort (Stufe 1) Zwei Kreuzkorrelatoren aufgebaut und Regelsignale gemessen optischer Lock konnte kurzzeitig etabliert werden (Messung!?) Nächste Schritte Untersuchung der Langzeitstabilität Entwicklung eines intelligenten Regel-Algorithmus (VME vs. µtca) Elektro-optische Diagnosemessungen bei FLASH Konstruktion eines Gehäuses (integrierte Optik und Elektronik) Aufbau und Inbetriebnahme weiterer Kreuzkorrelatoren Seed- und Pump-Probe-Laser Adaption des Schemas auf Injektorlaser (bereits gestartet) S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

23 Zusammenfassung und Ausblick Danksagung. Im Namen des gesamten LbSyn-Teams und DESY-FLA/MPY Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

24 Phasenrauschmessungen Phasenrauschmessungen. Anhaltspunkt für die zu erwartende Genauigkeit eines optischen Locks RF synchronization HHG Laser Indication for required gain (G>200) Phase noise of free running oscillator XFEL The European X-Ray Laser Project X-Ray Free-Electron Laser σ t =11fs σ t = 4 [3kHz,500kHz] expected residual jitter Photodetector limited (no significant additional timing jitter is expected) Name, Institute Event, PLL corner should be > 3kHz 7 Messung: H. Schlarb S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20

25 Infrastruktur Infrastruktur. Fast ausschließlich am DESY gefertigt und nicht zu vernachla ssigen! ca. 300 Kabel zum optischen Tisch, davon 120 Signalkabel Einhausung und Vibrationsda mpfung fu r optischen Tisch 58 Motoren Pump-Laserdioden fu r MLOs und EDFAs Faserdehner (fiber stretcher ) 4 VME-Crates mit Option auf utca optische Fasern zu allen Endpunkten 42 Temperatursensoren, 2 aktive Regelungen, Stabilita t δt = 0.02 C Option auf Wasserku hlung vorhanden S. Schulz (Uni Hamburg, DESY) Optische Synchronisation bei FLASH DPG 2009, T / 20