Präzise Pulse

Projekte im Bereich »Beschleunigerphysik für Freie-Elektronen-Laser: Konzept und Vision« haben zum Ziel, die Eigenschaften von FEL-Strahlung reproduzierbarer und regelbarer zu machen. Dabei werden die Elektronenpakete manipuliert, bevor und während sie im Undulator sind. Eine Darmstädter Gruppe verbessert dazu die genaue Messung der Ankunftszeit der Elektronenpakete. Forscher aus Rostock entwickeln eine Komponente, mit der sich die Energien der Elektronen innerhalb eines Paketes angleichen lassen. Eine Hamburg-Dortmund-Kollaboration lässt Laserpulse auf die Elektronenpakete einwirken, um die Merkmale des Laserlichts auf das später erzeugte FEL-Licht zu übertragen. Ob das funktioniert hat, kann mit dem ultraschnellen Analysetool überprüft werden, das eine andere Hamburger Gruppe konstruiert.

 

Die Projekte

 

Wider das chronologische Chaos

Wann ein FEL-Puls eintrifft, ist im Voraus ungewiss – folglich auch die Zeitordnung von Messdaten. Ein neues Diagnosegerät stellt sie wieder her.

Projektname: Charakterisierung von ultrakurzen Röntgenpulsen
Projektleitung: Prof. Dr. Adrian L. Cavalieri (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie), Prof. Dr. Florian Grüner (Universität Hamburg), Dr. Andreas R. Maier (Universität Hamburg)

Um an einem Freie-Elektronen-Laser ultraschnelle Vorgänge wie chemische Reaktionen oder Magnetwirbel zu »filmen«, erstellt man Momentaufnahmen und ordnet sie chronologisch. Jede Momentaufnahme entsteht, indem ein herkömmlicher Laser das System anregt, woraufhin ein FEL-Lichtblitz den momentanen Prozess­zustand ablichtet. Als Zeitmarke, um die Aufnahmen zu ordnen, dient die eingestellte Verzögerungszeit der Pulse aber nur vermeintlich. Im Einzelfall weichen Ist- und Soll-Verzögerung nämlich regelungsbedingt voneinander ab. So bleibt die tatsächliche Reihenfolge der Aufnahmen ungewiss. Hinzu kommt, dass der Intensitätsverlauf von Puls zu Puls stark variiert – ein Makel, der intensitätssensible Experimente schwer reproduzierbar und kaum vergleichbar macht.

Ziel dieses Projekts ist es, eine lichtkontrollierte Schmierbildkamera zu einem zuverlässigen Diagnosegerät an FLASH zu machen, das Ankunftszeit und Intensitätsverlauf jedes Einzelpulses dokumentiert. Mithilfe dieser Daten lässt sich einer Momentaufnahme die richtige Zeitmarke samt Pulsprofil rückwirkend zuordnen und so das chronologische Chaos entwirren. Zu diesem Zweck wird der FEL-Puls zunächst durch einen Strahl aus Edelgas gelenkt, in dem er Photoelektronen freisetzt. Das zeitliche Profil dieser Photoelektronen entspricht demjenigen des Pulses. Mit einem elektromagnetischen Terahertz-Feld werden die Photoelektronen anschließend beschleunigt oder abgebremst – je nachdem, zu welchem Zeitpunkt sie emittiert wurden. Die Geschwindigkeitsänderung eines Elektrons dient dann als Kennzeichen seines Entstehungszeitpunkts. Aus diesen Informationen lassen sich das zeitliche Profil und die Ankunftszeit der Röntgenpulse ermitteln. Dieses Messverfahren stört die FEL-Blitze nicht, da nur wenige Photonen bei der Erzeugung der Photoelektronen verloren gehen. Daher kann die Technik parallel zu Experimenten zum Einsatz kommen.

 


Kontrollierte Emission

Kein FLASH-Puls gleicht dem anderen. Indem wohldefinierte Lasersignale im Undulator auf die Elektronenpakete einwirken, können besser reproduzierbare Pulse erzeugt werden.

Namen der Projekte: Echo-Enabled Harmonic Generation bei FLASH und FLASH2,
Seeding in FLASH2 – Freie-Elektronen-Laser als Laserverstärker mit optimierter Pulsqualität
Projektleitung: Prof. Dr. Markus Drescher (Universität Hamburg), Dr. Velizar Miltchev (Universität Hamburg), Prof. Dr. Shaukat Khan (TU Dortmund), Prof. Dr. Jörg Rossbach (Universität Hamburg)

Es liegt in der Natur der spontanen Emission im SASE-Modus von Freie-Elektronen-Lasern, dass die Eigenschaften der einzelnen Lichtblitze variieren. Das sogenannte Seeding soll den Prozess der Strahlungserzeugung reproduzierbarer machen, die Brillanz der Pulse erhöhen und ihre Synchronisation mit externen Laserquellen optimieren. In die Undulatoren wird dazu gemeinsam mit den Elektronenpaketen ein Laserpuls eingespeist, dessen Qualitätsmerkmale die FEL-Strahlung annimmt und weiterträgt.

In diesen zwei Projekten erproben Wissenschaftler der Universität Hamburg und der Technischen Universität Dortmund zwei Seedingverfahren: High-Gain Harmonic Generation, kurz HGHG, und Echo-Enabled Harmonic Generation, kurz EEHG. Durch die Laser-Seedpulse mit einer Wellenlänge von derzeit 266 Nanometern wird dem Elektronenpaket eine Dichtemodulation der gleichen Periode aufgeprägt. So präpariert, emittiert es in einem weiteren Undulator ein definiertes Spektrum aus der Laserfrequenz und ihren Vielfachen, den sogenannten Harmonischen. Eine ausgewählte Harmonische im extrem ultravioletten Spektralbereich wird anschließend verstärkt. Bei EEHG erhält das Elektronenpaket eine noch spezifischere Dichtemodulation, indem es zweimal mit externen Laser­pulsen wechselwirkt. Daraus entstehen in der Dichtemodulation noch höhere Harmonische mit ausreichender Intensität, um verstärkt zu werden.

Oben: Vor der eigentlichen Lichterzeugung im Radiator durchlaufen die Elektronen einen (HGHG-Seeding) oder zwei (EEHG-Seeding, nicht im Bild) weitere Undulatoren, die Modulatoren. Mithilfe eines externen Lasers lässt sich eine spezifische Mikrostruktur im Elektronenpaket präparieren (bunte Ellipse) und letztendlich mehr Kontrolle über die Lichteigenschaften erhalten.
Unten: Phasen von Elektronen und Licht ohne Apparaturen. Für EEHG kann sogar die 11. Harmonische verstärkt werden. Illustration: Dr. Armin Azima, Britta von Heintze, David Vogel

Bereits 2013 wurde im Experiment sFLASH das direkte Seeding bei einer Wellenlänge von 38 Na­nometern demonstriert. Im April 2015 konnte dann erstmals HGHG-Seeding nachgewiesen werden. Bei 38 Nano­metern, was der siebten Harmonischen des Seedpulses entspricht, wurden hochintensive Lichtpulse mit einer Energie von über zehn Mikrojoule erzeugt – im Schnitt mehr als tausendmal energiereicher als bei gleicher Undulatorlänge erzeugte SASE-Pulse. Damit ist der Weg offen für das Erzeugen hochintensiver Lichtpulse im extrem ultravioletten Spektral­bereich, die alle Qualitätsmerkmale von Laserstrahlung aufweisen.

 


Elektronenpräparation für präzisere Abstrahlung

Beschleuniger beschleunigen inhomogen. Für präzisere Lichtabstrahlung soll eine günstige und effiziente Komponente die Elektronenenergien wieder austarieren.

Projektname: Entwicklung von Wakefield-basierten Apparaturen zur Kompression der longitudinalen Phasenraumverteilung an ELBE
Projektleitung: Prof. Dr. Ursula van Rienen (Universität Rostock)

Die meisten Linearbeschleuniger beschleunigen inhomogen. Tritt ein Paket fast lichtschneller Elektronen aus dem letzten Beschleunigermodul, besitzen die Elektronen an der Stirnseite des Pakets weniger Bewegungsenergie als die Elektronen einige Mikrometer dahinter. Überholen die schnelleren Elektronen im weiteren Flug die langsameren, verschmiert das energetisch bereits uneinheitliche Paket zunehmend auch in der Länge. Lange Elektronenpakete und eine breite longitudinale Energieverteilung sind suboptimal für direkte Streuexperimente und wirken sich negativ auf die Merk-male des Lichts aus, das ein Elektronenpaket im Undulator eines Freie- Elektronen-Lasers abstrahlt.

Ein Dechirper in Quaderform. Darin werden die Energien von Elektronen nach inhomogener Beschleunigung passiv wieder ausgeglichen. Die Stärke dieses Ausgleichs lässt sich über den Abstand der Dielektrika regeln. Illustration: Britta von Heintze

Ziel dieses Projekts ist es, eine Komponente zu entwerfen, die die beschleunigungstechnisch bedingte Energieverbreiterung von Elektronenpaketen aus Linearbeschleunigern zu größten Teilen kompensiert. Dazu werden die elektrischen Felder berechnet, die sich ausbilden, wenn ein Elektron einen quader- oder zylinderförmigen Hohlraum in Längsrichtung mit nahezu Lichtgeschwindigkeit passiert. Da Metall und Leiterplatten – die Wandmaterialien des konzipierten »Dechirpers« – polarisierbar sind, entstehen sogenannte Kielfelder (Englisch: wakefields). Im Feld des Elektrons ordnen sich freie Ladungen in den Wänden um und erzeugen selbst ein Feld, das sich mit dem Elektronenfeld im Raum überlagert. Auf Basis der Rechnungen können Geometrie und Wandmaterialien der Struktur so gewählt werden, dass die höherenergetischen Elektronen am Ende des Pakets im Kielfeld der Stirnelektronen wie in den Kielwellen eines Bootes im richtigen Maß abgebremst werden. So verliert das Paket zwar insgesamt Energie, die Energiebreite nimmt jedoch ab. Die Berechnung der Felder kann aufgrund der Einfachheit der Struktur semi-analytisch erfolgen. Dadurch ist die Berechnung eines universellen Kielfelds möglich, aus dem sich die Kielfelder beliebiger Paketformen und -ladungen weitaus exakter ergeben, als es numerische Methoden erlauben. Die Kielfelder entstehen im Dechirper komplett passiv und haben zudem einen stärker homogenisierenden Effekt als Felder, die bislang mit großen und teuren Beschleunigerstrukturen aktiv erzeugt werden. Gelingt der Machbarkeitsnachweis, könnte sich der Kielfeld-basierte Dechirper in der Beschleunigungstechnik gegen aktive Komponenten durchsetzen.

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