HGHG-Seeding erfolgreich getestet

Forschern von DESY und aus dem Forschungsschwerpunkt Freie-Elektronen-Laser ist es im April erstmals am Testaufbau sFLASH gelungen, das »Seeding« im sogenannten HGHG-Verfahren nachzuweisen. Diese Seeding-Variante soll den Prozess der Strahlungserzeugung in einem Freie-Elektronen-Laser reproduzierbarer machen, indem das Elektronenpaket mithilfe eines begleitenden Laserpulses in einer ersten Undulatorstrecke präpariert wird, bevor es in einer späteren Licht abgibt. Der jetzt erfolgte Nachweis des Seedings ist ein wichtiger Meilenstein bei der Entwicklung eines Seeding-Verfahrens für den Nutzerbetrieb bei FLASH.

Die sFLASH-Undulatoren im FLASH-Tunnel; Quelle: DESY

Freie-Elektronen-Laser (FEL) liefern sehr kurze, höchst intensive Röntgenblitze. Aus dem Synchrotronlicht, das fast lichtschnelle Elektronenpakete in einem Undulatormagneten erzeugen, verstärkt sich das Licht einer Wellenlänge spontan um mehrere Größenordnungen zu einem Röntgenlaserpuls. Es liegt aber in der Natur dieser spontanen Verstärkung, dass die Eigenschaften der einzelnen Lichtblitze leicht variieren. Um die zeitliche und energetische Auflösung von FEL-Experimenten weiter zu verbessern, werden Wege gesucht, um den Prozess der Strahlungserzeugung mit einem wohldefinierten Laserpuls zu starten (Englisch: Seeding). Das Experiment sFLASH besitzt dafür eigene Undulatoren im Beschleunigertunnel und einen speziellen Messplatz am FLASH-Tunnel, um die entstehenden Photonenpulse zu untersuchen.

Der Plot für Experten: Die Strahlungspulse erreichen im HGHG-Modus innerhalb des zehn Meter langen sFLASH-Undulators eine Energie von im Mittel über 10 Mikrojoule (µJ), während die „normale“ SASE-Intensität, die beobachtet wird, wenn der Laserstrahl ausgeschaltet wird, etwa tausendfach geringer ist. Quelle: DESY

Kürzlich gelang es dem Forscherteam, bei sFLASH Seeding nach dem HGHG (High-Gain Harmonic Generation)-Verfahren nachzuweisen. Die Wissenschaftler überlagerten dazu Laserlicht mit einer Wellenlänge von 266 Nanometern mit dem Elektronenstrahl. Auf seiner Flugbahn durch eine spezielle Magnetanordnung wird das Elektronenpaket in eine periodische Mikrostruktur zerteilt, die zu einer gezielten Verstärkung der FEL-Strahlung führt, und zwar nicht nur bei der eingestrahlten Wellenlänge, sondern auch bei Vielfachen der Grundfrequenz, sogenannten höheren Harmonischen. Bei 38,1 Nanometern, der siebten Harmonischen, konnten so in der folgenden, nur zehn Meter langen Undulatorstrecke hochintensive FEL-Lichtblitze mit einer Energie von über zehn Mikrojoule erzeugt werden. Dieses Ergebnis ist ein essentieller Schritt hin zur Erforschung eines noch unbekannten Bereichs der FEL-Seeding-Technologie. Es zeigt, dass mit diesem Prinzip auch an FLASH vollständig kohärente, also laserartige, Strahlungspulse im extrem ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden können.

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