SFLASH Das Seeding"-Projekt am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg Beschleuniger Seminar TU...

sFLASH

Das „Seeding"-Projekt am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg

Beschleuniger Seminar TU Dortmund/DELTA

3/3/09

Jörn Bödewadt

Universität Hamburg

03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

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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


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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.


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Intensive kohärente Röntgenstrahlen

• Kohärente Röntgenquellen:– HHG Methoden– Plasma basierte Methoden– Freie Elektronen Laser FLASH

Peak

Pow

er

(W)

Wavelength (m)

Photon energy (eV)


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• Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen im Magnetfeld eines Undulators führt zur Energiemodulation der Teilchenpakete

FEL Prinzip

Resonanzbedingung:

21

2

2

2

Kul


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SASE Prinzip (High Gain FEL)

Abgestrahlte Leistung:

grad L

zPP exp0

Gain Länge:

3

1

2

23

ˆ43

1

KI

IL urAG

Spontane EmissionEnergie- modulation

BunchingPhasenmodulationExp. Energieaustausch

FEL Verstärkung

Dispersion im MagnetfeldEnergiemodulation Dichtemodulation Sättigung

IL

PG

satˆ1

Sättigungsleistung:

Spitzenstrom des e-Pakets


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• hoher Spitzenstrom ( ~ kA )

• kleine transversale Emittanz -> norm. Emittanz ~ 1 mm mrad

• kleine Energiebreite

Anforderungen an die Elektron Pakete

I

4l

34 1010


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Übersicht eines SASE FEL


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HF Gun

5 MeV

Photokathodenlaser

laser beamlaser beam

e- beame- beam

CathodeCathode

S. Schreiber


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1. Beschleunigungsmodul

5 MeV 127 MeV

• Beschleunigung „off-crest“ E[MeV]

s [m]

Sim.: Igor Zagorodnov

Supraleitende TESLA Technologie


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3. harmonischen Modul

5 MeV 127 MeV

s [m]

E[MeV]• Linearisierung des long. Phasenraums



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Bunch Kompressoren

5 MeV 127 MeV

• Zum erreichen der Spitzenströme vom einigen kA werden die Elektronenpakete in einer Magnetschikane komprimiert

Disp. F. Stulle 2004

450 MeV 1200 MeV


s [m]

E[MeV]


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315 m

HF Gun

Longitudinale Strahldiagnose3. harmonischen Modul

Beschleunigungsmodule

Bunch Kompressoren Undulatoren

Photondiagnose

Experimente

5 MeV 127 MeV 450 MeV 1200 MeV

Kollimatoren

• Elektronenstrahlparameter FLASH (2009):Strahlenergie [MeV] 370 – 1000

(1200)

Bunch Ladung [nC] 0.5 – 1.0

Spitzenstrom [kA] 2 (2.5)

Norm. Emittanz [mm mrad] 2

Repetitionsrate Makropulse [Hz] 5

Repetitionsrate Mikropulse [kHz]

40 - 1000

Seeding Experiment


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Typische SASE Spektren

Nature Photonics 2, 555 - 559 (2008)

@FLASH


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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 …


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SASE <> Seeding

• … wird der FEL Prozess gezielt induziert:

Simulationen für PSI XFEL

Nature Photonics 2, 555 - 559 (2008)


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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


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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


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Seeding mit höheren Harmonischen

• Schematischer Versuchsaufbau

Elektronenstrahl

Optischer Hochleistungslaser

Erzeugung von höheren Harmonischen der Lichtwellen

Induzierter FEL Prozess

Energiekollimator

800 nm~ 10 mJ

~ 30 nm~ 10 nJ

~ 30 nm> 10 µJ

Pump-Probe-Experiment

Undulator


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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 (~1016 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


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Parameter für sFLASH

Strahlparameter NIR LaserHHG Pulse

(Quelle)

HHG Pulse

(Undulator)

Elektronpakete

(Undulator)

Rep. Rate [Hz] 10 10 10 5 (1MHz)

Pulsdauer [fs] (FWHM) 30 20 20 500

Pulsenergie/Puls [J] (FWHM) 35 mJ 100 nJ >1 nJ Imax 2 kA

Strahlgröße [µm] (FWHM) 300 140 200 180

Undulatoren U32 U33

Periode [mm] 31.4 33.0

min. Polabstand [mm] 9.0 9.0

Anzahl der Pole 120 240

Max. K-Parameter 3.0 3.3

Länge [m] 2 4

Gesamtlänge [m] 10


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sFLASH Installation

HHG Lasersystem und HHG Quelle

Experimente mit sFLASH Pulsen


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HHG Quelle


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Einkopplung


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Transversaler Überlapp: Diagnose


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Undulatoren


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Auskopplung


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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)


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Ausblick

• Experimente bei sFLASH:– XUV-Pulsanalyse

• Messung der zeitlichen Pulsstruktur mit Hilfe einer lichtgetrieben Streak-Kamera (Umwandeln von IXUV(t) -> Ie(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


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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

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