Strahlungsquelle für ultrakurze Pulse im Vakuum-UV und THz-Bereich
Final Report Abstract
Die an der Synchrotronstrahlungsquelle DELTA der Technischen Universität Dortmund aufgebaute Kurzpulsquelle soll Anrege-Abfrage-Experimente mit kohärenten Pulsen im Vakuum-Ultraviolett-Bereich bei hoher Zeitauflösung, gegeben durch Pulsdauern um 50 fs und stabiler Synchronisation zwischen Anregeund Abfragepuls, ermöglichen. Im Vergleich zu konventioneller Synchrotronstrahlung sind die Pulse mehr als 1000-fach kürzer und weisen eine höhere Intensität sowie einen höheren Kohärenzgrad auf. Darüber hinaus werden kohärente Terahertzpulse mit Pulsdauern unter 1 ps zur Verfügung gestellt. Die Kurzpulsquelle basiert auf der Wechselwirkung von Femtosekunden-Laserpulsen und relativistischen Elektronen in einem Speicherring nach dem CHG-Verfahren („coherent harmonic generation“), das zurzeit außer bei DELTA weltweit nur am Speicherring UVSOR in Japan angewandt wird. Es wurde Wert darauf gelegt, dass diese Wechselwirkung im Routinebetrieb bei der nominellen Strahlenenergie möglich ist, was an anderen Speicherringen nicht der Fall ist. Dies hat bei DELTA zu detaillierten Studien der Laser-Elektronen-Wechselwirkung mit Ergebnissen geführt, die für zukünftige Kurzpulsquellen und insbesondere für den „seeding“-Betrieb von Freie-Elektronen-Lasern (FELs) relevant sind. Im ersten Betriebsjahr (beginnend mit der zweiten Hälfte 2011) wurde die Wechselwirkung mit Laserpulsen der Wellenlänge 800 nm durchgeführt, danach meist mit frequenzverdoppelten Pulsen bei 400 nm. Auch der Betrieb bei 267 nm und variabler Wellenlänge mit einem OPA ist möglich. Die kürzeste bisher beobachtete Wellenlänge der ca. 50 fs langen CHG-Pulse beträgt 80 nm, die Pulsenergie liegt je nach Wellenlänge 1-3 Größenordnungen über der von konventioneller Undulatorstrahlung. Die CHG-Pulse wurden ständig weiter optimiert und eingehend charakterisiert. Das Zeit-Bandbreiten- Produkt ist nahe am Fourier-Limit. Die longitudinale Kohärenzlänge wurde mit mehreren Methoden zu ca. 35 fs bestimmt, während sie bei der normalen Undulatorstrahlung nur wenige fs beträgt. Die CHG-Pulse weisen auch überlegene transversale Kohärenzeigenschaften auf. Bei der Erzeugung und Anwendung breit- und schmalbandiger kohärenter Terahertzpulse besteht eine sehr produktive Zusammenarbeit mit zwei Instituten des KIT in Karlsruhe sowie der Universität Lille/Frankreich. Wesentliche Vorbereitungen für die zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie an magnetischen Materialien in Form von Anrege-Abfrage-Experimenten wurden in enger Zusammenarbeit mit einer Gruppe des Forschungszentrums Jülich getroffen. Diese Arbeiten gestalteten sich als aufwändiger als geplant. Für die Anregepulse wurde eine evakuierte Strahllinie aufgebaut, an deren Ende die Laserpulse mit einer Präzision von wenigen Femtosekunden verzögert und fokussiert werden. Die Position auf der Probe wird aktiv geregelt. Das vorhandene Photoelektronenspektrometer und sein Datenaufnahmesystem wurden modifiziert, so dass die von CHG-Pulsen erzeugten Photoelektronen nun routinemäßig erfasst werden können. Anrege- und Abfragepulse wurden auf der Probe räumlich und zeitlich zum Überlapp gebracht. Einige technische Detailprobleme und Ausfälle des Speicherrings haben jedoch die Aufnahme eines regelmäßigen Nutzerbetriebs verzögert. In Zusammenarbeit und mit Unterstützung des Forschungszentrums Jülich ist bereits eine Erweiterung der Kurzpulsquelle nach dem neuartigen EEHG-Verfahren („echo-enabled harmonic generation“) geplant, bei dem eine zweifache Laser-Elektronen-Wechselwirkung die Erzeugung ultrakurzer Pulse bei wesentlich kürzerer Wellenlänge ermöglichen wird. Während es erste EEHG-Demonstrationsexperimente als „seeding“-Verfahren für FELs an Linearbeschleunigern gibt, ist derzeit kein vergleichbares Projekt an einem anderen Speicherring geplant. Auf diesem Gebiet arbeitet DELTA auch mit DESY in Hamburg im Rahmen von „seeding“-Experimenten am Freie-Elektronen-Laser FLASH zusammen.
Publications
- CHG at DELTA – a new facility for ultrashort pulses in the VUV and THz regime. Synchrotron Radiation News 24(5), p. 18 (2011)
S. Khan, M. Bakr, M. Höner, H. Huck, R. Molo, A. Nowaczyk, A. Schick, P. Ungelenk, M. Zeinalzadeh
- Generation of Ultrashort and Coherent Synchrotron Radiation Pulses at DELTA Synchrotron Radiation News 26(3), p. 25 (2013)
S. Khan, F. Bahnsen, S. Cramm, S. Döring, J. Grewe, M. Höner, H. Huck, M. Huck, R. Molo, L. Plucinski, A. Schick, C.M. Schneider, P. Ungelenk
