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sFLASH. Das „Seeding"-Projekt am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg Beschleuniger Seminar TU Dortmund/DELTA 3/3/09 Jörn Bödewadt Universität Hamburg. Inhalt. Einleitung SASE FELs Ein paar Formeln Übersicht eines SASE FEL (FLASH nach 2009) SASE vs. Seeding

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Presentation Transcript

  1. sFLASH Das „Seeding"-Projekt am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg Beschleuniger Seminar TU Dortmund/DELTA 3/3/09 Jörn Bödewadt Universität Hamburg

  2. 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 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  3. 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. J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  4. Intensive kohärente Röntgenstrahlen FLASH • Kohärente Röntgenquellen: • HHG Methoden • Plasma basierte Methoden • Freie Elektronen Laser Photon energy (eV) Peak Power (W) Wavelength (m) J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  5. FEL Prinzip • Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen im Magnetfeld eines Undulators führt zur Energiemodulation der Teilchenpakete Resonanzbedingung: J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  6. SASE Prinzip (High Gain FEL) Abgestrahlte Leistung: Spontane Emission Energie- modulation Dispersion im Magnetfeld Energiemodulation  Dichtemodulation • Bunching • Phasenmodulation • Exp. Energieaustausch  FEL Verstärkung Gain Länge: Sättigung Sättigungsleistung: Spitzenstrom des e-Pakets J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  7. Anforderungen an die Elektron Pakete • hoher Spitzenstrom ( ~ kA ) • kleine transversale Emittanz -> norm. Emittanz ~ 1 mm mrad • kleine Energiebreite J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  8. Übersicht eines SASE FEL J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  9. Übersicht eines SASE FEL laser beam e- beam Cathode 5 MeV HF Gun Photokathodenlaser S. Schreiber J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  10. Übersicht eines SASE FEL E[MeV] s [m] 5 MeV 127 MeV • Beschleunigung „off-crest“ 1. Beschleunigungsmodul Supraleitende TESLA Technologie Sim.: Igor Zagorodnov J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  11. Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 3. harmonischen Modul • Linearisierung des long. Phasenraums Sim.: Igor Zagorodnov E[MeV] s [m] J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  12. Übersicht eines SASE FEL Sim.: Igor Zagorodnov E[MeV] s [m] 5 MeV 127 MeV 450 MeV 1200 MeV • Zum erreichen der Spitzenströme vom einigen kA werden die Elektronenpakete in einer Magnetschikane komprimiert Bunch Kompressoren Disp. F. Stulle 2004 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  13. Übersicht eines SASE FEL 315 m 5 MeV 127 MeV 450 MeV 1200 MeV • Elektronenstrahlparameter FLASH (2009): Experimente Kollimatoren Undulatoren Bunch Kompressoren HF Gun Beschleunigungsmodule Photondiagnose Longitudinale Strahldiagnose Seeding Experiment 3. harmonischen Modul J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  14. Typische SASE Spektren Nature Photonics 2, 555 - 559 (2008) @FLASH J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  15. 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 … J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  16. SASE <> Seeding • … wird der FEL Prozess gezielt induziert: Simulationen für PSI XFEL Nature Photonics 2, 555 - 559 (2008) J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  17. 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 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  18. 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 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  19. Seeding mit höheren Harmonischen • Schematischer Versuchsaufbau Elektronenstrahl Energiekollimator Undulator Optischer Hochleistungslaser 800 nm ~ 10 mJ Erzeugung von höheren Harmonischen der Lichtwellen Induzierter FEL Prozess ~ 30 nm ~ 10 nJ ~ 30 nm > 10 µJ Pump-Probe-Experiment J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  20. 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 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  21. Parameter für sFLASH J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  22. sFLASH Installation Experimente mit sFLASH Pulsen HHG Lasersystem und HHG Quelle J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  23. HHG Quelle J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  24. Einkopplung J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  25. Transversaler Überlapp: Diagnose J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  26. Undulatoren J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  27. Auskopplung J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  28. 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) J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  29. 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 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

  30. 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 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

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