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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.

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

2 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 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

3 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.

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

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

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

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

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

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

10 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 10 Übersicht eines SASE FEL 1. Beschleunigungsmodul 5 MeV127 MeV Beschleunigung off-crest E[MeV] s [m] Sim.: Igor Zagorodnov Supraleitende TESLA Technologie

11 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 11 Übersicht eines SASE FEL 3. harmonischen Modul 5 MeV127 MeV s [m] E[MeV] Linearisierung des long. Phasenraums Sim.: Igor Zagorodnov

12 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 12 Übersicht eines SASE FEL Bunch Kompressoren 5 MeV127 MeV Zum erreichen der Spitzenströme vom einigen kA werden die Elektronenpakete in einer Magnetschikane komprimiert Disp. F. Stulle MeV1200 MeV Sim.: Igor Zagorodnov s [m] E[MeV]

13 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 13 Übersicht eines SASE FEL 315 m HF Gun Longitudinale Strahldiagnose 3. harmonischen Modul Beschleunigungsmodule Bunch Kompressoren Undulatoren Photondiagnose Experimente 5 MeV127 MeV450 MeV1200 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] Seeding Experiment

14 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 14 Typische SASE Spektren Nature Photonics 2,

15 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 …

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

17 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

18 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

19 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 19 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

20 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 (~10 16 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

21 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 21 Parameter für sFLASH StrahlparameterNIR Laser HHG Pulse (Quelle) HHG Pulse (Undulator) Elektronpakete (Undulator) Rep. Rate [Hz]10 5 (1MHz) Pulsdauer [fs] (FWHM) Pulsenergie/Puls [J] (FWHM)35 mJ100 nJ>1 nJI max 2 kA Strahlgröße [µm] (FWHM) UndulatorenU32U33 Periode [mm] min. Polabstand [mm]9.0 Anzahl der Pole Max. K-Parameter Länge [m]24 Gesamtlänge [m]10

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

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

24 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 24 Einkopplung

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

26 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 26 Transversaler Überlapp: Diagnose

27 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 27 Undulatoren

28 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 28 Auskopplung

29 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 29 Status der Installationen HHG Lasersystem HHG-Quelle HHG-Einkopplung Transversaler Überlapp Diagnose Longitudinaler Überlapp Diagnose Undulatoren FEL Auskopplung und Diagnose Experimente

30 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 30 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)

31 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 31 Ausblick Experimente bei sFLASH: –XUV-Pulsanalyse Messung der zeitlichen Pulsstruktur mit Hilfe einer lichtgetrieben Streak-Kamera (Umwandeln von I XUV (t) -> I e (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

32 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 32 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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