Wellenfrontmessung bei sFLASH Diplomanden- und Doktoranden-Seminar 02/07/2010 Ulrich Hipp Universität Hamburg
Überblick Theorie Simulationen Messungen Wellenfronten Prinzip des Hartmann Sensors Wellenfront Rekonstruktion Simulationen Annahmen für die Simulation Aufbau der Simulationen Ergebnisse Messungen Aufbau der Messanordnung Schwierigkeiten bei der Messung Erste Messung
Überblick Theorie Simulationen Messungen Wellenfronten Prinzip des Hartmann Sensors Wellenfront Rekonstruktion Simulationen Annahmen für die Simulation Aufbau der Simulationen Ergebnisse Messungen Aufbau der Messanordnung Schwierigkeiten bei der Messung Erste Messung
Theorie - Wellenfronten Lösung der Wellengleichung Maxwell Wellengleichung Definition der Phase: Definition der Wellenfront: Eine Fläche, die alle Punkte einer Welle verbindet, welche die gleiche Phase haben
Theorie - Wellenfronten Beispiel Punkquelle: Wellenfronten sind Kugeloberflächen Definition der Wellenfront: Eine Fläche, die alle Punkte einer Welle verbindet, welche die gleiche Phase haben
Theorie - Wellenfronten Beispiel Punkquelle: Wellenfronten sind Kugeloberflächen Definition der Wellenfront: Eine Fläche, die alle Punkte einer Welle verbindet, welche die gleiche Phase haben
Theorie - Wellenfronten Beliebige Wellenfronten Die Ausbreitungsrichtung ist immer senkrecht zur Wellenfront !!! Poyntingvektoren Definition der Wellenfront: Eine Fläche, die alle Punkte einer Welle verbindet, welche die gleiche Phase haben
Theorie – Hartmann Sensor Geometrischer Effekt – transversale Strahlabweichungen Messung der lokalen Winkel der Wellenfront an diskreten Punkten Wellenfront-Rekonstruktion durch bestimmte Algorithmen
Theorie – Hartmann Sensor Geometrischer Effekt – transversale Strahlabweichungen Messung der lokalen Winkel der Wellenfront an diskreten Punkten Wellenfront-Rekonstruktion durch bestimmte Algorithmen Benötigte Hardware: Lochplatte (Hartmann-Platte) Kamera
Theorie – Hartmann Sensor Geometrischer Effekt – transversale Strahlabweichungen Messung der lokalen Winkel der Wellenfront an diskreten Punkten Wellenfront-Rekonstruktion durch bestimmte Algorithmen Benötigte Hardware: Lochplatte (Hartmann-Platte) Kamera Sensor ist achromatisch (zumindest über einen großen Bereich) Gleichzeitige Messung des Intensitätsprofils möglich
Theorie – Hartmann Sensor incoming wavefront aperture array CCD-camera Distance D
Theorie – Hartmann Sensor incoming wavefront aperture array CCD-camera Distance D
Theorie – Hartmann Sensor incoming wavefront aperture array CCD-camera poynting vector Distance D
Theorie – Hartmann Sensor incoming wavefront aperture array CCD-camera Distance D
Theorie – Hartmann Sensor incoming wavefront aperture array CCD-camera Distance D reference wave
Theorie – Hartmann Sensor incoming wavefront aperture array CCD-camera Distance D reference wave
Theorie – Hartmann Sensor incoming wavefront aperture array CCD-camera Distance D reference wave
Theorie – Hartmann Sensor incoming wavefront aperture array CCD-camera wavefront reconstruction reference wave Distance D
Theorie – Hartmann Sensor Messbereich des Hartmann Sensors aperture array CCD-camera dynamic range spot out of dynamic range aperture separation s Distance D
Theorie – Hartmann Sensor Messbereich des Hartmann Sensors Einstellen des Messbereichs durch Änderung des Abstandes Lochplatte-Sensor
Theorie – Hartmann Sensor Zum Vergleich: Shack-Hartmann Sensor Linsen-Array Nicht für XUV-Bereich geeignet, da keine Linsen für XUV !!!
Theorie – Wellenfront Rekonstruktion Durch Messung erhält man eine Matrix der lokalen Winkeln Gradientenfeld Wellenfront ist eine Obefläche W Zonal: Linear Integration
Theorie – Wellenfront Rekonstruktion Modal: Rekonstruktion durch Superposition von Basisfunktionen
Theorie – Wellenfront Rekonstruktion Modal: Rekonstruktion durch Superposition von Basisfunktionen Zernike Polynome
Überblick Theorie Simulationen Messungen Wellenfronten Prinzip des Hartmann Sensors Wellenfront Rekonstruktion Simulationen Annahmen für die Simulation Aufbau der Simulationen Ergebnisse Messungen Aufbau der Messanordnung Schwierigkeiten bei der Messung Erste Messung
Simulationen – Annahmen
Simulationen – Annahmen sFLASH: Einkopplung des Seeds
Simulationen – Annahmen sFLASH
Simulationen – Annahmen setup of wavefront sensor beamline zu FLASH HHG-Quelle
Simulationen – Annahmen Wellenfront der Fundamentalen (800nm) Mesung beim sFLASH drive laser
Simulationen – Annahmen Wellenfront der Fundamentalen (800nm) Messung von Harmonischen aus HHG* Mesung beim sFLASH drive laser * Eur. Phys. J. D 48, 459–463 (2008) DOI: 10.1140/epjd/e2008-00123-2
Simulationen – Annahmen Mesung beim sFLASH drive laser Sieht aus wie eine Sattelfunktion Simulierte Wellenfront
Simulationen – Annahmen
Simulationen – Annahmen 3 Fälle: Ebene Welle Sattelfunktion mit rms 0.2 lambda Sattelfunktion mit rms 0.4 lambda (lambda = 38 nm) 0.2 lambda rms phase- variation 0.4 lambda rms phase- variation plane wave
Simulationen – Annahmen Workflow der Simulationen Erstellen des Modells (Intensitätsverteilung, Wellenfront) Propagation des Modells durch die Beamline bis zum Undulator mit ZEMAX Übersetzung der Daten und anschließende Simulation für GENESIS Simulation im Undulator
Simulationen – Annahmen Workflow der Simulationen Erstellen des Modells (Intensitätsverteilung, Wellenfront) Propagation des Modells durch die Beamline bis zum Undulator mit ZEMAX Übersetzung der Daten und anschließende Simulation für GENESIS Simulation im Undulator Creating the wavefront-model at sensor-position Propagation with ZEMAX through the beamline Propagation with GENESIS through the undulators Transerring data to ZEMAX Transerring data to GENESIS
Simulationen – Aufbau Fokussierender Spiegel sFLASH beamline in ZEMAX Undulator Anfang Triplett HHG-Quelle (waist)
Simulationen – Aufbau Fokussierender Spiegel sFLASH beamline in ZEMAX Triplett 3 Fokus-Längen einstellbar: - 6.25 m - 7 m - 8.5 m
Simulationen – Ergebnisse Ergebnisse von ZEMAX: Strahl am Undulator Ebene Welle: 0 lambda rms
Simulationen – Ergebnisse Ergebnisse von ZEMAX: Strahl am Undulator Ebene Welle: 0.2 lambda rms
Simulationen – Ergebnisse Ergebnisse von ZEMAX: Strahl am Undulator Ebene Welle: 0.4 lambda rms
Simulationen – Ergebnisse Nächster Schritt: Simulationen mit GENESIS Das simulierte Seed ist immer auf gleiche Leistung am Undulatoranfang skaliert
Simulationen – Ergebnisse
Simulationen – Ergebnisse
Simulationen – Ergebnisse
Simulationen – Ergebnisse
Simulationen – Ergebnisse Fazit: Die Phasenverteilung selbst hat keinen großen Einfluss auf den Prozess des Seedings Aber: Die Wellenfront beeinflusst die Propagation der Pulse und damit die Fokussierung des Seeds Dieser Effekt ist ausschlaggebend für das Seeding
Überblick Theorie Simulationen Messungen Wellenfronten Prinzip des Hartmann Sensors Wellenfront Rekonstruktion Simulationen Annahmen für die Simulation Aufbau der Simulationen Ergebnisse Messungen Aufbau der Messanordnung Schwierigkeiten bei der Messung Erste Messung
Messungen - Messanordnung Beamline zu FLASH HHG-Quelle HHG-Quelle Labor 28G
Messungen - Messanordnung Beamline zu FLASH Aufbau Hartmann-Sensor HHG-Quelle Labor 28G
Messungen - Messanordnung Beamline in der Diagnostik
Messungen - Messanordnung Hartmann-Platte
Messungen - Messanordnung Hartmann-Platte
Messungen - Messanordnung Adapter für die Hartmann-Platten
Messungen - Messanordnung Messbereich der Hartmann-Platten
Messungen - Schwierigkeiten Aufnahme der Referenzwelle Erzeugung einer perfekten sphärischen Welle durch ein Pinhole (10mu) Intensität der 21. Harmonischen (38nm) nicht ausreichend dabei Fokussierung + Pinhole in der Fokus bringen Aber: Justierung fast unmöglich Alternative: Andere Lichtquelle für die Referenzwelle – LED bei 465nm
Messungen – Erste Messung
Messungen – Erste Messung 21. Harmonische ohne Hartmann-Platte (38nm)
Messungen – Erste Messung 21. Harmonische mit Hartmann-Platte (38nm)