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

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 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. 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Intensive kohärente Röntgenstrahlen Kohärente Röntgenquellen: HHG Methoden Plasma basierte Methoden Freie Elektronen Laser FLASH Photon energy (eV) Peak Power (W) Wavelength (m) 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund FEL Prinzip Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen im Magnetfeld eines Undulators führt zur Energiemodulation der Teilchenpakete Resonanzbedingung: 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Anforderungen an die Elektron Pakete hoher Spitzenstrom ( ~ kA ) kleine transversale Emittanz -> norm. Emittanz ~ 1 mm mrad kleine Energiebreite 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Übersicht eines SASE FEL 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Übersicht eines SASE FEL 5 MeV HF Gun laser beam e- beam Cathode Photokathodenlaser S. Schreiber 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 1. Beschleunigungsmodul Supraleitende TESLA Technologie Beschleunigung „off-crest“ Sim.: Igor Zagorodnov E[MeV] s [m] 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 3. harmonischen Modul Linearisierung des long. Phasenraums Sim.: Igor Zagorodnov E[MeV] s [m] 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 450 MeV 1200 MeV Bunch Kompressoren Zum erreichen der Spitzenströme vom einigen kA werden die Elektronenpakete in einer Magnetschikane komprimiert Sim.: Igor Zagorodnov s [m] E[MeV] Disp. F. Stulle 2004 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Übersicht eines SASE FEL 5 MeV 127 MeV 450 MeV 1200 MeV HF Gun Bunch Kompressoren Kollimatoren Undulatoren Experimente Beschleunigungsmodule Photondiagnose Longitudinale Strahldiagnose 3. harmonischen Modul Seeding Experiment 315 m 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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Typische SASE Spektren Nature Photonics 2, 555 - 559 (2008) @FLASH 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 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 … 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund SASE <> Seeding … wird der FEL Prozess gezielt induziert: Simulationen für PSI XFEL Nature Photonics 2, 555 - 559 (2008) 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Parameter für sFLASH Strahlparameter NIR Laser HHG Pulse (Quelle) (Undulator) Elektronpakete Rep. Rate [Hz] 10 5 (1MHz) Pulsdauer [fs] (FWHM) 30 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 Anzahl der Pole 120 240 Max. K-Parameter 3.0 3.3 Länge [m] 2 4 Gesamtlänge [m] 10 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund sFLASH Installation Experimente mit sFLASH Pulsen HHG Lasersystem und HHG Quelle 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund HHG Quelle 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund Einkopplung 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Longitudinaler Überlapp: Diagnose 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Transversaler Überlapp: Diagnose 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund Undulatoren 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund Auskopplung 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

Status der Installationen HHG Lasersystem HHG-Quelle HHG-Einkopplung Transversaler Überlapp Diagnose Longitudinaler Überlapp Diagnose Undulatoren FEL Auskopplung und Diagnose Experimente 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 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) 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund 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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund

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 03.03.2009 J. Bödewadt - Beschleuniger Seminar TU Dortmund