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Charakterisierung ultrakurzer und kohärenter VUV-Pulse

DELTA ist ein 1,5-GeV-Elektronen­spei­cherring, der an der Technischen Universität Dortmund vom Zentrum für Synchrotronstrahlung betrieben wird. Er steht internen und externen Anwendern zur Verfügung so­wie generell für Forschung in der Be­schleu­ni­gerphysik. 

Die Pulsdauer der Synchrotron­strah­­lung ergibt sich aus der typi­schen Pa­ketlänge in Elektronen-Spei­cher­rin­gen von einigen 10 ps bis 100 ps (FWHM). In neuartigen Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern (FELs) werden kurze Pulslängen von bis zu 10 fs erreicht. Bis heute sind allerdings nur vier dieser Einzelanwender-Anlagen in Betrieb, während um die 50 Synchrotron-Lichtquellen mehreren Anwendern gleichzeitig zur Ver­fügung stehen. Daher lohnt es sich Methoden zu finden, die die Mög­­­lichkeiten dieser herkömmli­chen Licht­quellen in Richtung kür­­zere Pulsdauern erwei­tern. Ko­hä­­­­rente Erzeugung der Har­mo­ni­schen (Coherent Harmonic Gene­ra­tion – CHG) ist eine Methode, ko­hä­­­rente Strahlungspulse zu erzeugen, die ca. 1000 x kürzer sind als die Elektronenpaketlänge. Hier breitet sich ein Femtosekunden-Laserpuls zu­sammen mit dem Paket durch einen Un­dulator („Modulator“, s. Abb. 1) aus, einer magnetischen Struk­tur mit alternierendem Feld. 

Charakterisierung ultrakurzer und kohärenter VUV-Pulse
Abb. 1: Prinzip der CHG mit laserinduzierter Energie-Modulation (∆E/E versus z in Einheiten der Laserwellenlänge) in einem Undulator (Modulator); Micro-Bunching in einer magnetischen Schikane und kohärente Emission von Laserharmonischen in einem zweiten Undulator (Radiator)

Die Laser-Elektronen-Interaktion verursacht eine periodische Modulation der Energie innerhalb eines kurzen Ab­schnitts in der Paketmitte. In einer nach­fol­genden Anordnung von Dipol-Mag­neten („Schikane“) verwandeln die energieabhängigen Weglängen der Elektronen die Energie-Modulation in periodische Abweichungen der La­dungsdichte („Micro-Bunching“). In einem zweiten Undulator („Radiator“) erzeugen die Micro-Bunches kohärente und ultrakurze Strahlung bei den Harmonischen der Laserwellenlänge.

Dieser Puls ist stärker als die inkohä­rente Strahlung, die vom Rest des Elek­tronenpakets emittiert wird.

Die CHG-Methode wurde zuerst im ACO-Speicherring in Frankreich gezeigt und anschließend auch an anderen Orten angewendet. Seit 2011 wird CHG an der DELTA-Kurzpuls-Anlage getestet und weiterentwickelt (Abb. 2).

Kurzpuls-Anlage
Abb. 2: Kurzpuls-Anlage am DELTA, bestehend aus einem Lasersystem, Strahl­führung BL 3 (sendet Laserpulse zum Undulator U250), Diagnose-Strahlführung BL 4, Röntgen-Strahlführung BL 5 für Pump-Probe-Experimente und Terahertz-Strahlführung BL 5a

Am DELTA werden CHG-Pulse mit einer Rate von 1 kHz generiert, was der Repetitionsrate des Ti:Saphir-La­sers entspricht, der hier zum Einsatz kommt. Da die Umlauffrequenz eines einzelnen Pakets in einem Spei­cher­ring mit einem Umfang von 115,2 m bei 2,6 MHz liegt, folgen auf jeden CHG-Puls ca. 2600 inkohärente Pulse. Für seine Erfassung wird ein sehr schneller Detektor benötigt, wie z. B. eine Photodiode oder ein Gerät mit Ga­te-Funktion. 

Imaging ist für unterschiedliche Cha­rak­terisierungsaufgaben wichtig. Zum Beispiel, um die Winkelverteilung von CHG-Pulsen zu bestimmen, ein Singleshot-Spektrum aufzunehmen oder Interferenzmuster aufzuzeigen, die bei dieser Art Strahlung entstehen. Aus diesem Grund wurde hier eine schnell gegatete, Image-Intensified CCD-Kamera von Andor Technology installiert (iStar DH334T-18U-E3), die eine Gate-Zeit von mindestens 2 ns aufweist.


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