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. 

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).