Kurzfassung
Laser-Plasma Beschleuniger gelten als aussichtsreiche Kandidaten um zukünftige hyperspektrale und kompakte Lichtquellen zu betreiben. Durch die beinahe perfekte Synchronisierung mit einem optische Laser, und die zu erwartenden Pulslängen von nur wenigen Femtosekunden, würden sie die Zeitauflösung, mit der dynamische Prozesse in der Biology, Medizin und den Materialwissenschaften untersucht werden können, dramatisch erhöhen. Bisherige Versuche einen Laser-Plasma basierten Freie-Elektronen Laser (FEL) zu realisieren scheiterten an der großen Energiebandbreite, die die derzeit verfügbaren Laser-Plasma basierten Elektronenstrahlen aufweisen. In dieser Arbeit wird mit einen neuen Designansatz das FEL Konzept konsequent auf die Akzeptanz von grossen Energiebandbreiten optimiert. Dadurch wird ein FEL Demonstrationsexperiment mit den bereits heute von Laser-Plasma Beschleunigern verfügbaren Elektronenstrahlen möglich. Als erster Schritt hin zu einer konkreten Realisierung, wurde zunächst die spontane Undulatorstrahlung von Laser-Plasma generierten Elektronenstrahlen experimentell untersucht. Mit dem Einsatz von eigens gefertigten Mulitlayer Spiegel konnte eine freie Durchstimmbarkeit der generierten Wellenlängen bis hin zu Photonenenergien im Wasserfenster gezeigt werden. Die Spiegel ermöglichen zudem eine präzise Kontrolle über die erzeugten Pulse, angefangen von einer Stabilisierung der Photonenbandbreite bis hin zur Kontrolle über die generierten Pulsängen. Damit konnte bereits unabhängig von einem späteren FEL Betrieb eine einmalige Röntgenquelle in Hinblick auf Pulslänge, Photonenenergie und Synchronisation, gezeigt werden. Die vollständige Charakterisierung von derartigen Pulsen auf der extremen Zeitskala von nur wenigen Femtosekunden erfordert jedoch modernste Messmethoden wie sie derzeit an konventionell betriebenen FELs entwickelt werden. In zwei Experimenten, am LCLS (Linac Coherent Light Source) Freie-Elektronen Laser und dem FLASH Freie-Elektronen Laser, wurde dazu das Konzept der optischen Streakkamera angewandt und die generierten Röntgenpulse vermessen. Das Methode, die in diesem Experiment demonstriert wurde, kann ohne Weiteres auf ein Laser-Plasma basiertes Experiment übertragen werden und soll dort die vollständige Charakterisierung der erzeugten Pulse ermöglichen.
Laser-plasma accelerators are prominent candidates for driving next-generation compact light sources, promising high-brightness, few-femtosecond x-ray pulses intrinsically synchronized to an optical laser, and thus are ideally suited for pump-probe experiments with femtosecond resolution. So far, the large spectral width of laser-plasma driven beams has been preventing a successful free-electron laser (FEL) demonstration using such sources. This thesis introduces a paradigm break by optimizing the FEL setup for large energy-spread acceptance, enabling a proof-of-principle FEL experiment, driven by currently available laser-plasma generated beams. As a first step towards such an experiment, the generation of spontaneous undulator radiation, stabilized in bandwidth and freely tunable in wavelength up to water-window energies, has been experimentally demonstrated. Using specifically designed multilayer mirrors, unprecedented control over the generated x-ray pulses is possible. This experiment already demonstrates an unique source of x-rays, considering its synchronization properties and achievable photon pulse lengths and energies. Characterizing these pulses of only a few femtosecond length is a challenge shared with large-scale FEL facilities, operating in similar parameter regimes. The results of two recent experiments at the Linac Coherent Light Source (LCLS) free-electron laser and the FLASH free-electron laser are reported, which accessed for the first time the generated x-ray pulses on such extreme time scales using the concept of a laser-based optical streak camera. Adapting this experimental concept will allow to fully characterize the x-ray beams from a laser-plasma driven undulator in a future experiment.