"Entwicklung einer XUV Seed-Quelle für FLASH2 mit hohen Wiederholraten"

"A High Repetition Rate XUV Seeding Source for FLASH2"

Kurzfassung

Verbesserte Leistung der Freie-Elektronen Laser (FEL) Lichtquellen in Bezug auf zeitliche Stabilität, Pulsform und spektralen Eigenschaften des verstärkten FEL Pulses ist in vielen Bereichen der Wissenschaft von Interesse. Eine vielversprechende Methode zur Realisierung dieser Verbesserungen ist das direkte "Seeden" mit in Edelgasen erzeugten höheren Harmonischen eines Laserstrahls. Ein durch eine externe XUV-Quelle "geseedeter" Freie-Elektronen Laser ist für FLASH2 bei DESY in Hamburg geplant. Die Anforderungen an die XUV/soft X-ray-Quelle kann wie folgt zusammengefasst werden: Man benötigt eineWiederholrate von mindestens 100 kHz im 10Hz-Pulszug kombiniert mit variablen Wellenlängen von 10 bis 40 nm und Pulsenergien von mehreren nJ innerhalb einzelner Harmonischer.

Diese Anwendung erfordert ein Laser-Verstärker-System mit außergewöhnlichen Parametern, mJ-Level Pulsenergie, 10-15 fs Pulsdauer bei 100 kHz (1MHz geplant) in 10Hz Burst-Wiederholraten. Ein neues "optical parametric chirped-pulse amplification" (OPCPA) System ist in der Entwicklung, um diese Anforderungen zu erfüllen, und herausragende Ergebnisse sind in den letzten drei Jahren erreicht worden. Parallel zu dieser Entwicklung ist eine neue "High Harmonic Generation" Konzeption notwendig, um die hohe mittlere Leistung des antreibenden Lasers zu nutzen und um hohe Konversionseffizienzen und damit ausreichend "Seed"-Energie erhalten zu können. Adequate Effizienzen des "High Harmonic Generation" Prozesses wurden bisher mit Gas gefüllten Kapillaren erreicht. Für unsere Anwendung ist jedoch nur ein Gastarget mit frei liegenden Jets anwendbar, um die durch die hohen Wiederholraten entstehende hohe Durchschnittsleistung ohne materielle Zerstörschwelle nutzen zu können. Zu diesem Zweck wurde eine neuartige dual-Gas Multijet Quelle entwickelt und erste Versuche zeigen eine bemerkenswerte Kontrolle des Grades der Phasenanpassung, was wiederum die Basis für die absolute Kontrolle über den harmonischen Photonenfluss und der XUV-Puls-Eigenschaften bildet. Den Kern des neuen HHG Konzeptes bilden passive Zonen zwischen mehreren Erzeugungsquellen. Diese Zonen sind mit Wasserstoff gefüllt, der ab Intensitäten von > 3 · 10¹⁴ W/cm² keine höheren Harmonischen mehr erzeugt. Der dispersive Effekt des entstehenden Wasserstoff Plasmas führt zu einem Phasenvorschub in den passiven Zonen. Damit kann man die harmonische Ausbeute beachtlich erhöhen. Eine Erhöhung des Signals um einen Faktor von maximal 36, im Vergleich zu einem Einzeljet von gleicher Länge, konnte gezeigt werden und die Konversionseffizienz is bereits vergleichbar zu den besten Werten, die bisher in der Literatur zu finden sind. Zusätzlich können die Beiträge der zwei beitragenden Trajektorien kontrolliert werden. Dies ermöglicht einen direkten Einfluss auf die Kohärenzeigenschaften der Quelle.

Diese neuartige XUV-Quelle, die aus einem hoch repetitiven Lasersystem und einer Dual-Gas Harmonischenquelle besteht, sollte zu genügend Energie und einem hohen Maß an Kohärenz-Kontrolle innerhalb des "Seed"-Prozesses bei FLASH2 führen.

Titel

Kurzfassung

Summary

Improved performance of free-electron laser (FEL) light sources in terms of timing stability,pulse shape and spectral properties of the amplified FEL pulses is of interest in material science,the fields of ultrafast dynamics, biology, chemistry and even special branches in industry. A promising scheme for such an improvement is direct seeding with high harmonic generation(HHG) in a noble gas target. A free-electron laser seeded by an external extreme ultraviolet(XUV) source is planned for FLASH2 at DESY in Hamburg. The requirements for theXUV/soft X-ray source can be summarized as follows: A repetition rate of at least 100 kHz in a 10Hz burst is needed at variable wavelengths from 10 to 40 nm and pulse energies of several nJ within a single laser harmonic.

This application requires a laser amplifier system with exceptional parameters, mJ-level pulse energy, 10^-15 fs pulse duration at 100 kHz (1MHz) burst repetition rate. A new optical parametric chirped-pulse amplification (OPCPA) system is under development in order to meet these requirements, and very promising results have been achieved in the last three years. In parallel to this development, a new HHG concept is necessary to sustain high average power of the driving laser system and to generate harmonics with high conversion efficiencies. Currently, the highest conversion efficiency with HHG has been demonstrated using gas-filled capillary targets. For our application, only a free-jet target can be used for HHG, in order to overcome damage threshold limitations of HHG target optics at a high repetition rate.

A novel dual-gas multijet gas target has been developed and first experiments show remarkable control of the degree of phase matching forming the basis for improved control of the harmonic photon flux and the XUV pulse characteristics. The basic idea behind the dual-gas concept is the insertion of matching zones in between multiple HHG sources. These matching sections are filled with hydrogen which shows no HHG for intensities > 3·10¹⁴ W/cm². The dispersion of the hydrogen plasma leads to a phase advance in the matching zone which can be used to significantly enhance the harmonic yield. An enhancement of up to a factor of 36 has been demonstrated with dual-gas HHG compared with a single jet of the same length. The achieved conversion efficiencies are already competitive with the best efficiency values so far reported.