Die präzise Messung des zeitlichen Profils von Elektronenpaketen mit einer Länge von weniger als einer Picosekunde ist für den Betrieb und die Optimierung von Freie-Elektronenlasern im VUV- und Röntgen-Bereich von großer Bedeutung. In dieser Arbeit werden die kürzesten Signale gezeigt, die bisher mit elektro-optischen Verfahren an einem Beschleuniger gemessen worden sind. Es wird eine Zeitauflösung von besser als 50 fs (rms) erreicht. Unterschiedliche Effekte, die bei verschiedenen elektro-optischen Detektionsverfahren zu Signalverformung und -verbreiterung führen, werden anhand von numerischen Simulationen für verschiedene elektro-optische Materialien untersucht. Die zeitliche Aufösung ist hauptsächlich durch die Gitterresonanz des elektro-optischen Kristalls begrenzt.
Mit Hilfe der zeitaufgelösten elektro-optischen Detektion mit Kristallen aus Galliumphosphid (GaP) können Signale mit einer Länge von 54 fs (rms) in einem Aufbau mit gekreuzten Polarisatoren gemessen werden. Bei fast gekreuzten Polarisatoren ist das elektro-optische Signal proportional zur elektrischen Feldstärke des vom relativistischen Elektronenpaket mitgeführten THz Pulses. In diesem Fall haben die kürzesten gemessenen Signale eine Breite von 70 fs (rms).
Die elektro-optischen Signale werden mit der Form eines Elektronenpakets verglichen, das parallel mit einem transversal ablenkenden Hochfrequenzresonator mit 20 fs Auflösung vermessen worden ist. Numerische Simulationen, die die mit dem seitlich ablenkenden Hochfrequenzresonator gemessene Form der Elektronenpakete als Eingangsdaten nutzen, stimmen sehr gut mit den Signalen der zeit- und spektralaufgelösten elektro-optischen Detektion überein, wenn mit GaP gemessen wird.
Bei Kristallen aus Zinktellurid (ZnTe) sind die gemessenen Signale breiter und signifikant niedriger als von den Simulationen vorhergesagt wird. Diese Abweichungen können durch die schlechte optische Qualität des verwendeten ZnTe-Kristalls verursacht sein.
Precise measurements of the temporal profile of sub-picosecond electron bunches are of high interest for the optimization and operation of VUV and X-ray free electron lasers. In this thesis, the shortest electro-optic signals measured so far for electron bunch diagnostics are presented, reaching a time resolution of better than 50 fs (rms). The effects that introduce signal distortions and limit the time resolution are studied in numerical simulations for different electro-optic detection materials and techniques. The time resolution is mainly limited by lattice resonances of the electro-optic crystal.
Electro-optic signals as short as 54 fs (rms) are obtained with gallium phosphide (GaP) crystals in a crossed polarizer detection scheme using temporally resolved lectro-optic detection. Measuring near crossed polarization, where the electro-optic signal is proportional to the velocity field of the relativistic electron bunch, the shortest obtained signal width is 70 fs (rms).
The electro-optic signals are compared to electron bunch shapes that are measured simultaneously with a transverse deflecting structure with 20 fs resolution. Numerical simulations using the bunch shapes as determined with the transverse deflecting cavity as input data are in excellent agreement with electro-optical signals obtained with GaP, both for temporally and spectrally resolved measurements. In the case of zinc telluride (ZnTe) the observed signals are slightly broader and significantly smaller than expected from simulations. These discrepancies are probably due to the poor optical quality of the available ZnTe crystals.