Kurzfassung
Stark verstärkende Freie-Elektronen-Laser (FELs) erzeugen ultrakurze Photonenpulse mit beispiellosen Intensitäten bei Wellenlängen bis unter 1 Angström. Der exponentielle Verstärkungsprozess
in diesen Anlagen wird durch spontane Undulatorstrahlung initiert, welche vom Elektronenpaket am Anfang des Undulators abgestrahlt wird. Aufgrund der stochastischen Ursache dieser Initierung aus dem Rauschen ist die zeitliche Kohärenz typischerweise beschränkt.
Das sogenannte “Seeding” ist eine Methode, um die longitudinale Kohärenz der erzeugten Photonenpulse zu verbessern. In dieser Betriebsart werden die Eigenschaften des Photonenpulses durch die kohärente Seed-Strahlung kontrolliert. Das Seeding-Experiment sFLASH wurde im Jahr 2010 zur Erforschung von direct-HHG Seeding an der FEL-Nutzeranlage FLASH aufgebaut. Für erfolgreiches Seeding ist eine gute Kontrolle des Überlapps zwischen der Seed-Strahlung und den Elektronenpaketen in der Wechselwirkungszone entscheidend. In dieser Arbeit werden numerische Untersuchungen von Methoden zur Detektion des zeitlichen Überlapps beschrieben, welche im sFLASH direct-HHG Seeding-Experiment verwendet werden. Ergebnisse aus direct-HHG Seeding- Experimenten werden diskutiert.
Für den Betrieb von FELs ist die Qualität der Elektronenpakete entscheidend. Derartige Elektronenpakete hoher Helligkeit sind anfällig für die Microbunching-Instabilität. In dieser Arbeit werden Messungen einer laser-angeregten Microbunching-Instabilität vorgestellt. Die Elektronenpakete werden manipuliert, nachdem sie
ihre finale Energie sowie Kompression erreicht haben und der finale Inhalt ihres longitudinalen Phasenraumes wird zeitaufgelöst untersucht. Hierdurch wird die kontrollierte Untersuchung von longitudinalen Raumladungseffekten ermöglicht. Zudem wird der Einfluß dieser laser-angeregten longitudinalen Raumladungseffekte auf den SASE FEL-Prozess untersucht.
High-gain free-electron lasers (FELs) generate ultra-short photon pulses with unparalleled intensities at wavelengths down to the sub-angström range. The exponential amplification process in these devices is initiated by spontaneous undulator radiation emitted by the electron bunch at the beginning of the undulator. Due to the stochastic nature of this start-up from noise, temporal coherence is typically limited. Seeding is a technique to improve the longitudinal coherence of the generated photon pulses. In this mode of operation, the coherent seed radiation controls the properties of the output FEL pulse. The seeding experiment sFLASH has been installed at the FEL user facility FLASH in 2010 for the experimental investigation of direct-HHG seeding. For successful seeding, a well-controlled overlap between the seed pulses and the electron bunches in the interaction region is critical. In this thesis, numerical studies of the detection methods used in the sFLASH direct-HHG seeding experiment for the detection of temporal overlap are presented. Results of direct-HHG seeding are discussed. For the operation of FELs, electron bunch quality is critical. These high-brightness electron bunches are susceptible to the microbunching instability. In this thesis, measurements on a laserinitiated microbunching instability are presented. The electron bunches are manipulated after reaching final acceleration and compression and the final longitudinal phase-space distribution is analyzed time-resolved. This enables the controlled investigation of longitudinal space-charge effects. Moreover, the impact of these laser-triggered longitudinal-space charge effects on the SASE FEL process is studied.