Kurzfassung
Freie Elektronen Laser (FELs) basierend auf klassischen Radio Frequenz (RF) Beschleunigern haben sich als verlässliche Quellen für kohärente Röntgenstrahlung mit hoher Intensität etabliert, und die Grenzen einer Vielzahl von wissenschaftlichen Anwendungen erweitert. Diese Technologie birgt grosses Potential für die Verbesserung von, unter anderem, bildgebenden Verfahren für medizinische Anwendungen und die Herstellung von Halbleiterchips. Aber um diese Lichtquellen einem breiteren Publikum zugänglich zu machen sind eine signifikante Reduzierung der Grösse und Kosten der Beschleuniger notwendig.
Mit dem Aufkommen von Laser-Plasma Beschleunigern (LPAs) als kraftvolle und kompakte Alternative zu RF Maschinen, erregte ihre potentielle Anwendung als Quellen für den Betrieb von FELs sofort Aufmerksamkeit. Erste LPA-FEL Ergebnisse wurden in den letzten Jahren erfolgreich von der wissenschaftlichen Gemeinschaft demonstriert. Verlässlicher Betrieb eines FELs mit hoher Signalstärke wurde noch nicht erreicht, repräsentiert jedoch einen kritischen Schritt um das Potential der Technologie zu bestätigen.
Diese Dissertation wurde am Hundred TeraWatt Undulator (HTU) Experiment durchgeführt, welches ein Teil der Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Gruppe am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ist, mit dem Ziel den stabilen Betrieb eines FELs mit einer LPA Quelle zu demonstrieren. Die hier präsentierte Arbeit zielte drauf ab, eine stabilere und reproduzierbarere LPA Interaktion zu erreichen, um zum ersten Mal LPA betriebene FEL Strahlung am HTU Experiment zu generieren und eine Plattform für nachfolgende Studien der Leistung des LPA-FEL Systems zu erstellen.
Um dieses Ziel zu erreichen fokussiert sich ein Grossteil der präsentierten Experimente auf die Verbesserung der experimentellen Diagnostiken, um neue Einblicke in die kritischen Parameter des LPA Prozesses zu ermöglichen. Diese Ergebnisse wurden wiederum genutzt, um die Notwendigkeit für weitere Systeme zur Stabilisierung des HTU Experiments zu untersuchen, deren Installation und Charakterisierung ebenfalls im Folgenden beschrieben werden.
Sowohl der Aufbau und die Inbetriebnahme neuer, als auch die Verbesserung existierender Diagnostiken, ermöglichte die Entdeckung systematischer Instabilitäten des Laser Systems. Insbesondere Variationen der Laser Puls Dauer und Energie, die im Rahmen der Arbeit an dieser Dissertation gefunden wurden, zeigen nachweislich einen grossen Einfluss auf den LPA Prozess. Gezielte Stabilisation jener Variationen, kombiniert mit umfangreichen Massnahmen um die Langzeit Stabilität der LPA Interaktion zu verbessern, ermöglichte die erfolgreiche Demonstration und Charakterisierung von 420 nm FEL Strahlung. Durch nachfolgende Optimierungen des Laser Systems und der Prozesse zum Betrieb des Beschleunigers, wurden zum ersten Mal mehr als tausendfache Verstärkung eines LPA-FEL Signals gezeigt, mit einer Verlässlichkeit von mehr als 90%. Eine nachfolgende Kampagne konnte dieses Level an Stabilität reproduzieren, über einen Zeitraum von mehr als acht Stunden.
Die Ergebnisse die im Rahmen dieser Dissertation erreicht wurden, repräsentieren eine nicht zuvor gezeigte Stabilität und allgemeine Leistung für LPA-betriebene FELs. Sie zeigen somit einen kritischen Fortschritt um diese Technologie als geeignete Plattform für zukünftige kompakte FELs zu etablieren.
Free-Electron Lasers (FELs) based on start-of-the-art radio-frequency (RF) accelerator facilities have been established as a reliable source of coherent, high-brightness x-ray beams, advancing and pushing the boundaries of a broad range of scientific applications. Their capabilities would unlock significant improvements to applications in medical imaging and semiconductor manufacturing, among others, but to make this technology available to a larger community, significant steps to reduce the cost and footprint of the accelerator facilities are required. With the emergence of laser-plasma accelerators (LPAs) as powerful, compact alternatives to RF machines, leveraging these sources to drive FELs immediately arose as a promising application. First results of LPA-driven FEL radiation have been achieved by the community over the last few years, but reliable high-gain FEL operation, required to prove the potential of serving as a capable platform for future light source facilities, has yet to be demonstrated. This dissertation was carried out at the Hundred TeraWatt Undulator (HTU) system, part of the Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) group at Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), and driven by the goal to demonstrate reliable operation of an LPA-driven FEL. The work presented here aims to achieve a more repeatable and stable LPA interaction, to enable a first demonstration of LPA-driven FEL lasing on the HTU system, and to develop an experimental platform for subsequent investigations of the LPA-driven FEL performance. To achieve this goal, a large part of the work conducted as a part of this thesis project went towards improvements of the diagnostic capabilities of the experiment, to obtain new insights into the key parameters of the LPA interaction. These results were used to inform the need for additional stabilization systems to improve system performance, and their subsequent development, installation, and characterization are discussed as well. The setup and commissioning of new, as well as the upgrade of existing diagnostics enabled the discovery of systematic instabilities of the laser system. Specifically variations of the laser pulse duration and energy, uncovered as part of this work, were shown to significantly impact the LPA performance. Implementing new stabilization capabilities targeted towards these variations, in combination with extensive efforts to further increase long-term reliability of the LPA interaction, yielded successful demonstration and characterization of LPA-driven FEL lasing at 420 nm. Through subsequent improvements to the laser system and operational procedures, first results exceeding 1000-fold gain from an LPA-driven FEL, with higher than 90% reliability, were achieved. During a dedicated follow-up campaign, continuous operation of the LPA-driven FEL over more than eight hours was demonstrated, while maintaining the performance of more than 90% of all shots exhibiting FEL gain. These results represent an unprecedented level of both shot-to-shot and long-term stability, as well as overall performance for LPA-driven FELs, and serve as a crucial step towards the demonstration of the technology as a viable platform for future compact FEL facilities.