High-gain Freie-Elektronen-Laser (FEL) ermöglichen die Erzeugung von Lichtpulsen mit Pulsdauern von unter 10 fs. Um in zeitaufgelösten Experimenten den vollen Nutzen aus diesen extrem kurzen Lichtpulsen ziehen zu können, ist eine bisher unerreichte Synchronisationsgenauigkeit erforderlich.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein optisches Synchronisationssystem entwickelt, welches eine Stabilität von besser als 10 fs gewährt. Dieses System wurde am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY, der im ultraviolett und weichen Röntgenbereich arbeitet, implementiert. Das System nutzt einen modengekoppelten Kurzpulslaser als Zeitreferenz. Die Laserpulse werden in längenstabilisierten Glasfaserleitungen zu den Subsystemen im Beschleuniger übertragen. Ein Hauptbestandteil des Systems ist ein Elektronenpuls-Ankunftszeitmonitor, der eine bislang unerreichte Auflösung von 6 fs bietet.
Basierend auf dem Ankunftszeitmonitor wurde ein Rückkoppelsystem entwickelt, welches die Ankunftszeitschwankungen der Elektronenpulse von 200 fs im unstabilisierten Fall auf 25 fs mit aktiver Rückkopplung verbessert. Um den für den FEL Prozess benötigten Spitzenstrom von einigen tausend Ampere zu erreichen, werden die Elektronenpakete in zwei magnetischen Schikanen longitudinal komprimiert. Um den Kompressionsprozess zu stabilisieren, wurde ein zweites Rückkoppelsystem entwickelt, welches die Emission von elektronenstrahlinduzierter Di ffraktionsstrahlung stabilisiert. Die Kombination aus beiden Rückkoppelsystemen führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Stabilität der FEL Pulsenergie.
High-gain free-electron lasers (FELs) are capable of generating sub-10 fs long light pulses. In order to take full advantage of these extremely short light pulses in time resolved experiments, synchronization with a so far unprecedented timing accuracy is required.
Within this thesis, an optical synchronization system providing sub-10 fs stability has been developed and was implemented at the ultra-violet and soft X-ray free-electron laser FLASH at DESY, Hamburg. The system uses a mode-locked laser as a timing reference. The laser pulses are distributed via length stabilized optical fiber-links to the remote locations. A key feature of the system is a bunch arrival-time monitor detecting the electron bunch arrival-time with an unrivaled resolution of 6 fs.
A feedback system based on the arrival-time monitor was established, improving the arrival-time fluctuations from 200 fs in the unstabilized case to 25 fs with active feedback. In order to achieve the high peak current of several thousand amperes required for the FEL process, the electron bunches are longitudinally compressed in two magnetic chicanes. A second feedback system was developed stabilizing the bunch compression process based on measurements of diffraction radiation. The combination of both feedback systems improves the stability of the FEL radiation significantly.