Das longitudinale Profil von Elektronenpaketen spielt eine wichtige Rolle beim Design von Freie-Elektronen Lasern und zukünftigen e+e- Linearbeschleunigern. Das beim Freie-Elektronen Laser FLASH in Hamburg angewandte Kompressionsschema führt zu asymmetrischen longitudinalen Strahlprofilen mit einem "Spike". Dieser "Spike", der einen sehr großen Spitzenstrom besitzt, führt in einem SASE-FEL-Prozess zur Erzeugung von Femtosekunden-Photonenpulsen mit hoher Intensität (ungefähr 70 µJ) im XUV-Wellenlängenbereich.
Den notwendigen hohen Spitzenstrom der Elektronenpakete erhält man, indem eine große Anzahl von Elektronen auf eine sehr kurze Länge kompressiert werden, deren longitudinale Ausdehnung, in Einheiten der Zeit gemessen, nur wenige zehn Femtosekonden beträgt. Die Diagnose solcher Elektronenpakete ist eine außerordentliche Herausforderung. Desweiteren zeigt der Betrieb von Lichtquellen wie FLASH, dass Diagnostik mit Einzelschussauflösung unverzichtbar ist. Zur Messung der Länge der Elektronenpakete würde man intuitiv eine Methode in der Zeitdomäne wählen. Fallen die im longitudinalen Profil der Elektronenpakete vorliegenden Strukturen jedoch in den fs-Bereich, so stehen bis heute keine zeitaufgelösten Methoden zur Verfügung. In dieser Doktorarbeit wird eine Methode beschrieben, die auf einer Wellenlängenmessung basiert, und die sowohl das Kriterium der Einzelschussauflösung als auch das der hohen zeitlichen Auflösung im fs-Bereich erfüllt. Die Ladungsmenge, die sich in Strukturen mit einer typischen Länge von einigen Femtosekunden (volle Breite bei halber Höhe des "Spike") befindet, kann mit einem neuartiegen Einzelschussspektrometer gemessen werden, welches die kohärente Strahlung (z.B. kohärente Übergangsstrahlung) im fernen und mittleren Infrarotbereich auflöst. Die Erweiterung dieser Einzelschussspektroskopie zu kürzeren Wellenlängen, bis in den nahen Infrarotbereich hinein, ermöglicht Untersuchungen bezüglich des Vorhandenseins von Strukturen, in der Ladungsverteilung welche möglicherweise mit der SASE-Intensität korrelieren oder anti-korrelieren.
The longitudinal profile of electron bunches plays an important role in the design of single-pass free electron lasers and future linear e+e- colliders. For the free electron laser FLASH in Hamburg, a longitudinal compression scheme is used which results in an asymmetric longitudinal bunch profile with a "spike". This "spike", which has a very high peak current, is used in a high-gain SASE-FEL process to produce high intensity (about 70 µJ) femtosecond photon pulses in the XUV wavelength range.
The required high peak current of the electron bunch is realized by confining a large number of electrons in a width, measured in time units, of few tens of femtosecond, making the diagnostics of such bunches a challenge. Furthermore, the operation of facilities such as FLASH shows that single-shot diagnostics is indispensable. It is intuitive to use a time domain method to measure the electron bunch length. However, when the structures present in the bunch profile fall in the femtoseconds range, this is beyond the resolution of time-resolved methods developed so far. In this thesis, a wavelength-domain technique is described that can fulfill both requirements of single shot and high resolution reaching to the femtoseconds range. The amount of charge that is confined in a typical length of several femtoseconds (FWHM of the spike) can be determined by a novel singleshot spectrometer that resolves the coherent radiation (e.g. coherent transition radiation) in the far-infrared and mid-infrared range. Furthermore the extension of this single-shot spectroscopy to shorter wavelengths reaching the near-infrared, makes it possible to investigate the presence of structures in the bunch profile that might correlate or anti-correlate to the SASE intensity.