Kurzfassung
Freie-Elektronen-Laser (FEL) erzeugen hoch intensive, transversal kohärente und ultrakurze Strahlungspulse sowohl im extrem ultravioletten Spektralbereich sowie im weichen und harten Röntgenbereich. Spontane Undulatorstrahlung wird hierfür verstärkt. Aufgrund des stochastischen Erzeugungsprozesses weist die verstärkte Strahlung eine geringe zeitliche Kohärenz auf und die zeitliche und spektrale Pulsstruktur unterliegt starken Fluktuationen von Schuss zu Schuss. Um die zeitliche Kohärenz der FEL Pulse zu verbessern, werden externe Strahlungsquellen verwendet, welche den FEL Prozess induzieren (häufig wird der Begriff "seeden" verwendet). Unter der Voraussetzung, dass die externe Bestrahlungsstärke das Rauschen des FEL-Verstärkers übersteigt, wird nur ein definierter Wellenlängenbereich innerhalb der FEL Bandbreite verstärkt. Darüber hinaus bietet ein geseedeter FEL die Möglichkeit, Pump-Probe Experimente mit einer zeitlichen Auflösung durchzuführen, die in der Größenordnung der verwendeten Pulsdauern liegt. Um diese Aussage experimentell zu verifizieren, wurde am Freie-Elektronen Laser FLASH am DESY ein Testexperiment aufgebaut, mit dem Ziel, den FEL Prozess bei Wellenlängen unterhalb von 40 nm zu seeden. Entscheidend dafür, ist der sechsdimensionale Überlapp zwischen den externen Laserpulsen und den Elektronenpaketen. Daher ist es nötig, entsprechende Diagnostik zur Messung aufzubauen, die den Überlapp messen kann, sowie die notwendigen Mittel bereitzustellen, diesen einzustellen. In dieser Arbeit wurde die Strahlführung zur Einkopplung der Seedpulse in den FEL als auch die transversale Strahldiagnostik für Laser- als auch Elektronenstrahlen entworfen, aufgebaut und in Betrieb genommen. Ergebnisse der ersten Inbetriebnahme der Einkopplung sowie erste Messungen zum geseedeten Betrieb des FEL werden analysiert und ausgewertet.
High-gain free-electron lasers (FEL) offer intense, transversely coherent, and ultra short radiation pulses in the extreme ultraviolet, the soft- and the hard-X-ray spectral range. Undulator radiation from spontaneous emission is amplified. Due to the stochastic emission process, the radiation exhibits a low temporal coherence, and the structure of the amplified radiation in the temporal and in the spectral domain shows large shot-to-shot fluctuations. In order to improve the temporal coherence, an external radiation pulse is used to induce (or seed) the FEL process. With this, only a defined wavelength range within the FEL bandwidth is amplified provided that the irradiance of the external radiation exceeds the noise level of the FEL amplifier. In addition to the improved longitudinal coherence, a seeded FEL provides the possibility to perform pump-probe experiments with an expected temporal resolution of the order of the pulse durations. In order to experimentally proof this statement, a test experiment for direct HHG-seeding at wavelength below 40 nm was installed at the free-electron laser facility FLASH at DESY. Crucial for the seeded operation of an FEL is the six-dimensional laser-electron overlap of the seed laser pulses with the electron bunches. Hence, dedicated diagnostics to measure and mechanisms to control the overlap are essential. Within this thesis, a transport beamline for the seed laser beam and the transverse diagnostics for seed laser- and the electronbeam were developed and commissioned. Results of the performance of the seed injection beamline are presented, and first measurements of the seeded operation of the FEL are analyzed and evaluated.