FLASH, der hochverstaürkende Freie-Elektronen-Laser (FEL) in Hamburg, kann Pulse weicher Roüntgenstrahlung mit Dauern von wenigen Femtosekunden erzeugen. Um das volle Potenzial dieser Lichtpulse in zeitaufgelösten Anrege-Abfrage-Experimenten ausnutzen zu können, und für den zukünftigen Betriebsmodus mit einem externen Saat-Laser ist eine Synchronisation der kritischen Komponenten des Beschleunigers und der externen Lasersysteme mindestens in der gleichen zeitlichen Größenordnung erforderlich. Diese Präzision ist mit elektrischen Hochfrequenzsystemen nicht zu erreichen und erfordert ein optisches, laser-basiertes Synchronisationssystem.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde, aufbauend auf früheren erfolgreichen Machbarkeitsstudien, das optische Synchronisationssystem bei FLASH massiv erweitert. Dabei lag ein Schwerpunkt auf der umfangreichen Charakterisierung der Zeitreferenz des Systems und dem Vergleich zweier verschiedener Typen solcher Master-Laseroszillatoren, sowie Studien zu deren Kurz- und Langzeitstabilität. Diese wurde auch an den ebenfalls erweiterten längenstabilisierten Glasfaserstrecken, die zur Ankopplung der verschiedenen Stationen am Beschleuniger an die optische Zeitreferenz dienen, studiert. Die erfolgreich demonstrierte optische Synchronisation eines Titan:Saphir-Laseroszillators mit weniger als 10 Femtosekunden Zeitjitter und die Anbindung des Photoinjektor-Lasers an das Synchronisationssystem stellen weitere Schlüsselexperimente dieser Arbeit dar. Dabei wurde besonderer Wert auf die Robustheit der eigentlichen Implementationen gelegt, da das Synchronisationssystem das Fundament der geplanten aktiven Ankunftszeitstabilisierung im Beschleuniger bildet.
FLASH, the high-gain free-electron laser (FEL) in Hamburg, enables the generation of light pulses with wavelengths in the soft X-ray region and durations down to a few femtoseconds. To fully exploit this capability in time-resolved pump-probe experiments, and for the projected externally seeded operation, the critical components of the accelerator and several external laser systems have to be synchronized with a temporal accuracy at least in the same order of magnitude. This can not be realized purely with established RF-based systems and therefore, an optical, laser-based synchronization system is required.
In this thesis, the optical synchronization system of FLASH has been, based on previous successful proof-of-principle experiments, massively extended. One major topic is the comprehensive characterization of the timing reference of the system and a comparison of different types of such master laser oscillators, as well as studies on their short- and long-term stability. Similar investigations have been carried out for the upgraded and newly installed length-stabilized fiber links, which connect the remote locations at the accelerator to the optical timing reference. The successful demonstration of an all-optical synchronization of a Ti:sapphire oscillator with sub-10 femtosecond timing jitter and the connection of the photoinjector laser system to the synchronization system mark further important key experiments of this thesis. The robustness of the actual implementations played a key role, as the synchronization system forms the basis for the future, operator-friendly arrival time feedback.