Kurzfassung
Kompakte Elektronenstrahlquellen mit hoher Helligkeit sind vorteilhaft für industrielle, medizinische und wissenschaftliche Anwendungen. Laser-Plasma-Beschleunigung hat das Potenzial, diese Ansprüche zu erfüllen, da mit ihr Beschleunigungsgradienten erzeugt werden können, die um Größenordnungen höher sind als bei klassischen Linearbeschleunigern, die auf moderner Hochfrequenztechnologie basieren, was wesentlich
kleinere Beschleuniger ermöglicht. Damit die Laser-Plasma-Beschleunigung jedoch mit modernen Hochfrequenz-Linearbeschleunigern konkurrieren kann, muss die Qualität der treibenden Laserpulse, von denen die Qualität des Elektronenstrahls weitgehend abhängt, verbessert werden. Diese Arbeit wurde im Rahmen von LUX am Deutschen Elektronen-Synchrotron durchgeführt, einem Laser-Plasma-Beschleuniger, der von einem Titan:Saphir-Laser mit 200 TW Spitzenleistung namens ANGUS angetrieben
wird. An dieser Anlage wurde gezeigt, dass die Qualität des erzeugten Elektronenstrahls wesentlich von der Position des Laserfokus im Plasmabeschleuniger und damit auch von der zentralen Wellenlänge des Antriebsimpulses abhängt. Es wurde auch gezeigt, dass Degradation und Langzeiteffekte im derzeitigen ANGUS-Laser-Frontend die Stabilität der beschleunigten Elektronen negativ beeinflussen.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines neuartigen Seed-Lasers für Titan-Saphir-Laser die Laser-Plasma-Beschleuniger antreiben vorgestellt, der auf Weißlicht-Erzeugung und der optisch parametrischen gechirpten Pulsverstärkung basiert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der passiven und aktiven Stabilisierung der zentralen Wellenlänge
nach der parametrischen Verstärkerstufe. Eine phasensensitive Messmethode wird angewandt, um die komplexe Interaktion zwischen der Weißlichterzeugung und dem parametrischen Verstärker zu optimieren. Wenn mit dieser Methode das gesamte Spektrum und nicht nur ein Parameter, wie die zentrale Wellenlänge, untersucht wird, werden die charakteristischen Einfüsse verschiedener Quellen auf das verstärkte Spektrum sichtbar. Die weiterentwickelte Version des Seed-Lasers liefert Pulse mit
40 μJ bei 1 kHz und unterstützt eine transformationsbegrenzte Pulsdauer von 23 fs. Es wurde gezeigt, dass die relative Stabilität der zentralen Wellenlänge von < 2×10-4 um mehr als einen Faktor 2 besser ist als die des vorherigen Front-Ends in ANGUS, das es im Juli 2022 ersetzte. Mit dem neuen Seedlaser wurden die Stabilität der Zentralwellenlänge, die Pulsdauer und die Pulsdauerstabilität des gesamten ANGUS-Antriebslasers deutlich verbessert. Seit der Installation des neuen Seed-Lasers wurden
bei LUX mehr als 50 erfolgreiche Elektronenstrahlzeiten durchgeführt. Im Juli 2024 wurde eine weitere Version desselben Seed-Lasers bei KALDERA installiert, einem Laser-Plasma-Beschleuniger zur Demonstration höherer Repetitionsraten von bis zu 1 kHz. Mit der erhöhten Wiederholrate kann die phasenempfindliche Methode dort zur Unterstützung der Entwicklung von Elektronenstrahlquellen mit verbesserter Stabilität
eingesetzt werden.
Compact high-brightness electron beam sources are advantageous for industrial, medical and scientific applications. Laser-plasma acceleration has the potential to meet this need, as it can provide acceleration fields that are orders of magnitude higher than in classical linear accelerators based on modern radio-frequency technology, allowing for much smaller accelerators. However, to make laser-plasma acceleration competitive with modern radio-frequency linear accelerators, the quality of the driving laser pulses, on which the electron beam quality largely depends, needs to be improved. This thesis was carried out in the framework of LUX at the Deutsches Elektronen-Synchrotron, a laser-plasma accelerator driven by the 200 TW peak power titanium-sapphire laser called ANGUS. At this facility it has been shown that the quality of the generated electron beam depends significantly on the position of the laser focus in the plasma accelerator and thus also on the central wavelength of the drive pulse. It has also been shown that degradation and long-term effects in the current ANGUS laser front-end negatively affect the stability of the accelerated electrons. This thesis presents the development of a novel seed laser for titanium-sapphire laser-plasma acceleration drive lasers based on white-light generation seeded optical parametric chirped pulse amplification. The focus of this work is on the passive and active stabilization of the central wavelength after the parametric amplifier stage. A phase-sensitive measurement method is applied to optimize the complex interaction between white-light generation and the parametric amplifier. When this method is used to examine the entire spectrum rather than just one parameter, such as the central wavelength, the characteristics of the various sources of influence on the amplified spectrum become apparent. The engineered version of the seed laser delivers > 40 μJ pulses at 1 kHz supporting a transform limited pulse duration of 23 fs. It was shown that the relative central wavelength stability of < 2×10-4 is more than a factor of 2 better than that of the previous front-end in ANGUS, which it replaced in July 2022. With the new seed laser the central wavelength stability, pulse duration and pulse duration stability of the entire ANGUS drive laser was significantly improved. Since the installation of the new seed laser, more than 50 successful electron beam times have been performed at LUX. In July 2024, another version of the same seed laser was installed at KALDERA, which is a laser-plasma accelerator for demonstrating higher repetition rates of up to 1 kHz. With the increased repetition rate, the phase-sensitive method can be applied there to assist in the development of electron beam sources with improved stabilty.