Kurzfassung
Die vorgelegte Arbeit befasst sich mit einem Ansatz zur Beschleunigung von relativistischen Elektronen unter Einsatz von dielektrischen lasergetriebenen Mikrostrukturen. Neue DLADesigns wurden entwickelt, eine effiziente Methode zur numerischen Simulation meterlanger DLA wurde programmiert, die M¨oglichkeiten der DLA als Teilchenstrahldiagnostik wurden untersucht und ein Experiment zur Messung der Schadenstoleranz gegen¨uber kurzen Laserpulsen wurde implementiert und getestet. Um die fortgeschrittene Infrarotlasertechnologie zu nutzen wurden neue DLA-Strukturen entwickelt, welche eine gute Toleranz gegen¨uber realistischen Fertigungsungenauigkeiten besitzen und eine erh¨ohte Elektronentransmission von bis zu 44% zeigen und auch die longitudinal Akzeptanz auf ca. 2fs erh¨ohen und gleichzeitig Beschleunigungsgradienten im GV/m-Bereich aufweisen. Eine große Herausforderung in diesem Feld ist die numerische Simulation langer DLA, da der zu modellierende Simulationsraum sehr groß gegen die aufzul¨osende Wellenl¨ange ist. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Simulationsmethode entwickelt um lange DLA-Interaktionen effizient zu modellieren. Meterlange DLAs werden ohne die Annahme einer resonanten Teilcheninteraktion mit Hilfe von Transportabbildungen f¨ur jeweils eine DLA-Periode modelliert. Es ist nur eine Simulation des elektromagnetischen Feldes f¨ur eine Periode notwendig sowie eine limitierte Anzahl von Simulationen der Trajektorien von Testteilchen. In einer PIC Simulation ist eine Modellierung von einigen 100 Perioden m¨oglich, jedoch nur unter Verwendung eines high performance computing clusters. Die pr¨asentierte Methode kann meterlange DLA (hunderttausende Perioden) auf einer Workstation modellieren. Die Arbeit befasst sich außerdem auf Basis numerischer Simulationen mit dem Potenzial von DLAs zur Teilchenstrahldiagnostik: Als sogenannte ”transverse deflecting structures“ und als neue passive und aktive Messung der L¨ange von Elektronenpaketen im sub-femtosekunden Bereich. Die diskutierten Methoden versprechen sehr hohe Kompaktheit gegen¨uber der Teilchenstrahltransportlinien im Vergleich zu bereits existierenden Methoden. Ein Experiment wurde entwickelt um das DLA-Design zu testen. Es sollen Elektronenpakete von einem state-of-the-art Radiofrequenzbeschleuniger in den DLA injiziert werden mit dem Potenzial erste Nettobeschleunigung relativistischer Elektronen in DLA zu zeigen. Alle bisher durchgef¨uhrten Experimente haben lediglich die Energie des Teilchenstrahls moduliert. Zuletzt wurde ein Experiment entwickelt und implementiert um die Schadenstoleranz von DLAs bez¨uglich kurzer Laserpulse zu messen. Der Aufbau wurde mit Hilfe von Messungen an dielektrischen Substraten charakterisiert.
In this work an approach to relativistic electron acceleration employing laser-driven dielectric microstructures (DLA) is considered. New DLA designs were developed, a simulation code for efficient DLA simulation was devised, the capabilities of dielectric microstructures as particle beam diagnostic devices were investigated and a laser induced damage threshold measurement setup was implemented and tested. To leverage well developed near-infrared laser sources new DLAs were designed that are robust against realistic manufacturing tolerances and exhibit a predicted increased electron transmission of up to 44% of the charge and longitudinal acceptance of around 2fs, but are still able to produce GV/m acceleration gradients. A great challenge is the numerical simulation of long interaction lengths of electrons with the short drive laser wavelengths present in DLAs due to the high demand in computation resources needed by the large simulation domain compared to the wavelength. A novel method was developed, which is able to efficiently model meter long DLAs without any resonant particle approximations by use of transfer maps generated from a single-period electromagnetic f ield simulation and a limited set of particle tracking simulations. In PIC simulations hundreds of DLA periods can be modeled using a high performance computing cluster. With the code presented in this work a meter long DLA (hundred thousands of periods) can be simulated on a workstation. This PhD work includes the numerical investigation of particle beam diagnostics capabilities of DLAs, namely as transverse deflecting structures and as new passive and active bunch length measurement devices for ultra-short particle bunches in the sub-femto second regime. All the presented methods are very compact in the particle beam line compared to existing methods. An experiment was devised to test the designed DLAs by injection of an electron bunch from a conventional state-of-the-art radio frequency accelerator with the potential to show first increase of the average energy of a relativistic electron beam in a DLA device. In contrast all experiments up to today are only modulating the particle beam energy. Finally an experimental setup was designed and implemented to measure the short pulse laser induced damage threshold of DLAs with characterization measurements taken on a bulk material.