Femtosekunden-Synchronisations- messung am Freie

Optische Messtechnik
Femtosekunden-Synchronisationsmessung am Freie-Elektronen-Laser
Olaf Meyer, Owis GmbH, Lübeck, Stefan Düsterer, Armin Azima,
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg
Mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH (Free-electron-LASer in Hamburg) am DESY können dynamische Prozesse im Femtosekundenbereich sichtbar gemacht werden. Dazu werden die Pulse des FEL mit
denen eines optischen Lasers präzise synchronisiert. Die Synchronität
lässt sich mit Hilfe des Timing Electro Optical Sampling vermessen.
Seit August 2005 ist bei DESY in Hamburg der weltweit erste Freie-ElektronenLaser (FEL) für vakuum-ultraviolette und
weiche Röntgenstrahlung in Betrieb. Die
120 Mio. € teuere Anlage übertrifft in der
Spitzenleuchtstärke die modernsten Synchrotronstrahlungsquellen um das Zehnmillionenfache und wird in der letzten Ausbaustufe in einem Wellenlängenbereich von 6
bis 60 nm arbeiten. Von besonderer Bedeutung für die Messung von dynamischen Prozessen ist jedoch die extrem kurze Pulsdauer
von 10 bis 50 fs, womit beispielsweise die
Bildung von chemischen Bindungen oder
Vorgänge bei der magnetischen Datenspeicherung sichtbar gemacht werden können.
Für diese Untersuchungen in zeitaufgelösten
Experimenten wird üblicherweise das Target
zunächst durch einen ersten Puls angeregt
und mit einem zweiten Puls bei verschiedenen Verzögerungszeiten beobachtet.
Dadurch lässt sich die zeitliche Entwicklung
des Vorgangs auf Zeitskalen im Femtosekundenbereich untersuchen. Voraussetzung
dafür ist jedoch die präzise Synchronisation
der beiden Pulse.
Pulsgeneration mit dem FEL
In dem Freie-Elektronen-Laser FLASH
durchlaufen Elektronen eine supraleitende
Beschleunigerstrecke und rasen anschließend als Elektronenpulse von nur 100 fs
Pulsdauer durch eine periodische Magnetstruktur, den Undulator. Hier werden die
einzelnen Elektronen auf einen Slalomkurs
gezwungen und senden bei jeder Richtungsänderung einen hellen Lichtblitz aus. Diese
Lichtblitze sind schneller als die auf der oszillierenden Bahn fliegenden Elektronen. Im
FEL sind die Geschwindigkeitsunterschiede
gerade so gewählt, dass die Elektronen nach
einer Schwingung wieder im Gleichtakt mit
den ausgesandten Lichtfeldern schwingen.
Dadurch werden
langsame Elektronen durch das Lichtfeld beschleunigt,
zu schnelle hingegen abgebremst.
Am Ende des Undulators haben sich die
Elektronen zu vielen
dünnen Scheibchen
im Abstand der
verstärkten Lichtwellenlänge angeordnet. Sämtliche
Scheibchen strahlen
jetzt im Gleichtakt,
wodurch kohärentes
und intensives LaserBild 1: Im Undulator zwingt die periodische Magnetstruktur die licht entsteht.
Elektronen auf einen Slalomkurs. Jede Richtungsänderung bewirkt Für zeitaufgelöste
einen Lichtpuls, der die Elektronengeschwindigkeit beeinflusst
Messungen werden
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zwei ultrakurze Pulse benötigt, die beide
vom FEL stammen können. Für viele Experimente wird jedoch ein Puls vom Freie-Elektronen-Laser und der andere Puls von einem
optischen Lasersystem erzeugt. Denn zum
einen lassen sich viele Prozesse besser mit
sichtbarem Licht anregen oder beobachten, zum anderen können bei sichtbarem
Laserlicht die Polarisation, der Einfallswinkel
und die Pulsverzögerung einfacher variiert
werden, als bei zwei FEL-Pulsen.
Synchronisationsüberwachung
Die größte Herausforderung für den reibungslosen Betrieb der zeitaufgelösten
Experimente ist die Synchronisation zwischen optischem und Freie-Elektronen-Laser
und deren Messung. Die bisher besten
Ergebnisse wurden nach dem Prinzip des
Timing Electro-Optical Sampling erzielt, mit
einem System, das einen Teil des optischen
Pulses über eine Glasfaser zurück in den
Beschleunigertunnel transportiert (Bild 2).
Hier fällt das Licht unter einem Winkel von
45° auf einen elektro-optisch aktiven Kristall
(ZnTe bzw. GaP), der nur wenige Millimeter
neben dem Elektronenstrahl montiert ist.
Kommt jetzt ein Elektronenpuls am Kristall
vorbei, so wird durch das hohe elektrische
Feld der Elektronen kurzzeitig eine Doppelbrechung im Kristall induziert. Dadurch
wird die Polarisation des einfallenden Laserpulses leicht gedreht. Die exakte Einstellung
der Polarisation des Laserstrahls und die
Vermessung der induzierten Polarisationsänderung erfolgt auf Winkelminuten genau
mit Drehtischen der Serie DMT 65. Um
die exakte Ankunftszeit der Laserpulse am
Kristall zu kontrollieren, um den Laserstrahl
in Diagnosegeräte abzulenken und um die
Abbildung des Kristalls scharf zu stellen
kommen Versteller der Serie LTM von OWIS
Optische Messtechnik
Bild 2: Aufbau für
die Messung der Synchronisation zwischen
Laser- und FEL-Pulsen.
Gezeigt ist der Teil
des Experiments im
Beschleunigertunnel
befindet. Die räumliche
und zeitliche Lage
sowie die Polarisation
des Laserstrahls muss
ferngesteuert diagnostiziert und manipuliert
werden. Hierfür ist eine
Vielzahl von Owis-Verstellern im Einsatz
zum Einsatz. All diese Elemente (Bild 2) sind
im Beschleunigertunnel installiert. Da der
Zugang auf wenige Stunden pro Woche
limitiert ist, ist es besonders wichtig, möglichst viele Freiheitsgrade zuverlässig fernzusteuern
Da der Laserpuls nur ca. 100 fs (entspricht
30 µm „Länge“) kurz ist, jedoch einen
Durchmesser von 3 mm (entspr. 10 ps)
besitzt, hat er die Form einer Scheibe. Fliegt
die Scheibe nun unter 45° durch den elektro-optischen Kristall, so ist immer nur ein
kleiner Teil des Laserpulses innerhalb des
Kristalls. Somit wird auch nur bei diesem
Teil des Laserprofils die Polarisation gedreht,
wenn der Elektronenstrahl vorbeifliegt. Mit
dieser Anordnung wird daher eine zeitliche
Information, die mit wenigen 10 fs Dauer
so schnell ist dass man sie nicht direkt
messen kann, in eine räumliche Intensitätsänderung überführt. Blendet man nun die
ursprüngliche Polarisation mit Hilfe eines
Polarisators aus, so bleibt das „gedrehte“
Signal übrig. Dies enthält die Information
über die Ankunftszeitdifferenz zwischen
Elektronenpuls und Laserpuls, welches von
einer CCD-Kamera aufgenommen wird.
Bild 3 zeigt schematisch, wie die Messung
mit der CCD-Kamera erfolgt und der zeitliche Versatz der beiden Pulse bestimmt
werden kann. Die Messmethode verbessert aber nicht nur die Synchronisation der
beiden Pulse, sondern hilft auch dabei, die
Ursache zeitlicher Pulsvariationen zu bestimmen. Auch in Zukunft werden sich Abweichungen zwischen den beiden Pulsen nicht
vollständig vermeiden lassen. Durch diese
präzise Messmethode ist es aber möglich
die Abweichungen aus den gemessenen
Werten nachträglich herauszurechnen und
das Experiment dadurch wesentlich zu
verbessern. Die Auflösung der Messung
von ultraschnellen Prozessen ist nicht mehr
durch das zeitliche jittern zwischen FEL
und Laser bestimmt (aktuell 250 fs rms)
sondern wird nur noch durch die Messungenauigkeit der beschriebenen Methode
begrenzt. Erste erfolgreiche Tests deuten
auf eine Auflösung besser 50 fs (rms) hin.
Bild 4 zeigt aktuelle Messergebnisse von
der Ankunftszeitänderung der Pulse von FEL
und optischem Laser.
Hier lassen sich deutlich zwei verschiedene
Komponenten unterschieden. Zum einen
gibt es die Schwankungen von Puls zu Puls,
die auf statistischen Fluktuationen basieren. Ursache hierfür ist, dass sowohl der
Laser u.a. durch akustische Vibrationen in
kleinste Schwingungen gebracht wird, die
die Synchronisation stören. Zum anderen
gibt es kleine Unterschiede in der Elektronenpulsenergie, durch die letztendlich
die Ankunftszeit variiert. Zusätzlich sieht
man noch Veränderungen im Minutentakt,
die auf thermische
Schwankungen in
der komplexen Elektronik des Beschleunigers zurückzuführen sind.
Nächste Stufe
XFEL
Bild 3: Bestimmung des Zeitversatzes der Pulse
Im Rahmen eines
Europäischen
Gemeinschaftsprojektes ist geplant,
bis zum Jahre 2013
Bild 4: Fluktuationen der ElektronenAnkunftszeit, gemessen am elektrooptischen Kristall
die kleinste Wellenlänge eines Freie-Elektronen-Lasers auf 1/10 nm zu reduzieren, so
dass mit der hier beschriebenen Methode
selbst atomare Details sichtbar werden.
Im XFEL wird die Leuchtstärke in den Pulsen milliardenfach höher sein wird, als
bei modernsten Röntgenquellen. Durch die
kurzen Pulsdauern im Bereich 100 fs und
die kurze Wellenlänge können ultraschnelle
Prozesse mit atomarer Auflösung beobachtet werden.
Kontakt
Olaf Meyer
Owis GmbH
Werderstr. 10
D-23566 Lübeck
Tel.: 0451/ 3 88 13 - 20
Fax: 0451/ 3 88 13 - 21
[email protected]
www.owis-staufen.de
Dr. Stefan Düsterer
Deutsches ElektronenSynchrotron DESY
Notkestraße 85
D-22607 Hamburg
Tel.: 040/ 89 98 - 16 25
Fax: 040/ 89 94 - 16 25
[email protected]
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Armin Azima
Deutsches ElektronenSynchrotron DESY
Notkestraße 85
D-22607 Hamburg
Tel.: 040/ 89 98 - 1517
Fax: 040/ 89 98 - 44 75
[email protected]
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