Advanced

Timing Diagnostics and Coherent Harmonics from a test-FEL

Cutic, Nino LU (2011)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

I denna avhandling ges en introduktion till fyra artiklar där resul-

tat från och delar av en frielektron-laser (FEL) beskrivs. Denna typ

av laser skiljer sig från de konventionella lasrar de flesta av oss har

träffat på, t.ex. i form av en laserpekare. Den första märkbara skill-

naden är att frielektron-lasrar är stora, ofta flera hundra meter långa.

De kräver en accelerator och långa magnetstrukturer, s.k. undula-

torer, för att fungera. Istället för att använda material som kristaller,

halvledare, gaser eller plasma, använder de istället fria obundna elek-

troner. Högenergetiska elektroner från acceleratorn förlorar lite... (More)
Popular Abstract in Swedish

I denna avhandling ges en introduktion till fyra artiklar där resul-

tat från och delar av en frielektron-laser (FEL) beskrivs. Denna typ

av laser skiljer sig från de konventionella lasrar de flesta av oss har

träffat på, t.ex. i form av en laserpekare. Den första märkbara skill-

naden är att frielektron-lasrar är stora, ofta flera hundra meter långa.

De kräver en accelerator och långa magnetstrukturer, s.k. undula-

torer, för att fungera. Istället för att använda material som kristaller,

halvledare, gaser eller plasma, använder de istället fria obundna elek-

troner. Högenergetiska elektroner från acceleratorn förlorar lite en-

ergi och alstrar ljus i undulatorerna.

Den FEL som presenteras här är ca 60 m lång. Syftet med anläg-

gningen är att studera produktion av ljus med korta våglängder och

variabel polarisation. Polarisation är en viktig egenskap hos ljus med

många tillämpningar inom vetenskap och teknik. Genom att använda

den existerande acceleratorn på MAX-lab, en konventionell laser och

två undulatorer, manipuleras elektronerna att alstra ljus med godtyck-

lig polarisation och kortare våglängd än den konventionella laser som

används för att starta processen. Växelverkan mellan elektronerna

och ljus från den konventionella lasern förbättrar kvaliteten på ljuset

från FELen. Metoden att starta frielektronlasern med en konven-

tionell laser kallas seeding (sådd).

För att detta ska fungera måste man träffa elektronpulsen med en

laserpuls i både tid och rum. Att överlappa dem rumsligt är inte så ut-

manande, men överlapp tidsmässigt kan vara det. Elektronpulsen är

ungefär en tredjedels millimeter lång och laserpulsen ungefär en tion-

dels, och båda färdas med ljusets hastighet. Elektro-optisk laserteknik

användes för att kontrollera och mäta det tidsmässiga överlappet

mellan elektroner och laserpuls. Tekniken användes också för att,

via återkoppling av laserns fördröjning, säkerställa överlapp för varje

skott. Detta ger en klar förbättring av anläggningen till en mycket liten

kostnad. (Less)
Abstract
The test free-electron laser (test-FEL) at MAX-lab in Lund demonstrated for the first time circularly

polarized coherent femtosecond pulses at 66 nm wavelength. A 375 MeV electron bunch

was seeded by a femtosecond laser at 263 nm and coherent harmonics were extracted in an

APPLE-II type elliptical undulator. A thermionic gun with a barium oxide cathode was adapted

for photocathode operation, and the performance of the gun was tested. Measurements

showed the production of 200 pC of electrons with a normalized emittance of 5.5 mmmrad

and a quantum efficiency of 1.1 10-4. To ensure the electron bunch overlap with the 500 fs

seed laser pulse and to measure the bunch length, an... (More)
The test free-electron laser (test-FEL) at MAX-lab in Lund demonstrated for the first time circularly

polarized coherent femtosecond pulses at 66 nm wavelength. A 375 MeV electron bunch

was seeded by a femtosecond laser at 263 nm and coherent harmonics were extracted in an

APPLE-II type elliptical undulator. A thermionic gun with a barium oxide cathode was adapted

for photocathode operation, and the performance of the gun was tested. Measurements

showed the production of 200 pC of electrons with a normalized emittance of 5.5 mmmrad

and a quantum efficiency of 1.1 10-4. To ensure the electron bunch overlap with the 500 fs

seed laser pulse and to measure the bunch length, an electro-optical spectral decoding setup

was built. The bunch length of about 1 ps was measured and it was determined that the longterm

drifts in timing were accelerator-related. Electro-optical spectral decoding was used for

the first time for online feedback to stabilize the overlap between the laser pulse and the electron

bunch. This stabilization ensured lasing of the FEL on every shot and contributed to the

detection of higher linearly polarized harmonics (44 nm). This thesis presents an introduction

to the processes that occur in the undulators: modulation, bunching and radiation. It describes

the test-FEL setup and the emittance of an electron beam. Electro-optical spectral decoding is

explained and its advantages and limitations are discussed. The feedback based on a simple

controller is presented. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr McNeil, Brian, Department of Physics, SUPA, University of Strathclyde, Glasgow, UK
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Free electron laser, undulator radiation, coherent harmonic generation, circular polariyation, vacuum ultra-violet, seed pulse timing, bunch length, electro-optical spectral decoding
pages
123 pages
publisher
Department of Physics, Lund University
defense location
Fysikum B
defense date
2011-05-13 10:15
external identifiers
  • other:ISRN: LUNDTDX-NTMX-1010-SE
ISSN
0284-1258
ISBN
978-91-7473-106-4
language
English
LU publication?
yes
id
afe38532-33d5-4c26-a855-686a3629724b (old id 1894898)
date added to LUP
2011-10-18 14:35:25
date last changed
2016-09-19 08:44:50
@phdthesis{afe38532-33d5-4c26-a855-686a3629724b,
  abstract     = {The test free-electron laser (test-FEL) at MAX-lab in Lund demonstrated for the first time circularly<br/><br>
polarized coherent femtosecond pulses at 66 nm wavelength. A 375 MeV electron bunch<br/><br>
was seeded by a femtosecond laser at 263 nm and coherent harmonics were extracted in an<br/><br>
APPLE-II type elliptical undulator. A thermionic gun with a barium oxide cathode was adapted<br/><br>
for photocathode operation, and the performance of the gun was tested. Measurements<br/><br>
showed the production of 200 pC of electrons with a normalized emittance of 5.5 mmmrad<br/><br>
and a quantum efficiency of 1.1 10-4. To ensure the electron bunch overlap with the 500 fs<br/><br>
seed laser pulse and to measure the bunch length, an electro-optical spectral decoding setup<br/><br>
was built. The bunch length of about 1 ps was measured and it was determined that the longterm<br/><br>
drifts in timing were accelerator-related. Electro-optical spectral decoding was used for<br/><br>
the first time for online feedback to stabilize the overlap between the laser pulse and the electron<br/><br>
bunch. This stabilization ensured lasing of the FEL on every shot and contributed to the<br/><br>
detection of higher linearly polarized harmonics (44 nm). This thesis presents an introduction<br/><br>
to the processes that occur in the undulators: modulation, bunching and radiation. It describes<br/><br>
the test-FEL setup and the emittance of an electron beam. Electro-optical spectral decoding is<br/><br>
explained and its advantages and limitations are discussed. The feedback based on a simple<br/><br>
controller is presented.},
  author       = {Cutic, Nino},
  isbn         = {978-91-7473-106-4},
  issn         = {0284-1258},
  keyword      = {Free electron laser,undulator radiation,coherent harmonic generation,circular polariyation,vacuum ultra-violet,seed pulse timing,bunch length,electro-optical spectral decoding},
  language     = {eng},
  pages        = {123},
  publisher    = {Department of Physics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Timing Diagnostics and Coherent Harmonics from a test-FEL},
  year         = {2011},
}