Synchrotron Radiation Sources driven by laser plasma accelaerators [Elektronische Ressource] / von Hans-Peter Schlenvoigt

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 31
• Langue: Deutsch
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Extrait

Synchrotron Radiation Sources
driven by Laser-Plasma Accelerators
Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
vorgelegt dem Rat der Physikalisch-Astronomischen Fakult at
der Friedrich-Schiller-Universit at Jena
von Dipl.-Phys. Hans-Peter Schlenvoigt,
geboren am 14. 01. 1981 in JenaGutachter
1. Prof. Dr. Malte C. Kaluza
Institut fur Optik und Quantenelektronik
Friedrich-Schiller-Universit at Jena
2. Prof. Dr. Luis O. Silva
Instituto de Plasmas e Fus~ ao Nuclear Superior Tecnico
Lissabon { Portugal
3. Prof. Dr. Roland Sauerbrey
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf und TU Dresden
Tag der Disputation: 10. 02. 2009Zusammenfassung
Diese Arbeit stellt eine neues Verfahren zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung vor.
Ein Laser-Plasma-Beschleuniger erzeugt hoch-relativistische Elektronenstrahlen, die
beim anschlie enden Durchgang durch einen Undulator Synchrotronstrahlung erzeugen.
Dieses Verfahren wurde zum ersten Mal experimentell umgesetzt, vorerst im sichtbaren
Spektralbereich.
Laser-Plasma-Beschleuniger beruhen auf der Wechselwirkung von hochintensiven La-
serpulsen mit Plasmen. Dabei werden Plasmawellen, die elektrische Felder bis zu TV/m
haben konnen, erzeugt und zur Teilchenbeschleunigung genutzt. Folglich reduziert sich
die Beschleunigungsstrecke auf typischerweise einige Millimeter, was ein markanter Vor-
teil gegenub er den ublic hen Hochfrequenzbeschleunigern ist. Allerdings ist die Wechsel-
wirkung nichtlinear, wodurch die Eigenschaften der Elektronenpulse schwer zu kontrol-
lieren sind. In Experimenten wurde der Prozess untersucht und verbessert.
Die Wechselwirkung wurde mit zeitaufgelosten optischen Methoden untersucht. Insbe-
sondere wurden ringformige Magnetfelder von einigen Mega-Gauss, die die Elektronen-
beschleunigung begleiten, wahrend des Prozesses detektiert. Dadurch gelang es zum
ersten Mal, in den Beschleunigungsprozess mit hoher raumlic her und zeitlicher Au osung
hineinzublicken. Weitere Beobachtungsmoglichkeiten gestatteten ein kontrolliertes Ein-
stellen der Wechselwirkungsparameter. Dadurch gelang es, die zur Erzeugung von Syn-
chrotronstrahlung notigen hochenergetischen und gebundelten Elektronenstrahlen mit
hoher Stabilitat und Wiederholbarkeit zu erzeugen und dafur zu nutzen.
Die vorgestellten Experimente beweisen zunachst das Prinzip der Methode. Die er-
zeugten Wellenlangen waren im wesentlichen durch die verfugbaren Elektronenenergien
begrenzt. Jedoch gestatten gegenwartige Entwicklungen im Gebiet der Laser-Teilchen-
Beschleunigung in absehbarer Zukunft die Erzeugung kurzwelliger Synchrotronstrah-
lung. Darub er hinaus scheinen die ultrakurzen Elektronenpulse fur den FEL-Betrieb ge-
eignet zu sein, und die inharen te Synchronisierung mit einem Kurzpuls-Lasersystem wird
genaueste zeitaufgeloste Untersuchungen gestatten. Insofern stellt das hier prasen tierte
Verfahren die Grundlage fur einen neuen Typ Laser-basierter Strahlungsquellen dar.
iiiAbstract
This thesis presents a novel experimental scheme of producing synchrotron radiation.
A compact laser-plasma accelerator generates highly relativistic electron beams. Those
are used to produce synchrotron radiation by passing through an undulator. By means
of this unique setup, sync in the visible spectral range driven by laser-
accelerated, multi-MeV electron beams was observed for the rst time.
Laser-plasma accelerators rely on the interaction of an intense and ultra-short laser
pulse with plasma. Plasma waves with electric elds on the order of TV/m are created
and used for electron acceleration. Consequently, the acceleration length is reduced to a
millimeter scale typically, which represent a signi cant improvement over conventional
radio-frequency accelerators. However, the laser-plasma interaction is nonlinear and
electron beam properties are di cult to control. In a series of dedicated experiments,
the acceleration process was studied and improved.
The laser-plasma interaction was investigated with various non-invasive time-resolved
optical methods. In particular, azimuthal Mega-Gauss magnetic elds which accom-
pany the electron acceleration process were detected in-situ, providing insights into
the acceleration process. Thereby, the acceleration process was observed with both
high spatial and temporal resolution for the rst time. Further online observation
techniques warranted careful tuning of plasma parameters. Collimated high-energy
electron beams with great stability and reproducibility were obtained and utilized to
drive the subsequent undulator.
The described experiments serve as proof-of-principle. The present results are mainly
limited by available electron energies. Novel target designs, able to reach GeV electron
energies, promise straight realization of synchrotron radiation at shorter wavelengths in
the near future. Further on, the ultra-short driving electron beam seems to be suited
for operation in the FEL regime. In conjunction with the inherent synchronism with a
short-pulse laser system, this promises unique high-resolution time-resolved pump-probe
experiments to study matter. The setup presented in this thesis thus provides the basis
for a new generation of laser-driven radiation sources.
vContents
Zusammenfassung iii
Abstract v
1 Introduction 11
2 Theory of laser-plasma interaction and synchrotron radiation 15
2.1 Relativistic optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Motion of a single electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2 Fundamental plasma properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.3 E ects at relativistic intensities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Electron acceleration regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Laser Wake eld Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 Self-Modulated Laser Wake eld Acceleration . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3 Bubble Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.4 Direct Laser Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Concomitant e ects of electron acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Nonlinear Thomson scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Wave-breaking radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.3 Azimuthal magnetic elds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Principles of synchrotron radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.1 Theory for single electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2 E ects for electron bunches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Experimental methods 41
3.1 The JETI laser system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 The laser-plasma accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Setup of the laser-plasma accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 Gas jet target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
viiContents
3.3 Diagnostics of the laser-plasma interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Plasma imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Optical probing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.3 Deducing magnetic elds from electron acceleration . . . . . . . . 49
3.4 Electron beam characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.1 Nomenclature at conventional accelerators . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.2 Scintillating screens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.3 Electron spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5 Detection of synchrotron radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 Construction of the undulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 Optical detection system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.3 Comparison of electron and radiation spectra . . . . . . . . . . . 58
4 Electron acceleration with the JETI laser system 59
4.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.1 Focusing optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.2 Expectations for electron acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Plasma diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.1 Plasma imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.2 Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.3 Polarimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.4 Deduced magnetic elds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Electron beam properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.1 Spatial characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.2 Spectral characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.3 Comparison to conventional accelerators . . . . . . . . . . . . . . 80
5 Synchrotron radiation from laser-accelerated electrons 83
5.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 Properties of the produced synchrotron radiation . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.1 Correlation of elect