Anschlussprojekte
Prof. Dr. Reinhard Kienberger
Technische Universität München
Lehrstuhl für Physik E11
Dr. Ryan N. Coffee
The Linac Coherent Light Source (LCLS), SLAC National Accelerator Laboratory
Charakterisierung der zeitlichen Substruktur von FEL-Pulsen
Im Rahmen unseres BaCaTeC-Projekts wurden Messungen an der LINAC Coherent Light Source (LCLS) in Stanford, Kalifornien, der derzeit größten und brilliantesten Röntgenquelle weltweit, durchgeführt. Erste Analysen der Messungen mit der Methode der Photoelektronenspektroskopie haben ergeben, dass die Substruktur der ultrakurzen Röntgenpulse mit einer Präzision im Sub-Femtosekundenbereich aufgelöst werden konnten. Unabhängig von der Bedeutung für die Charakterisierung der Pulse für LCLS selbst ist die präzise Messung ultrakurzer FEL-Pulsdauern eine Bedingung für den Entwurf vieler zukünftiger Experimente zur Untersuchung physikalischer, chemischer und biologischer Reaktionsvorgänge, die auch den Grundstein zu einer ganzen Reihe attraktiver Anwendungen in der Medizin legen können, von hochauflösenden Aufnahmen weicher Gewebe bis hin zu neuen Methoden der frühzeitigen Krebserkennung.
Ausgangsprojekt: Messung der kürzesten Röntgenpulse der Welt
Abschlussbericht
Ziel unseres Projekts war die zeitliche Charakterisierung von ultrakurzen und –intensiven, kohärenten Röntgenpulsen des freien Elektronenlasers (FEL) an der Linac Coherent Light Source (LCLS) der Stanford University in Kalifornien. Neuartige freie Elektronenlaser ermöglichen ultrakurze Pulsdauern, die für die Untersuchung der Dynamik und Funktion von physikalischen, chemischen und biologischen Systemen essentiell sind. Die exakte Kenntnis der Pulsdauer von Röntgenpulsen aus einem freien Elektronenlaser ist eine Grundvoraussetzung für Anrege/Abfrage-Experimente an FEL-Forschungsanlagen mit Röntgenpulsen von nur wenigen Femtosekunden Dauer.
Bislang konnte nur eine Obergrenze für die Pulsdauer von FEL-Pulsen mithilfe der sogenannten linearen Streaking-Technik bestimmt werden, welche sich im Rahmen eines BaCaTec-Vorgängerprojekts am LCLS bewährt hat. Nichtsdestotrotz fehlt immer noch eine eindeutige und direkte Methode zur Pulscharakterisierung von einzelnen Röntgenpulsen in der Zeit- sowie in der Energie-Domäne. Wir präsentieren einen neuen Ansatz zur Charakterisierung der Struktur von FEL-Pulsen mittels der winkelaufgelösten Streaking-Technik. Hierbei werden ein zirkular polarisierter, infraroter Streaking-Laser und eine radiale Anordnung von 16 Flugzeit-Detektoren verwendet, um die FEL-Pulseigenschaften auf die Winkelverteilung der durch den Röntgenpuls erzeugten Photoelektronen abzubilden.
Wir demonstrieren, dass es mit winkelaufgelösten Streaking-Messungen möglich ist, die zeitliche Substruktur und den Chirp von einzelnen Röntgenpulsen mit einer Genauigkeit von weniger als einer Femtosekunde zu bestimmen. Darüber hinaus kann die Schwankung der relativen Ankunftszeit zwischen einem optischen Puls und dem Röntgenpuls, welche aufgrund des statistischen Charakters der selbstverstärkten spontanen Emission (SASE) entsteht, im selben Experiment bestimmt werden. Somit erlaubt uns diese Methode, die Substruktur von FEL-Pulsen aufzuzeichnen und zu erstmals zu zeigen, dass einige dieser Schüsse aus Einzel- und Doppelpulsen mit einer Dauer von wenigen hundert Attosekunden bestehen und somit für Anrege-Abfrage-Experimente mit Röntgenpulsen verwendet werden können. Diese Ergebnisse wurden bei Nature Photonics zur Publikationakzeptiert und werden zeitnahe veröffentlicht.