Generation and detection schemes for laser-induced coherent terahertz radiation at the electron storage ring DELTA

Abstract

At DELTA, a 1.5-GeV electron storage ring operated as a synchrotron light source by the TU Dortmund University, a short-pulse facility for vacuum-ultraviolet and terahertz (THz) radiation was established in 2011. Here, a laser-induced modulation of the electron energy followed by energy-dependent path length differences in the magnetic lattice leads to the formation of a sub-picosecond electron density modulation. In a subsequent bending magnet, ultrashort coherent radiation pulses in the THz regime are emitted, which are extracted by a dedicated THz beamline and are detected by a hot-electron bolometer with a response time in the microsecond regime. Within the scope of this thesis, the evacuated THz beamline at DELTA was optimized and extended. A Fourier transform infrared spectrometer and ultrafast detectors with response times in the picosecond regime were installed, which allowed studying the spectrum of the laser-induced THz radiation as well as the temporal evolution of the density modulation over several revolutions after the initial laser-electron interaction. The laser-electron interaction, the formation of the density modulation, and the generation of the THz radiation were modeled in detail. The simulation results are in good agreement with the experimental findings and enable a deeper understanding of the underlying physics. Characterization measurements of the laser-induced THz radiation intensity and spectrum confirmed theoretical expectations and numerical results. Based on a variation of laser and storage ring parameters and of the longitudinal and transverse laserelectron overlap, optimized parameters and improvements for the operation of the DELTA short-pulse facility are presented. By scanning the delay between laser pulse and electron bunch, the longitudinal bunch profile was studied, while a Fourier transform of the THz spectra was used to determine the profile of the laser-induced density modulation. Results from turn-by-turn resolved measurements give insight into the longitudinal beam dynamics. In cooperation with a group from the University Lille 1, France, narrow-band THz pulses were generated based on the so-called chirped-pulse beating technique, which extended previous results from the UVSOR storage ring in Japan from the sub-THz range to frequencies up to 5.5 THz.

Bei DELTA, einem von der Technischen Universität Dortmund als Synchrotronstrahlungsquelle betriebenen 1,5-GeV-Elektronenspeicherring, wurde 2011 eine Kurzpulsquelle für Vakuum-Ultraviolett- und Terahertz-(THz-)Strahlung errichtet. Durch eine Laser-induzierte Modulation der Elektronenenergie und energieabhängige Weglängenunterschiede in der nachfolgenden Magnetstruktur entsteht eine Elektronendichtemodulation mit Strukturlängen von unter einer Pikosekunde. Als Konsequenz werden in einem Ablenkmagneten ultrakurze kohärente Strahlungspulse im THz-Bereich emittiert, durch eine dedizierte THz-Strahllinie nach außen geführt und mit Hilfe eines sogenannten „hot-electron“ Bolometers detektiert, welches eine Zeitauflösung im Mikrosekunden- Bereich bietet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bei DELTA bestehende Vakuum-THz-Strahllinie optimiert und erweitert. Durch die Installation eines Fourier-Transformations-Infrarot- Spektrometers und ultraschneller Detektoren mit Zeitauflösungen im Pikosekunden- Bereich konnten das Spektrum der Laser-induzierten THz-Strahlung sowie die Weiterentwicklung der Dichtemodulation über mehrere Umläufe im Speicherring nach der ursprünglichen Laser-Elektronen-Wechselwirkung untersucht werden. Für die Laser- Elektronen-Wechselwirkung, die Entstehung der Dichtemodulation und die Erzeugung der THz-Strahlung wurde ein detailliertes Computermodell erstellt. Die Simulationsergebnisse weisen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten auf und ermöglichen ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Physik. Durch Messungen der Intensität und des Spektrums der Laser-induzierten THz- Strahlung wurden theoretische Vorhersagen und numerische Ergebnisse bestätigt. Basierend auf der Variation von Laser- und Speicherring-Parametern sowie des longitudinalen und transversalen Laser-Elektronen-Überlapps werden optimierte Parameter- Einstellungen und Verbesserungen für den Betrieb der Kurzpulsquelle beschrieben. Die longitudinale Ladungsverteilung im Elektronenpaket wurde durch Abtasten mit dem zeitlich verzögerten Laserpuls untersucht, während das Profil der Laser-induzierten Dichtemodulation durch die Fourier-Transformation von THz-Spektren bestimmt wurde. Die Ergebnisse von umlaufaufgelösten Messungen gewähren einen Einblick in die longitudinale Strahldynamik. In Zusammenarbeit mit einer Gruppe der Universität Lille 1 in Frankreich wurden schmalbandige THz-Pulse basierend auf der sogenannten „chirped-pulse beating“-Methode erzeugt. Der bei vorherigen Experimenten am Speicherring UVSOR in Japan auf unter 1 THz limitierte Frequenzbereich wurde dabei mit bis zu 5,5 THz deutlich erweitert.