Tailored synchrotron light pulses in the THz domain

Abstract

Bei DELTA, dem 1,5-GeV-Elektronen-Speicherring, der von der TU Dortmund als Synchrotronstrahlungsquelle betrieben wird, wird die Ablenkung eines hochrelativistischen Elektronenstrahls genutzt, um Strahlung im Spektralbereich des harten Röntgenbereichs bis zum Terahertz (THz)-Bereich zu erzeugen. Die Kurzpulsquelle von DELTA stellt auf der Basis einer Laser-Elektronen-Wechselwirkung Pulse im Vakuum-Ultraviolett (VUV) und THz-Bereich bereit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Erzeugung von THz-Strahlung systematisch in Experimenten und Simulationen untersucht. Der Frequenzbereich zwischen Radiowellen und Infrarotstrahlung wurde lange Zeit als Terahertz-Lücke bezeichnet, da die Verfügbarkeit von Quellen und Detektoren sehr begrenzt war. Heutzutage haben Teilchenbeschleuniger und moderne Lasertechnologie begonnen, die Lücke der THz-Quellen zu schließen. Bei DELTA wurde die Kurzpulsquelle um die Möglichkeit erweitert, THz-Pulse von nahezu beliebiger spektro-temporaler Form zu erzeugen. Hierbei moduliert ein Titan-Saphir-Kurzpulslaser die Elektronenenergie innerhalb eines Teils des Elektronenpakets mittels einer Laser-Elektronen-Wechselwirkung in einem Undulator. Die dispersiven Eigenschaften des Speicherrings führen zur Bildung einer Senke in der longitudinalen Elektronendichte. Dies führt zu einer kohärenten Emission von Synchrotronstrahlung im THz-Bereich. Während die Wechselwirkung mit einem ultrakurzen Laserpuls zu einer breitbandigen Emission von THz-Strahlung führt, führt ein längerer Laserpuls mit einem periodischen zeitlichen Profil zu einer schmalbandigen Emission. Um dies zu realisieren, wurde durch Interferenz des gechirpten Laserpulses mit einer verzögerten Kopie eine Intensitäts-Schwebung des Laserpulses erzeugt. Durch eine Änderung der Schwebungsfrequenz kann die zentrale Frequenz des emittierten THz-Spektrums zwischen 50 GHz und 6,5 THz mit einer relativen Bandbreite von etwa 10 % eingestellt werden. In einem nächsten Schritt wurde eine direkte Manipulation der spektralen Phase der Laserpulse mit einem Flüssigkristall-basierten räumlichen Lichtmodulator implementiert, der es erlaubt, die Laserpulse nahezu beliebig zu formen. Auf diese Weise konnte durchstimmbare schmalbandige THz-Strahlung mit einer noch besseren relativen Bandbreite von unter 2 % erzeugt werden. Außerdem wurden zweifarbige Pulse und Spektren mit rechteckigem und trapezförmigem Spektrum erzeugt. Die Messungen der spektralen Eigenschaften wurden mit einem im Rahmen dieser Arbeit in Betrieb genommenen Fourier-Transformations-Spektrometer durchgeführt. Neben der spektralen Formung von THz-Pulsen wurde auch die zeitliche Entwicklung der laserinduzierten Energiemodulation untersucht. Reste der Energiemodulation wurden für mehr als 350 Umläufe im Speicherring aufgezeichnet, nachdem die ursprüngliche Laser-Elektronen-Wechselwirkung stattgefunden hatte.At DELTA, a 1.5-GeV electron storage ring operated as a synchrotron light source by the TU Dortmund University, the deflection of a highly relativistic electron beam is used to generate radiation in the spectral range from hard X-rays to terahertz (THz) radiation. The short-pulse facility of DELTA provides pulses in the vacuum ultra violet (VUV) and THz range based on a laser-electron interaction. Within the scope of this thesis, the generation of THz radiation was systematically studied in experiments and simulations. The frequency range between radio waves and infrared radiation has been referred to as the terahertz gap for a long time because the availability of sources and detectors was very limited. Nowadays, particle accelerators and modern laser technology have started to close the gap. At DELTA, the short-pulse facility was improved by the ability to generate THz pulses of nearly arbitrary shape. Here, a short-pulse Ti:sapphire laser modulates the electron energy within a slice of the electron bunch via a laser-electron interaction in an undulator. The dispersive properties of the storage ring lead to the formation of a dip in the longitudinal electron density which gives rise to the coherent emission of synchrotron radiation in the THz regime. While an interaction with an ultrashort laser pulse leads to a broadband emission of THz radiation, a longer laser pulse with a periodic temporal profile leads to a narrowband emission. To realize that, an intensity beating of the laser pulse was generated by interference of the chirped laser pulse with a delayed copy. Here, a change of the beating frequency allows to control the central frequency of the emitted THz spectrum ranging between 50 GHz and 6.5 THz with a relative bandwidth of about 10 %. In a next step, a direct manipulation of the spectral phase of the laser pulses was implemented using a liquid-crystal based spatial light modulator, allowing to almost arbitrarily shape the laser pulses. Using this setup, tunable narrowband THz radiation with an improved relative bandwidth below 2 % was generated. Furthermore, two-colored pulses and spectra of rectangular and trapezoidal shape were produced. Measurements of the spectral properties were conducted using a Fourier-transform spectrometer commissioned within the scope of this thesis. Besides the spectral shaping of THz pulses, the temporal evolution of the laser-induced energy modulation was explored. Remainders of the energy modulation were recorded after more than 350 revolutions in the storage ring after the initial laser-electron interaction had happened.