First demonstration of echo-enabled harmonic generation in a storage ring and deep learning for beam diagnostics

Abstract

The generation and characterization of ultrashort, coherent radiation pulses in the extreme ultraviolet (EUV) and X-ray regimes are critical for investigating ultrafast dynamic processes in matter. This thesis advances these capabilities through two complementary research directions: the development of deep-learning-based methods for advanced beam diagnostics and the first experimental implementation of echo-enabled harmonic generation (EEHG) in an electron storage ring. To overcome the limitations of conventional diagnostics, deep-learning-based methods were developed for both storage ring and free-electron laser (FEL) applications. At the 1.5-GeV electron storage ring DELTA, operated by the Center for Synchrotron Radiation of TU Dortmund University, coherent harmonic generation (CHG) is employed, a technique where an external laser seed interacts with the electron beam to generate ultrashort radiation pulses at harmonics of the laser frequency. A convolutional neural network (CNN) was trained to extract the spectral phase properties of the seed laser pulses from the CHG radiation spectra. This method successfully identified a large uncompensated third-order dispersion in the seed pulse, explaining previously unresolved spectral asymmetries. Furthermore, two CNN-based methods were implemented to reconstruct photon pulse profiles from longitudinal electron phase space images at FLASH, an FEL in Hamburg. This work involved the application of a standard U-Net model and a specialized dual-input design (Y-Net) developed specifically for this task. The deep learning models demonstrate the capability to perform single-shot reconstruction of the photon pulse profiles without requiring frequent reference measurements and reduce non-physical artifacts. In the experimental domain, this work presents the commissioning of the SPEED (Short Pulse Emission via Echo at DELTA) facility at DELTA. This project utilizes the EEHG mechanism that employs a two-stage seeding scheme to manipulate electrons in the longitudinal phase space for harmonic generation. By reconfiguring a 4.75 m electromagnetic undulator, the world’s first proof-of-principle demonstration of EEHG in a storage ring was achieved. Coherent emission was successfully observed and characterized up to the 11th harmonic (73 nm) of an 800 nm seed laser. These results confirm the robustness of the EEHG mechanism in a circular accelerator. Building on this success, a conceptual design for an optimized and compact permanent-magnet-based EEHG setup is presented. Simulation studies indicate that this design, fitting within a typical 5-meter straight section, can extend efficient harmonic generation up to the 29th harmonic (≈ 27 nm), showing a path forward for future short-pulse sources based on electron storage rings.

Die Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer, kohärenter Strahlungspulse im extremen Ultraviolett- (EUV) sowie im Röntgenbereich ist für die Untersuchung ultraschneller dynamischer Prozesse in Materie von entscheidender Bedeutung. In diesem Kontext beschreibt die vorliegende Arbeit zwei sich ergänzende Forschungsbeiträge: die Entwicklung von Deep-Learning-basierten Methoden für neue Formen der Strahldiagnose und die erste experimentelle Umsetzung des EEHG-Verfahrens (Echo-Enabled Harmonic Generation) in einem Elektronenspeicherring. Um die Grenzen konventioneller Strahldiagnose zu überwinden, wurden Deep-Learningbasierte Verfahren sowohl für Anwendungen an Speicherringen als auch für Freie-Elektronen-Laser (FEL) entwickelt. Am 1,5-GeV-Elektronenspeicherring DELTA, der vom Zentrum für Synchrotronstrahlung der TU Dortmund betrieben wird, wurde das CHG-Verfahren (Coherent Harmonic Generation) eingesetzt, bei dem externe Laserpulse die Elektronen im Speicherring so manipulieren, dass ultrakurze Strahlungspulse bei Harmonischen der Laserfrequenz entstehen. Ein sog. Convolutional Neural Network (CNN) wurde trainiert, um Eigenschaften der spektralen Phase der Laserpulse aus den CHG-Strahlungsspektren zu extrahieren. Mit dieser Methode konnte eine hohe unkompensierte Dispersion dritter Ordnung erfolgreich identifiziert werden, wodurch zuvor unverstandene Asymmetrien in den Spektren erklärt werden konnten. Darüber hinaus wurden zwei CNN-basierte Methoden implementiert, um Photonenpulsprofile aus gemessenen Verteilungen der Elektronen im longitudinalen Phasenraum bei FLASH, einem FEL in Hamburg, zu rekonstruieren. Diese Arbeit umfasste die Anwendung eines Standard-U-Net-Modells und eines speziell für diese Aufgabe entwickelten Y-Net-Modells mit zwei Eingangsverteilungen. Diese Deep-Learning-Modelle ermöglichen eine Einzelpuls-Rekonstruktion der Photonenpulsform, ohne dass zahlreiche Referenzmessungen durchgeführt werden müssen. Zudem wird das Auftreten nicht-physikalischer Artefakte reduziert. Im experimentellen Teil beschreibt diese Arbeit die Inbetriebnahme der Anlage SPEED (Short-Pulse Emission via Echo at DELTA) bei DELTA. Dieses Projekt nutzt den EEHGMechanismus, der mit einer zweistufigen Laser-Wechselwirkung die Elektronen im longitudinalen Phasenraum so manipuliert, dass Strahlung bei hohen Harmonischen erzeugt wird. Durch die Neukonfiguration eines 4,75 m langen elektromagnetischen Undulators konnte das EEHG-Verfahren weltweit erstmalig an einem Speicherring demonstriert werden. Kohärente Strahlungsemission wurde erfolgreich beobachtet und bis zur 11. Harmonischen (73 nm) der 800-nm-Laserpulse charakterisiert. Diese Ergebnisse bestätigen die Robustheit des EEHG-Mechanismus in einem Speicherring. Aufbauend auf diesen Erfolg wird das Konzept einer optimierten und kompakten EEHG-Anordnung auf der Basis von Permanentmagneten vorgestellt. Simulationsstudien belegen, dass die effiziente Erzeugung von Strahlung bis zur 29. Harmonischen (ca. 27 nm) in einer typischen freien Strecke von 5 Metern Länge möglich ist, womit ein Weg für zukünftige Kurzpulsquellen an Elektronenspeicherringen aufgezeigt wird.