Phase Jump Method for Efficiency Enhancement in Free-Electron Lasers

The efficiency of a free-electron laser can be enhanced by sustaining the growth of the radiation power beyond the initial saturation. One notable method is undulator tapering, which involves the variation of the gap height and/or the period along the undulator. Another method is the introduction of phase jumps, using phase-shifting chicanes in the drift sections separating the undulator segments. In this article, we develop a physics model of this phase jump method, and verify it with numerical simulations. The model elucidates the energy extraction process in the longitudinal phase space. The main ingredient is the microbunch deceleration cycle, which enables the microbunched electron beam to decelerate and radiate coherently beyond the initial saturation. The ponderomotive bucket is stationary, and energy can even be extracted from electrons outside the bucket. The model addresses the selection criteria for the phase jump values, and the requirement on the undulator segment length. It also describes the mechanism of the final saturation. In addition, we discuss the similarities and differences between the phase jump method and undulator tapering, by comparing our phase jump model to the classic Kroll-Morton-Rosenbluth model

Generation of VUV ultra-short coherent optical pulses using electron storage rings

2006/2007The need of coherent and intense pulsed radiation is spread among many research disciplines, such as biology, nanotechnology, physics, chemistry and medicine. The synchrotron light from traditional sources only partially meets these characteristics. A new kind of light source has been conceived and developed in the last decades: the Free-Electron Laser (FEL). The FEL process relies on the interaction between a relativistic electron beam and an electromagnetic wave in presence of a static and periodic magnetic field, produced by a device called undulator. This interaction generates coherent radiation at a fundamental frequency and its higher harmonics. In the standard configuration, the electron beam is generated by a linear accelerator and the interaction occurs in a single passage through one or several undulators. An alternative configuration can be obtained if the electrons are supplied by a storage ring. This work has been carried out at the Elettra laboratory within the ``new light sources'' group. My thesis focuses on both numerical and experimental issues about the generation of coherent harmonics on storage-ring FELs. The Elettra SRFEL has been originally designed to operate in ``oscillator configuration'' where the radiation is stored in an optical cavity (made of two mirrors). This process also drives the emission of radiation in the harmonics. In this work, different experimental methods have been implemented at Elettra to concentrate the power in giant pulses, both for the fundamental wavelength and its harmonics. Using this technique, it has been possible to generate fundamental radiation at 660 nm and 450 nm with (intra-cavity) power of few mJ and third harmonic radiation at 220 nm and 150 nm with few nJ of power. This process has been studied numerically by using a tri-dimensional simulation which also accounts for the re-circulation of the beam. The results of simulations are in good agreement with experimental measurements and allow to investigate the inner structure of the light below the picoseconds scale, where the instrumentation resolution reaches its limit. Structures of hundreds of femtoseconds inside the laser pulse have been found and this implies a higher peak power. Moreover, the numerical results have been confirmed by spectral measurements. By removing the optical cavity and focusing an external laser in the first undulator, a ``seeded single-pass'' configuration has been implemented. In the first undulator, the interaction with the external laser (``seed'') modulates the electron energy which is converted to spatial modulation (``bunching''). A Fourier analysis of the bunched electron-beam shows the presence of components at all harmonics (even and odd) and this explains why electrons in the second undulator can emit at any harmonic. To implement this configuration a design and layout plus tri-dimensional simulations were performed. Followed by the installation of the seed laser (Ti:Sapphire, lambda = 796 nm), the timing and the diagnostics. The commissioning focused on optimizing the spatial overlap and the synchronization between the electrons and the seed laser. Coherent harmonic radiation has been obtained at 265 nm, the third harmonic of the seed laser. After the characterization of this light, the seed frequency has been doubled by means of a nonlinear crystal. With this setup, radiation down to 99.5 nm (the fourth harmonic of the seed) has been generated. The shot-to-shot stability is comparable to the stability of the synchrotron radiation (fluctuations of few %) but the number of photons per pulse (~10^9) is about two-three orders of magnitude bigger than the synchrotron one. Thus this coherent radiation can be used for experiments similar to those suggested for the next generation FELs. Summarizing, the light source developed during my thesis is a unique facility able to generate coherent radiation with variable polarization, variable duration (between 100 fs and 1 ps), with peak power of the order of mega-Watts in a wide spectral VUV range. In the latest implementation, this radiation source has been used for two different kind of experiments, one in gas-phase, the other of solid state. The obtained results demonstrate the appealing of this source for user experiments. In perspective, there is a plan to extend the wavelength range below 100 nm and to improve the tunability of the source.Vari ambiti della ricerca scientifica, dalla biologia alle nanotecnologie, passando per la fisica, la chimica e la medicina, richiedono per le loro indagini una radiazione spazialmente coerente con un elevato numero di fotoni per impulso. Poiché la radiazione di sincrotrone non possiede queste caratteristiche, negli ultimi anni gli sforzi si sono concentrati nello sviluppo delle cosiddette sorgenti di quarta generazione: i laser a elettroni liberi (LEL). Il processo LEL avviene per l'interazione di un'onda elettromagnetica con un fascio di elettroni relativistici in presenza di un campo magnetico. Tale campo, statico e periodico, viene generato da un dispositivo detto ondulatore. L'interazione produce emissione di luce coerente ad una frequenza fondamentale e alle sue armoniche superiori. La configurazione standard prevede che gli elettroni siano prodotti da un acceleratore lineare e l'interazione si risolve tipicamente in un singolo passaggio attraverso uno o più ondulatori. Una configurazione alternativa si ottiene quando gli elettroni sono forniti da un anello di accumulazione. La tesi si è svolta presso il laboratorio Elettra, nel gruppo che si occupa dello sviluppo di nuove sorgenti di luce. La mia attività di ricerca comprende sia aspetti teorico-numerici che sperimentali relativi alla generazione di armoniche coerenti su LEL installati su anelli di accumulazione. Storicamente il laser a elettroni liberi ad Elettra è nato in ``configurazione oscillatore'' (la radiazione è immagazzinata in una cavità ottica formata da due specchi). Ad ogni passaggio successivo gli elettroni interagiscono con l'onda electtromagnetica amplificandola fino all'instaurarsi dell'effetto laser. Questo processo guida anche l'emissione alle armoniche superiori. Diversi metodi sperimentali possono essere usati per concentrare la potenza in impulsi giganti, sia per la fondamentale che per le armoniche. Questa tecnica, che ho affinato durante il mio lavoro di tesi, ci ha permesso di generare potenze dell'ordine di alcuni mJ per la fondamentale (nella cavità) e di alcuni nJ alla terza armonica di 660 nm e di 450 nm, cioè 220 nm e 150 nm rispettivamente. Dal punto di vista numerico, per studiare questo processo abbiamo modificato un codice per simulare tridimensionalmente la nostra configurazione ed abbiamo aggiunto una parte che propaga gli elettroni lungo l'anello. Le simulazioni sono in ottimo accordo con i dati sperimentali e ci permettono di investigare più nel dettaglio l'impulso, nella scala temporale dei femtosecondi dove si arresta la risoluzione strumentale. Dalle simulazioni risulta che all'interno degli impulsi laser sono presenti delle substrutture della durata di alcune centinaia di femtosecondi. La presenza di tali strutture implica una potenza di picco maggiore. Abbiamo inoltre una conferma indiretta dei risultati numerici tramite le misure spettrali. Rimuovendo la cavità ottica e focalizzando un laser esterno nel primo ondulatore si può passare alla cosiddetta configurazione in ``singolo passaggio''. Nel primo ondulatore, l'interazione con il laser esterno (``seed'') produce una modulazione nell'energia degli elettroni, la quale viene trasformata in separazione spaziale (``bunching''). Un'analisi di Fourier del fascio di elettroni mostra componenti a tutte le armoniche (pari e dispari), per cui gli elettroni sono in grado di emettere a qualsiasi armonica nel secondo ondulatore. In questa configurazione la prima parte del lavoro di tesi è stata il design della linea e lo studio numerico dei risultati attesi. A questo studio preliminare è seguita l'installazione dell'esperimento, a partire dall'alloggiamento e la messa in funzione del laser esterno (Ti:Sapphire, lambda = 796 nm) fino alla realizzazione del sistema di sincronizzazione del seed con gli elettroni. Prima di ottenere la radiazione armonica coerente e poter confrontare le aspettative con i risultati sperimentali abbiamo dovuto dedicare molti turni di fisica di macchina al perfezionamento della sovrapposizione spaziale e temporale tra elettroni e laser esterno. La prima radiazione armonica coerente è stata ottenuta alla terza armonica (265 nm) del laser esterno. Dopo una prima caratterizzazione della sorgente, abbiamo introdotto un cristallo nonlineare per generare la seconda armonica del laser esterno e usare questa come seed. Attualmente il LEL di Elettra è in grado di produrre radiazione fino a 99.5 nm (la quarta armonica del seed) con la stessa stabilità della radiazione di sincrotrone (flutuazioni dell'ordine del %). Queste caratteristiche, insieme al numero di fotoni per impulso (~10^9) che supera di almeno due ordini di grandezza l'emissione di sincrotrone, permettono l'utilizzo della luce prodotta per esperimenti simili a quelli proposti per le sorgenti di quarta generazione. Riassumendo, la sorgente sviluppata durante la mia tesi è attualmente l'unica in grado di fornire luce coerente di durata variabile tra 100 fs e 1 ps con potenze dell'ordine del mega-Watt e polarizzazione variabile (lineare-circolare) in un ampia gamma spettrale nell'ultravioletto. Negli ultimi turni, questa radiazione è stata usata su due diversi tipi di esperimenti, uno in fase gassosa l'altro di stato solido. I risultati ottenuti dimostrano che la radiazione emessa può essere appetibile per gli utenti. Le prospettive sono estendere il range di lunghezze d'onda sotto i 100 nm e migliorare la tunabilità della sorgente.XX Ciclo197

Further Studies of Undulator Tapering in X-Ray FELs

We further the studies of the model-based optimization of tapered free-electron lasers presented in a recent publication [Phys. Rev. ST Accel. Beams 18, 040702 (2015)]. Departing from the ideal case, wherein the taper profile is a smooth and continuous function, we consider the more realistic case, with individual undulator segments separated by break sections. Using the simulation code GENESIS, we apply our taper optimization method to a case, which closely resembles the FLASH2 facility in Hamburg, Germany. By comparing steady-state and time-dependent simulations, we examine how time-dependent effects alter the optimal taper scenario. From the simulation results, we also deduce that the "traditional" empirical method, whereby the intermediate radiation power is maximized after closing every undulator gap, does not necessarily produce the highest final power at the exit of the undulator line

Methods for the Optimization of a Tapered Free-Electron Laser

In a free-electron laser (FEL), the technique of wiggler tapering enables the sustained growth of radiation power beyond the initial saturation. With the goal to develop anX-ray FEL in the terawatt power regime, it is important to utilize this technique and optimize the taper profile,giving the wiggler parameter as a function of the distance along the wiggler line. This article examines two methods of optimization, which are based on the theoretical analysis by Kroll, Morton and Rosenbluth (KMR). Using the numerical simulation code GENESIS, the methods are applied to a case for the possible future FEL at the MAX IV Laboratory, as well as a case for the LCLS-II

Model-Based Optimization of Tapered Free-Electron Lasers

The energy extraction efficiency is a figure of merit for a free-electron laser (FEL). It can be enhanced by the technique of undulator tapering, which enables the sustained growth of radiation power beyond the initial saturation point. In the development of a single-pass x-ray FEL, it is important to exploit the full potential of this technique and optimize the taper profile aw(z). Our approach to the optimization is based on the theoretical model by Kroll, Morton, and Rosenbluth, whereby the taper profile aw(z) is not a predetermined function (such as linear or exponential) but is determined by the physics of a resonant particle. For further enhancement of the energy extraction efficiency, we propose a modification to the model, which involves manipulations of the resonant particle’s phase. Using the numerical simulation code GENESIS, we apply our model-based optimization methods to a case of the future FEL at the MAX IV Laboratory (Lund, Sweden), as well as a case of the LCLS-II facility (Stanford, USA)

Sensitivity Study of a Tapered Free-Electron Laser

The output power of a free-electron laser (FEL) can be greatly enhanced by tapering the undulator line. In this work, a sensitivity study of a tapered FEL is presented. The study is conducted using the numerical simulation code GENESIS and a taper optimization method. Starting from a possible case for the future X-ray FEL at the MAX IV Laboratory in Lund, Sweden, a number of parameters are varied systematically and the impact on the FEL power is investigated. These parameters include the electron beam's initial energy, current, emittance, energy spread, as well as the seed radiation power

Characterization of FEL spectra using specific figures of merit

There is an increasing demand from the user community for high quality FEL radiation. The spectrum of this radiation can prove to be a useful tool in characterizing the FEL process. Starting from a tool initially developed at FERMI we extend its capabilities to be able to analyze the modal components of the FEL spectrum. In this paper we will describe and compare two different figures of merit and offer initial bench-marking with respect to classic figure of merit for spectra such as FWHM and RMS