Notable improvements on LWFA through precise laser wavefront tuning

Oumbarek Espinos D., Rondepierre A., Zhidkov A., et al. Notable improvements on LWFA through precise laser wavefront tuning. Scientific Reports 13, 18466 (2023); https://doi.org/10.1038/s41598-023-45737-5.Laser wakefield acceleration (LWFA) continues to grow and awaken interest worldwide, especially as in various applications it approaches performance comparable to classical accelerators. However, numerous challenges still exist until this can be a reality. The complex non-linear nature of the process of interaction between the laser and the induced plasma remains an obstacle to the widespread LWFA use as stable and reliable particle sources. It is commonly accepted that the best wavefront is a perfect Gaussian distribution. However, experimentally, this is not correct and more complicated ones can potentially give better results. in this work, the effects of tuning the laser wavefront via the controlled introduction of aberrations are explored for an LWFA accelerator using the shock injection configuration. Our experiments show the clear unique correlation between the generated beam transverse characteristics and the different input wavefronts. The electron beams stability, acceleration and injection are also significantly different. We found that in our case, the best beams were generated with a specific complex wavefront. A greater understanding of electron generation as function of the laser input is achieved thanks to this method and hopes towards a higher level of control on the electrons beams by LWFA is foreseen

Electrons de haute qualité produits par accélération laser plasma pour rayonnement onduleur et laser à électrons libres

Particle accelerators are a cornerstone of today science for research and industrial applications. They are used for example for radiation sources such as undulator radiation and free electron laser (FEL), the brightest tunable x-ray sources available. FEL aiming at low wavelengths require of long accelerator facilities (up to km) to provide the electron energies needed. The recent progress in Laser Plasma Acceleration (LPA) makes it attractive for FEL usage thanks to its capacity to produce femtosecond, GeV beams in cm scale distances. However, the LPA beams slice divergence, energy density and energy spread are not on par with the standard beams utilized for FELs. Moreover, LPA beams transport is still challenging due to the large initial divergence and energy spread. In view of a FEL application, the energy spread has to be adapted to reach the required small slice value while the beam divergence has to be controlled to avoid chromatic effects and emittance growth with strong focusing elements. The COXINEL line aims to demonstrate LPA based FEL. The line transports the electron beam from the source to the undulator while compensating the initial divergence, manipulating and focusing the beam at the undulator using classic magnetic devices. Following the electron beam path, a triplet of specially designed variable gradient quadrupoles called QUAPEVA compensate the initial divergence. The beam is transported in a magnetic chicane for energy selection, followed by a set of four electro-magnet quadrupoles for proper focusing inside a cryo-ready undulator. After the undulator a dipole dump evacuates the electrons. In this thesis, the qualification and evolution during transport of the LPA produced electron beams for FEL generation on the COXINEL experiment is explored. The experimental LPA source has been modeled via particle in cell simulations to find the setup performance and generated electron beam parameters dependance on the gas target characteristics. The simulation shows beams with mean RMS slice divergences of 2 mrad, energy spreads of 10 % and peak energies around 170 MeV in the best cases. The experiment was designed for a baseline electron beam parameters that are able to produce FEL radiation in simulations, but deviations from them cause a fast drop in FEL power or completely nullifies it. At each experimental campaign the LPA performance have improved steadily. But, during the multiple experimental campaigns, the beam parameters found at the source are still far from the baseline. Simulations exhibit a considerable degradation of the transport due to the high experimental divergence and pointing but the COXINEL line is still able to transport the reference energy slice without losses. Utilizing the diagnostics along the COXINEL line, the beam parameters evolution has been monitored. A strong beam worsening during experiment has been observed due to laser degradation with use. Thus, the beam arriving at the undulator during the FEL search experiments presents a higher emittance and lower charge than the measured at the spectrometer in the beginning of the experiment. The beam divergence, energy spread and initial pointing have been found to be the main causes of transport degradation. Its effects have been quantified by simulations and confirmed experimentally. This thesis works shows that the electron beam characteristics can be measured along the line. From the beam transverse size measured at the middle of the chicane and transport equations the mean reference slice RMS vertical emittance has been found to be of 3.2 mm.mrad and the RMS divergence 2 mrad. The measurement of the beam at the dipole dump permitted to observe the reference energy slice charge that crossed the undulator. The best mean reference slice charge value was 0.27 pC. The simulation and calculations of radiation with such beam values confirm that no FEL can be reached. Further improvements of the LPA beam are still necessary to achieve FEL.Les lasers à électrons libres (LEL) sont sources de rayons X accordables les plus brillantes disponibles. Les LEL visant les basses longueurs d'onde nécessitent de longues installations d'accélération pour fournir les énergies des électrons nécessaires. Les progrès récents dans le domaine de l'accélération laser-plasma (LPA) rendent cette technologie intéressante pour l'utilisation dans des LEL grâce à ses faisceaux femtosecondes avec GeV dans des centimètres. La divergence, la densité d'énergie et la dispersion de l'énergie des faisceaux LPA ne sont pas comparables à celles des faisceaux utilisés dans les LEL. Le transport des faisceaux LPA reste difficile en raison de la grande divergence initiale et de la dispersion de l'énergie. Pour une application LEL, la dispersion de l'énergie doit être adaptée pour atteindre la valeur requise et la divergence du faisceau doit être compensée pour éviter des effets chromatiques et la croissance de l'émittance avec des éléments de focalisation puissants. La ligne COXINEL vise à faire la démonstration d'un LEL basé sur le LPA. La ligne transporte et focalise le faisceau d'électrons à l'onduleur avec de dispositifs magnétiques classiques. Premièrement, un triplet de quadrupôles à gradient variable spécialement conçus (QUAPEVA) compensent la divergence initiale. Le faisceau est transporté dans une chicane magnétique pour la sélection de l'énergie, suivie d'un ensemble de quatre quadrupôles électro-magnétiques pour une focalisation à l'intérieur d'un onduleur. Après l'onduleur, un dipôle «dump» évacue les électrons. Dans cette thèse, la qualification et l'évolution pendant le transport des faisceaux d'électrons produits par LPA pour la génération du LEL sur l'expérience COXINEL est explorée. La source LPA expérimentale a été modélisée par des simulations « Particle in cell » afin de déterminer ses performances. La simulation montre des faisceaux avec des divergences RMS de 2 mrad, des dispersions de l'énergie de 10 % et des énergies de pointe autour de 170 MeV dans les meilleurs cas. L'expérience COXINEL a été conçue pour un faisceau d'électrons de référence dont les paramètres sont capables de produire un rayonnement LEL dans les simulations, mais des écarts entraînent une chute rapide de la puissance LEL ou sa disparition. A chaque campagne expérimentale, les performances du LPA se sont améliorées. Mais, les paramètres du faisceau trouvés à la source sont encore loin du faisceau de référence. Les simulations montrent une dégradation considérable du transport en raison de la divergence et du pointage expérimentaux élevés, mais la ligne COXINEL est toujours capable de transporter la tranche d'énergie de référence sans pertes. En utilisant les diagnostics le long de la ligne COXINEL, l'évolution des paramètres du faisceau ont été suivie. Une forte dégradation du faisceau au cours de l'expérience a été observée en raison de la dégradation du laser à l'usage. Ainsi, le faisceau arrivant à l'onduleur pendant les expériences de recherche LEL présente une émittance plus élevée et une charge plus faible que celle mesurée au spectromètre au début de l'expérience. La divergence du faisceau, la dispersion de l'énergie et le pointage initial se sont avérés être les principales causes de la dégradation du transport. Leurs effets ont été quantifiés par des simulations et confirmés expérimentalement. Ce travail de thèse montre que les caractéristiques des électrons peuvent être mesurées le long de la ligne. A partir de la taille transversale du faisceau mesurée au milieu de la chicane et des équations de transport, l'émittance verticale moyenne RMS de la tranche de référence a été trouvée de 3,2 mm.mrad et la divergence RMS de 2 mrad. La mesure du faisceau au niveau du dipôle «dump» a permis d'observer la charge de la tranche d'énergie de référence à la fin de la ligne. La meilleure valeur moyenne de la charge de tranche était de 0,27 pC. Avec telles valeurs de faisceau qu'aucun LEL ne peut être atteinte

Electrons de haute qualité produits par accélération laser plasma pour rayonnement onduleur et laser à électrons libres

Les lasers à électrons libres (LEL) sont sources de rayons X accordables les plus brillantes disponibles. Les LEL visant les basses longueurs d'onde nécessitent de longues installations d'accélération pour fournir les énergies des électrons nécessaires. Les progrès récents dans le domaine de l'accélération laser-plasma (LPA) rendent cette technologie intéressante pour l'utilisation dans des LEL grâce à ses faisceaux femtosecondes avec GeV dans des centimètres. La divergence, la densité d'énergie et la dispersion de l'énergie des faisceaux LPA ne sont pas comparables à celles des faisceaux utilisés dans les LEL. Le transport des faisceaux LPA reste difficile en raison de la grande divergence initiale et de la dispersion de l'énergie. Pour une application LEL, la dispersion de l'énergie doit être adaptée pour atteindre la valeur requise et la divergence du faisceau doit être compensée pour éviter des effets chromatiques et la croissance de l'émittance avec des éléments de focalisation puissants. La ligne COXINEL vise à faire la démonstration d'un LEL basé sur le LPA. La ligne transporte et focalise le faisceau d'électrons à l'onduleur avec de dispositifs magnétiques classiques. Premièrement, un triplet de quadrupôles à gradient variable spécialement conçus (QUAPEVA) compensent la divergence initiale. Le faisceau est transporté dans une chicane magnétique pour la sélection de l'énergie, suivie d'un ensemble de quatre quadrupôles électro-magnétiques pour une focalisation à l'intérieur d'un onduleur. Après l'onduleur, un dipôle «dump» évacue les électrons. Dans cette thèse, la qualification et l'évolution pendant le transport des faisceaux d'électrons produits par LPA pour la génération du LEL sur l'expérience COXINEL est explorée. La source LPA expérimentale a été modélisée par des simulations « Particle in cell » afin de déterminer ses performances. La simulation montre des faisceaux avec des divergences RMS de 2 mrad, des dispersions de l'énergie de 10 % et des énergies de pointe autour de 170 MeV dans les meilleurs cas. L'expérience COXINEL a été conçue pour un faisceau d'électrons de référence dont les paramètres sont capables de produire un rayonnement LEL dans les simulations, mais des écarts entraînent une chute rapide de la puissance LEL ou sa disparition. A chaque campagne expérimentale, les performances du LPA se sont améliorées. Mais, les paramètres du faisceau trouvés à la source sont encore loin du faisceau de référence. Les simulations montrent une dégradation considérable du transport en raison de la divergence et du pointage expérimentaux élevés, mais la ligne COXINEL est toujours capable de transporter la tranche d'énergie de référence sans pertes. En utilisant les diagnostics le long de la ligne COXINEL, l'évolution des paramètres du faisceau ont été suivie. Une forte dégradation du faisceau au cours de l'expérience a été observée en raison de la dégradation du laser à l'usage. Ainsi, le faisceau arrivant à l'onduleur pendant les expériences de recherche LEL présente une émittance plus élevée et une charge plus faible que celle mesurée au spectromètre au début de l'expérience. La divergence du faisceau, la dispersion de l'énergie et le pointage initial se sont avérés être les principales causes de la dégradation du transport. Leurs effets ont été quantifiés par des simulations et confirmés expérimentalement. Ce travail de thèse montre que les caractéristiques des électrons peuvent être mesurées le long de la ligne. A partir de la taille transversale du faisceau mesurée au milieu de la chicane et des équations de transport, l'émittance verticale moyenne RMS de la tranche de référence a été trouvée de 3,2 mm.mrad et la divergence RMS de 2 mrad. La mesure du faisceau au niveau du dipôle «dump» a permis d'observer la charge de la tranche d'énergie de référence à la fin de la ligne. La meilleure valeur moyenne de la charge de tranche était de 0,27 pC. Avec telles valeurs de faisceau qu'aucun LEL ne peut être atteinte.Particle accelerators are a cornerstone of today science for research and industrial applications. They are used for example for radiation sources such as undulator radiation and free electron laser (FEL), the brightest tunable x-ray sources available. FEL aiming at low wavelengths require of long accelerator facilities (up to km) to provide the electron energies needed. The recent progress in Laser Plasma Acceleration (LPA) makes it attractive for FEL usage thanks to its capacity to produce femtosecond, GeV beams in cm scale distances. However, the LPA beams slice divergence, energy density and energy spread are not on par with the standard beams utilized for FELs. Moreover, LPA beams transport is still challenging due to the large initial divergence and energy spread. In view of a FEL application, the energy spread has to be adapted to reach the required small slice value while the beam divergence has to be controlled to avoid chromatic effects and emittance growth with strong focusing elements. The COXINEL line aims to demonstrate LPA based FEL. The line transports the electron beam from the source to the undulator while compensating the initial divergence, manipulating and focusing the beam at the undulator using classic magnetic devices. Following the electron beam path, a triplet of specially designed variable gradient quadrupoles called QUAPEVA compensate the initial divergence. The beam is transported in a magnetic chicane for energy selection, followed by a set of four electro-magnet quadrupoles for proper focusing inside a cryo-ready undulator. After the undulator a dipole dump evacuates the electrons. In this thesis, the qualification and evolution during transport of the LPA produced electron beams for FEL generation on the COXINEL experiment is explored. The experimental LPA source has been modeled via particle in cell simulations to find the setup performance and generated electron beam parameters dependance on the gas target characteristics. The simulation shows beams with mean RMS slice divergences of 2 mrad, energy spreads of 10 % and peak energies around 170 MeV in the best cases. The experiment was designed for a baseline electron beam parameters that are able to produce FEL radiation in simulations, but deviations from them cause a fast drop in FEL power or completely nullifies it. At each experimental campaign the LPA performance have improved steadily. But, during the multiple experimental campaigns, the beam parameters found at the source are still far from the baseline. Simulations exhibit a considerable degradation of the transport due to the high experimental divergence and pointing but the COXINEL line is still able to transport the reference energy slice without losses. Utilizing the diagnostics along the COXINEL line, the beam parameters evolution has been monitored. A strong beam worsening during experiment has been observed due to laser degradation with use. Thus, the beam arriving at the undulator during the FEL search experiments presents a higher emittance and lower charge than the measured at the spectrometer in the beginning of the experiment. The beam divergence, energy spread and initial pointing have been found to be the main causes of transport degradation. Its effects have been quantified by simulations and confirmed experimentally. This thesis works shows that the electron beam characteristics can be measured along the line. From the beam transverse size measured at the middle of the chicane and transport equations the mean reference slice RMS vertical emittance has been found to be of 3.2 mm.mrad and the RMS divergence 2 mrad. The measurement of the beam at the dipole dump permitted to observe the reference energy slice charge that crossed the undulator. The best mean reference slice charge value was 0.27 pC. The simulation and calculations of radiation with such beam values confirm that no FEL can be reached. Further improvements of the LPA beam are still necessary to achieve FEL

Control of undulator radiation using a Laser Plasma Acceleration Source

International audienceSpontaneous undulator radiation emission, after the COXINEL line using a Laser Plasma acceleration (LPA) source, has been observed. The line enables to manipulate the electron beam phase space such as emittance, dispersion and energy spread along a 10 m long transport. The large divergence is handled at a very early stage to mitigate the chromatic emittance, using high gradient permanent magnet based quadrupoles mounted on translation tables. The operating energy is between 161-180 MeV focused in a 2-m long cryo-ready undulator with a period of 18 mm emitting light in the Ultra-Violet range. The spectral flux is characterized using a spectrometer. The wavelength is tuned by either changing the electron beam energy or by adjusting the undulator gap. The radiation pattern signature is illustrated alongside its dependence on the energy spread that is modified by introducing a slit in a magnetic chicane where a small relative bandwidth of 5% has been achieved

COXINEL transport of laser plasma accelerated electrons

International audienceLaser plasma acceleration (LPA) enables the generation of an up to several GeV electron beam with a short bunch length and high peak current within a centimeter scale. In view of undulator type light source applications, electron beam manipulation has to be applied. We report here on detailed electron beam transport for an LPA electron beam on the COXINEL test line, that consists of strong permanent quadrupoles to handle the electron beam divergence, a magnetic chicane to reduce the energy spread and a second set of quadrupoles for adjusting the focusing inside the undulator. After describing the measured LPA characteristics, we show that we can properly transport the electron beam along the line, thanks to several screens. We also illustrate the influence of the chromatic effects induced by the electron beam energy spread, both experimentally and numerically. We then study the sensitivity of the transport to the electron beam pointing and skewed quadrupolar components

Skew Quadrupole Effect of Laser Plasma Electron Beam Transport

International audienceLaser plasma acceleration (LPA) capable of providing femtosecond and GeV electron beams in cm scale distances brings a high interest for different applications, such as free electron laser and future colliders. Nevertheless, LPA high divergence and energy spread require an initial strong focus to mitigate the chromatic effects. The reliability, in particular with the pointing fluctuations, sets a real challenge for the control of the dispersion along the electron beam transport. We examine here how the magnetic defects of the first strong quadrupoles, in particular, the skew terms, can affect the brightness of the transported electron beam, in the case of the COXINEL transport line, designed for manipulating the electron beam properties for a free electron laser application. We also show that the higher the initial beam divergence, the larger the degradation. Experimentally, after having implemented a beam pointing alignment compensation method enabling us to adjust the position and dispersion independently, we demonstrate that the presence of non-negligible skew quadrupolar components induces a transversal spread and tilt of the beam, leading to an emittance growth and brightness reduction. We are able to reproduce the measurements with beam transport simulations using the measured electron beam parameters

Control of Laser Plasma Accelerated Electrons: A Route for Compact Free Electron Lasers

International audienceThe recent spectacular development of laser plasma ac- celerators that now can deliver GeV electron beams in an extremelyshortdistancemakesthemverypromising. Ap- plications for light sources based on undulator radiation and free electron laser appear as an intermediate step to move from an acceleration concept to an accelerator qual- ification. However, the presently achieved divergence and energy spread require some electron beam manipulations. The COXINEL test line was designed for enabling Free Elec- tron Laser operation with baseline reference parameters. It comprises variable permanent magnet quadrupoles for di- vergence handling, a magnetic chicane for electron energy sorting, a second set of quadrupole for chromatic focusing and an undulator for synchrotron radiation emission and/or free electron laser gain medium. The transport along the line is controlled [1]. The synchrotron radiation emitted by the undulator radiation is studied under different conditions of detection (CCD camera, spectrometer), electron beam manipulation and undulator parameters. These observations pave the way towards Laser Plasma Acceleration based Free Electron Laser

Progress Towards Laser Plasma Electron Based Free Electron Laser on COXINEL

International audienceLaser plasma acceleration (LPA) with up to several GeV beam in very short distance appears very promising. The Free Electron Laser (FEL), though very challenging, can be viewed as a qualifying application of these new emerging LPAs. The energy spread and divergence, larger than from conventional accelerators used for FEL, have to be manipulated to fulfil the FEL requirements. On the test experiment COXINEL (ERC340015), the beam is controlled in a manipulation [1,2] line, using permanent magnet quadrupoles of variable strength [3] for emittance handing and a decompression chicane equipped with a slit for the energy selection, enabling FEL amplification for baseline reference parameters [2]. The electron position and dispersion are independently adjusted [4]. The measured spontaneous emission radiated by a 2 m long 18 mm period cryo-ready undulator exhibits the typical undulator spatio-spectral pattern, in agreement with the modelling of the electron beam travelling along the line and of the afferent photon generation. The wavelength is easily tuned with undulator gap variation. A wavelength stability of 2.6% is achieved. The undulator linewidth can be controlled