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
