Arbeitsgruppe Khan

Strahlungspulse in Synchrotronstrahlungsquellen sind mit typischen Pulsdauern von 30 bis 100 Pikosekunden zu lang, um Prozesse auf atomarer Ebene zeitlich aufzulösen. Durch Wechselwirkung mit Femtosekunden-Laserpulsen kann man eine dünne Zone innerhalb der Pikosekunden-Elektronenpakete so präparieren, dass Synchrotronstrahlung mit der Länge der Laserpulse emittiert wird. Die Laser-Elektronen-Wechselwirkung und die daraus resultierenden Strahlungspulse werden bei DELTA seit 2011 untersucht.

Die Manipulation relativistischer Elektronen mit zwei Femtosekunden-Laserpulsen ermöglicht die Erzeugung ultrakurzer Strahlungspulse bei hohen Harmonischen der Laserwellenlänge. Das EEHG-Verfahren (echo-enabled harmonic generation) wurde 2009 für Freie-Elektronen-Laser vorgeschlagen, aber die Anwendung an Synchrotronstrahlungsquellen wird seit Jahren diskutiert. Mit dem Umbau des Undulators U250 ist DELTA weltweit der einzige Speicherring, an dem EEHG implementiert wurde.

Die Wechselwirkung von Laserpulsen mit einer kurzen Zone innerhalb eines Elektronenpakets erzeugt eine Lücke in der Elektronendichteverteilung, wodurch in einem Dipolmagneten Terahertzstrahlung kohärent emittiert wird. Form und Spektrum der Terahertzpulse kann mit dem Laser gezielt manipuliert werden. Die Lücke verschwindet nach einigen Umläufen der Elektronen im Speicherring, kehrt aber über mehrere hundert Umläufe periodisch wieder, wie bei DELTA nachgewiesen wurde (s. Bild).  

Die bei DELTA untersuchte Laser-Elektronen-Wechselwirkung wird in erster Linie bei Freie-Elektronen-Lasern (FELs) angewandt. Dieses sogenannte "seeding" erlaubt eine bessere Kontrolle der Eigenschaften der FEL-Pulse gegenüber dem sogenannten SASE-Verfahren ohne Laser. Die Arbeitsgruppe ist an Experimenten bei FELs beteiligt, insbesondere bei FLASH in Hamburg im Rahmen des Drittmittelprojekts "FLARE". Arbeiten in diesem Kontext wurden auch bei FERMI in der Nähe von Triest/Italien durchgeführt.

DELTA ermöglicht durch hervorragende Instrumentierung, vielfältige Methoden der Manipulation und Diagnose des Elektronenstrahls zu erproben. Ein Beispiel ist die periodische Modulation der Phase des Hochfrequenzsystems. In den nebenstehenden Aufnahmen zeigen die Bildzeilen das zeitliche Profil eines Elektronenpakets während aufeinanderfolgender Umläufe. Mit zunehmender Modulationsamplitude variiert zunächst die Paketlänge (b), dann entstehen zwei (c) und schließlich drei (d) gegeneinander oszilliernde Teilpakete.

Durch Einzelphotonennachweis mit einem Photomultiplier kann das Synchrotronlicht einzener Elektronen detektiert werden. Der Verlust eines Elektrons zeigt sich als Sprung in der Zählrate im nebenstehenden Bild. So kann man mit wenigen oder auch einem einzigen Elektron im Speicherring experimentieren, die Quantennatur der Synchrotronstrahlung untersuchen und die Bewegung einzelner Elektronen im Speicherring verfolgen, während der Elektronenstrahl normalerweise aus Milliarden von Teilchen besteht.