De Stanford Vrije Elektronen Laser Faciliteit Guido M.H. Knippels Stanford Picosecond FEL Center, W.W. Hansen Experimental Physics Laboratory, Stanford University, Stanford, CA 94305-4085, USA Inleiding Het Stanford Picosecond FEL (Vrije Elektronen Laser) Center werd in 1990 met financiële steun van de Office of Naval Research opgericht. Jaarlijks produceert de faciliteit ongeveer 2000 uren bundeltijd, verdeeld over drie perioden van vier tot vijf weken. In deze weken draait de FEL 24 uur per dag, zeven dagen in de week. Dit werkschema wijkt af van de schema s in de meeste andere vrije elektronen laser faciliteiten en wordt bepaald door de lange koeltijd (ongeveer een week) van de supergeleidende versneller waarop de werking van de Stanford FEL gebaseerd is. Behalve gevolgen voor het werkschema heeft het gebruik van een supergeleidende versneller bij het genereren van laserstraling ook een aantal belangrijke consequenties voor de karakteristieke parameters van de FEL. Als eerste ga ik daarbij op de parameters van de Stanford mid-infrarood laser (STI) in. Zoals zal blijken, heeft de supergeleidende versneller die momenteel in Stanford gebruikt wordt enkele nadelen. Daarom geef ik tevens aan welke verbeteringen de geplande vervanging van de huidige versneller zal opleveren. Vervolgens wordt een overzicht van de parameters van de Stanford ver-infrarood laser (FIREFLY) gegeven. Ik sluit af met een bespreking van enkele twee-kleuren experimenten binnen de Stanford Picosecond FEL faciliteit. (Voor meer algemene informatie over de werking van vrije elektronen lasers verwijs ik naar de eerste pagina s van de bijdrage van Van der Meer en Oepts in dit nummer.) Supergeleidende versneller technologie en de Stanford mid-infrarood laser Eén van de consequenties van het gebruik van supergeleidende versneller technologie is dat de reeks van picosecondenlange elektronenpulsen (micropulsen genoemd) veel langer dan een paar microseconden, zoals dat bij de gewone, radiofrequente versneller het geval is, aangehouden kan worden. In Stanford komt men tot enkele milliseconden en een continue reeks van elektronenpulsen zou geleverd kunnen worden indien meer koelcapiciteit voorhanden zou zijn. Dat de reeks van micropulsen (ook wel de macropuls genoemd) langer aangehouden kan worden, is een gunstige ontwikkeling: hierdoor wordt het namelijk mogelijk om allerlei stabilisaties aan te brengen. Zo heeft men de centrale golflengte in de Stanford mid-infrarood laser actief kunnen stabiliseren, waardoor variaties in de centrale golflengte beperkt zijn tot minder dan 1 op de 10 4 rms. Iets dergelijks bleek tevens mogelijk met de amplitudevariaties, die door een acousto-optische noise-eater teruggebracht zijn tot 2% rms. Tot 1
slot heeft een hoge duty factor natuurlijk ook als voordeel dat data sneller genomen kunnen worden. Tabel 1. Versneller- en laserparameters bij 5 micron golflengte huidig gepland (eind 1997) Elektronenbundel Bundel energie [MeV] 36.4 36.4 Lading per micropuls [pc] 12.7 63.5 Micropuls repetitiefrequentie [MHz] 11.8 11.8 Macropuls power [kw] 5.4 27 Macropuls duur [ms] 3 cw Laserbundel STI Macropuls vermogen [W] 12 63 Tijd tussen micropulsen [ns] 84.6 84.6 Micropuls energie [µj] 1 5 Micropuls duur [ps] 0.7-3 0.7-10 Macropuls duur [ms] 3 cw Macropuls repetitiefrequentie [Hz] 20 cw Macropuls duty factor [%] 6 100 De golflengte van de Stanford mid-infrarood laser kan gevarieerd worden van 3.5 tot 10 micron. In Tabel 1 zijn de belangrijkste parameters voor de laser bij 5 micron golflengte weergegeven. Zoals in de tabel te zien is, is er sprake van een comfortabele 85 ns (oftwel 11.8 MHz) tussen de opeenvolgende micropulsen. Deze tijdsduur is lang genoeg voor verschillende typen relaxatie-experimenten en met behulp van germanium acousto-optische modulatoren kan de repetitiefrequentie nog verder teruggebracht worden, tot 50 khz of lager. Dit kan noodzakelijk zijn wanneer een hoge herhalingsfrequentie tot ongewenste ophitting van het te bestuderen preparaat leidt, zoals bij waterhoudende preparaten nogal eens het geval is. Eén van de nadelen die aan het gebruik van een supergeleidende versneller kleven is het feit dat slechts een beperkte hoeveelheid elektronen per micropuls versneld kan worden. Een beperkte hoeveelheid elektronen per micropuls betekent een lage versterking per rondgang voor het optische veld in de laserresonator. Om de versterking per rondgang te optimaliseren, is het belangrijk de resonatorverliezen zoveel mogelijk te beperken. Daarom wordt gebruik gemaakt van spiegels met de hoogst mogelijke reflectiviteit, oftewel: van spiegels met een di-elektrische coating (h.r.=99.5%, o.c.=97.5%). De uitkoppelspiegel is gemaakt van een ZnSe substraat, aangezien dit transparant is voor HeNe-licht en infrarood straling. Echter, om bovengenoemde reflectiviteit te bereiken bij elk van de golflengtes in het gebied van 3.5 tot 10 micron zijn vier verschillende spiegelsets nodig. Bij golflengteveranderingen die beperkt blijven tot verstemming over het bereik van één spiegelset (bijvoorbeeld van 5.5 tot 7 micron) kan binnen een half uur verstemd 2
worden. Verstemming vindt plaats door de energie van de elektronenbundel te veranderen. Een grotere golflengteverandering vereist een spiegelwisseling, wat meestal een paar uur in beslag neemt. Spiegels met een di-elektrische coating hebben ten opzichte van metalen spiegels met een klein uitkoppelgat in het midden (zoals bijvoorbeeld bij FELIX gebruikt worden) wel weer het voordeel dat een nette Gaussische mode wordt uitgekoppeld. De optische bundel laat zich dan ook gemakkelijk transporteren door het vele tientallen meters lange, vacuümgepompte transportsysteem. Een bijkomend nadeel van de beperkte versterking van het optisch veld per rondgang in de laserresonator is bovendien dat de resonatorlengte over een niet al te groot bereik verstemd kan worden. Dit betekent dat de optische micropulslengte slechts over een factor 4 (vergelijk FELIX met een factor 15) aangepast kan worden. Zoals bij de meeste FELs het geval is, is de laserpuls bij het verstemmen bandbreedte begrensd, zodat ook het spectrum slechts over diezelfde factor 4 verstemd kan worden. Om een aantal van de bovengenoemde nadelen op te vangen, is men bij de Stanford Picosecond FEL faciliteit van plan de huidige, nu twintig jaar oude versneller te vervangen door een moderne, negen cavities lange TESLA versneller. De maximale gradiënt van deze versneller bij een duty factor van 100% is 10 MV/m. De belangrijkste verbetering is evenwel dat de lading per micropuls vijf keer groter zal zijn dan momenteel het geval is. Hierdoor zal de versterking per rondgang in de laser aanzienlijk toenemen. Al met al worden voor de FEL een hogere duty factor, een hogere pulsenergie en een groter bereik van de optische pulslengte verwacht. De geschatte verbeteringen voor de laserparameters zijn weergegeven in de laatste kolom van Tabel 1. De bedoeling is dat de Stanford FEL in oktober 1997 met behulp van de nieuwe versneller gaat draaien. De bundellijn zoals die er na de modernisatie uit zal gaan zien, is geschetst in Figuur 1, waarin naast de mid-infrarood laser (Mid-IR of STI) ook de ver-infrarood laser (Far-IR of FIREFLY) is opgenomen. 18 MeV 22 MeV or 18 MeV 22 MeV Mid-IR 2.5 < λ(µm) < 20 20 MeV Linac Section Back Achromatic Chicanes Front 20 MeV Linac Section e-beam Beam Dump 2nd f /2 Cavity Beam Dump 15 < λ(µm) < 100 Far-IR 10 MeV Linac Section 1st f /2 Cavity 200 kev Injector Figuur 1. Bundellijn na de geplande versneller upgrade. 3
De Stanford ver-infrarood laser Ook bij de Stanford Picosecond FEL faciliteit is men ervan overtuigd dat het belangrijkste golflengtegebied voor de verdere ontwikkeling van vrije elektronen lasers het gebied boven 20 micron is. Hun ver-infrarood laser FIREFLY produceert laserstraling sinds eind 1994 en de belangrijkste parameters van deze laser zijn te vinden in Tabel 2. Tabel 2. Laserparameters voor de ver-infrarood laser bij de huidige versneller Ver-IR (FIREFLY) Golflengte bereik [µm] 15-65 Micropuls duur [ps] 2-10 Tijd tussen micropulsen [ns] 84.6 Micropuls energie [µj] 0.5 FIREFLY lijdt meer nog dan de Stanford mid-infarood laser onder de beperkte versterking per rondgang die met de huidige versneller bereikt wordt (de bruto versterking bedraagt ongeveer 4.5%), omdat er geen spiegels met een hoge reflectiviteit voor ver-infrarood straling zijn. De resonator Q is ongeveer 35 en zodoende is er weinig speelruimte voor een goed uitkoppelschema. Men gebruikt nu een zeer klein uitkoppelgat (r=0.79 mm) in één van de met goud gecoate spiegels of een klein uitkoppelspiegeltje (r=2.4 mm) dat in de laserresonator geschoven kan worden. Het moge duidelijk zijn dat de toename in versterking per rondgang met behulp van de nieuwe TESLA versneller een aanzienlijke verbetering voor FIREFLY zal betekenen. Toch is FIREFLY nu al een bruikbare laser: een optische micropuls energie van 500 nj is voor verschillende typen van niet-lineaire experimenten al voldoende. Bovendien komt het gebruik van metalen spiegels in FIREFLY de golflengte verstembaarheid ten goede en is het mogelijk binnen een paar minuten een spectrum van 25 tot 42 micron te nemen. Twee-kleuren experimenten Bij de Stanford Picosecond FEL faciliteit wordt het feit dat de FEL slechts door één gebruiker tegelijk kan worden gebruikt als een groot probleem ervaren. Men geeft hoge prioriteit aan methoden die het mogelijk maken om de FEL effectiever te benutten. Eén van die methoden is om de optische macropulsen om en om door STI en FIREFLY te laten produceren. Het feit dat beide lasers hun eigen optische transportsysteem hebben komt hierbij goed van pas. Het enige dat de gebruiker merkt is dat de FEL op een lagere macropuls repetitiefrequentie draait. Deze manier van werken met de FEL is erg efficiënt: twee gebruikers kunnen onafhankelijk van elkaar aan hun experiment werken en wanneer één van beiden data wil nemen, krijgt hij of zij 4
tijdelijk een hogere repetitiefrequentie toebedeeld. Nog handiger zou het zijn als dezelfde elektronen micropuls eerst door FIREFLY en vervolgens door STI gebruikt zou kunnen worden om laserstraling te produceren. Nu is dit nog niet mogelijk, omdat de elektronenbundel tijdens het genereren van laserstraling in FIREFLY een te grote energiespreiding krijgt, waardoor de versterking per rondgang in STI onvoldoende is om verzadiging te bereiken. Met de nieuwe versneller hoopt men wel verzadiging in STI te bereiken. Een meer geavanceerd twee-kleuren experiment is om met behulp van een extra versneller sectie (zie de f/2-cavities in Figuur 1) een elektronenbundel te produceren die uit micropulsen met twee verschillende, elkaar afwisselende energieën bestaat. Dit betekent dat de optische micropulsen om en om een andere golflengte zouden hebben. Op deze manier kan één gebruiker met twee verschillende kleuren aan de slag. Het scheiden van deze twee kleuren voor twee verschillende gebruikers is echter een stuk moeilijker. Een conventionele laser met de FEL synchroniseren is natuurlijk ook een geschikte manier om een tweede kleur te verkrijgen. Daartoe heeft de Stanford Picosecond FEL faciliteit de beschikking over een titaan-saffier laser (Tsunami, Spectra-Physics) met een bijbehorende regeneratieve versterker (Positive Light). De titaan-saffier laser produceert 15 nj pulsen met een repetitiefrequentie van 82 MHz, verstembaar van 750 tot 930 nm. De pulslengte is 70 fs of 2 ps, afhankelijk van de gebruikte optica. De hogere repetitiefrequentie van de titaan-saffier laser betekent dat slechts 1 op de 7 pulsen overlap heeft met een FEL-puls. De versterker werkt op een 1 KHz repetitiefrequentie en produceert 100 fs of 2 ps lange pulsen (afhankelijk van de gebruikte tralies), met een energie van 1 mj per puls. Het titaan-saffier lasersysteem is gesynchroniseerd met de FEL en wordt gebruikt voor studie van foton-geïnduceerde reflectiviteit van verschillende halfgeleider materialen, som-frequentie generatie aan oppervlakken en twee-kleuren pomp-probe experimenten. Figuur 2. Intensiteit van het som-frequentie signaal als functie van de tijd in de macropuls en de optische weglengte. Figuur 2 laat de synchronisatie zien die behaald werd tussen de titaan-saffier laser oscillator en STI, gemeten met een LiIO 3 kristal dat som-frequentie genereert bij 5 µm (STI) en 800 nm (titaan-saffier laser). Bij deze meting produceerde de FEL micropulsen van ongeveer 1 ps lang en werkte de titaan-saffier laser in de 70 fs mode. De figuur is een contour plot van de intensiteit van het som-frequentie signaal als 5
functie van de tijd in de FEL macropuls en als functie van een optische weglengte die gevarieerd werd met een externe delay-line. Uit Figuur 2 valt te concluderen dat de twee lasers redelijk goed gesynchroniseerd zijn, maar dat nog een jitter van enkele picoseconden aanwezig is. Daarom wordt nu gewerkt aan een feedback loop, gebaseerd op een optische crosscorrelatie, om de synchronisatie gedurende een macropuls verder te verbeteren. 6