[論文レビュー] Analytical studies of constraints on the performance for EEHG FEL seed lasers

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、1 nm波長のエコー強化高調波生成（EEHG）FELを用いた近似変換限界のソフトX線パルスを達成するための厳密なレーザー性能要件を解析的に調査する。時間的・空間的波フロント歪みが高調波倍数因子Nによって拡大されることを示しており、高いFEL効率とコherー二ンスを維持するためには、時間帯域幅積の安定性が100万分の1未塔（sub-ppm）であり、レーザーのストレール比が0.99999以上である必要がある。

ABSTRACT

Laser seeding technique have been envisioned to produce nearly transform-limited pulses at soft X-ray FELs. Echo-Enabled Harmonic Generation (EEHG) is a promising, recent technique for harmonic generation with an excellent up-conversion to very high harmonics, from the standpoint of electron beam physics. This paper explores the constraints on seed laser performance for reaching wavelengths of 1 nm. We show that the main challenge in implementing the EEHG scheme at extreme harmonic factors is the requirement for accurate control of temporal and spatial quality of the seed laser pulse. For example, if the phase of the laser pulse is chirped before conversion to an UV seed pulse, the chirp in the electron beam microbunch turns out to be roughly multiplied by the harmonic factor. In the case of a Ti:Sa seed laser, such factor is about 800. For such large harmonic numbers, generation of nearly transform-limited soft X-ray pulses results in challenging constraints on the Ti:Sa laser. In fact, the relative discrepancy of the time-bandwidth product of the seed-laser pulse from the ideal transform-limited performance should be no more than one in a million. The generated electron beam microbunching is also very sensitive to distortions of the seed laser wavefront, which are also multiplied by the harmonic factor. In order to have minimal reduction of the FEL input coupling factor, it is desirable that the size-angular bandwidth product of the UV seed laser beam be very close to the ideal i.e. diffraction-limited performance in the waist plane at the middle of the modulator undulator.

研究の動機と目的

• EEHG FELにおける変換限界のソフトX線パルスを達成するためのシードレーザーの性能制約を特定・定量すること。
• EEHGにおける高調波倍数因子Nによって、シードレーザー内の時間的チルプおよび波フロント歪みがどのように拡大されるかを分析すること。
• FEL出力パワーとコherー二ンスを維持するための、レーザーの時間的および空間的品質に関する定量的閾値を確立すること。
• シードレーザーの波フロント誤差と電子ビームにおけるマイクロバンチング波フロント歪みとの間の解析的関係を導出すること。
• Ti:Saベースのシードレーザーを用いた1 nm放射をターゲットとする高信頼性EEHG FELシステムの設計指針を提供すること。

提案手法

• EEHGにおける周波数倍数の解析的モデリングを用い、シードレーザー特性とマイクロバンチング品質との関係を導出する。
• ストレール比およびガウスビーム伝搬の原則を用いて、波フロント品質を評価する標準的なレーザー光学の原則を適用する。
• スケーリング則を導出：マイクロバンチング波フロント誤差分散は、シードレーザー波フロント誤差分散のN²倍である。
• 時間帯域幅積および位相チルプ解析を用いて、時間的歪みの伝搬を定量的に評価する。
• FEL結合係数および固有関数近似を用いて、波フロント誤差による出力パワー損失をモデル化する。
• 波フロント歪みがFEL出力パワーに与える影響を定量化するための指標として、レーザーのストレール比を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EEHGを用いて1 nm X線パルスを変換限界に達成するためには、シードレーザーにどの程度の時間的安定性が求められるか？
• RQ2 シードレーザーパルス内の位相チルプは、電子ビームにおけるマイクロバンチング構造にどのように影響するか？
• RQ3 シードレーザービームの波フロント歪みは、どの程度FEL出力パワーを低下させるか？
• RQ4 極めて高い高調波因子（N ≈ 800）において、有効なFEL結合を維持するための必要なレーザーのストレール比は何か？
• RQ5 シードレーザーの波フロント誤差は、電子ビームにおけるマイクロバンチング波フロント誤差にどのように変換されるか？

主な発見

• 変換限界に近い1 nm X線パルスを達成するためには、シードレーザーの時間帯域幅積の理想変換限界値からの相対的差異が100万分の1（10⁻⁶）未満に抑えられる必要がある。
• シードレーザー内の位相チルプは高調波因子Nによって拡大されるため、Ti:Saレーザーで1%のチルプがあると、マイクロバンチド電子ビームでは800%のチルプに増幅される。
• マイクロバンチング波フロント歪みがλ/10（1 - S_microbunch ≤ 0.4に対応）である場合、必要なUVシードレーザーのストレール比は0.99999を超える必要がある。
• レーザーのストレール比は、1 - S_laser < 0.4 / N² を満たす必要があり、N ≈ 800の場合、1 - S_laser < 6.25 × 10⁻⁷ である必要がある。
• シードレーザーの波フロント誤差はマイクロバンチング波フロントでN倍に拡大されるため、極めて高いビーム品質が要求される。
• 波フロント歪みによるFEL出力パワー損失は、レーザーのストレール比によって直接定量的に評価可能であり、パワーは|C|²に比例し、S_laser = |C_nonideal|² / |C_ideal|² で与えられる。