[論文レビュー] Spectral-phase interferometry for direct electric-field reconstruction applied to seeded extreme-ultraviolet free-electron lasers

Bernard Mahieu, David Gauthier+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2015

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 29被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、シード自由電子レーザー（FEL）からのフェムト秒極端紫外線（XUV）パルスを、HGHG方式を用いて非侵襲的かつ1ショットでスペクトル位相干渉法を用いた電場再構成（SPIDER）技術により特徴付ける手法を示している。シードレーザーを分割し、スペクトル的にシフトさせた2つの時間的に遅延した、スペクトル的にずれた再生成パルスを生成することで、FELパルスの時間的強度およびスペクトル位相を完全に再構成可能であり、FELシミュレーションによる妥当性検証では、FWHM持続時間のずれが5%未満であり、二重ピークパルスなどの複雑な発光構造も正確に回復している。

ABSTRACT

We present a setup for complete characterization of femtosecond pulses generated by seeded free-electron lasers (FEL's) in the extreme-ultraviolet spectral region. Two delayed and spectrally shifted replicas are produced and used for spectral phase interferometry for direct electric field reconstruction (SPIDER). We show that it can be achieved by a simple arrangement of the seed laser. Temporal shape and phase obtained in FEL simulations are well retrieved by the SPIDER reconstruction, allowing to foresee the implementation of this diagnostic on existing and future sources. This will be a significant step towards an experimental investigation and control of FEL spectral phase.

研究の動機と目的

• フェムト秒XUVパルスの時間的およびスペクトル位相を完全かつリアルタイムに特徴付けること。
• 従来のパルス診断法（自己相関、クロス相関など）の限界を克服すること。これらの手法は複数ショットの平均が必要であり、スペクトル位相やパルス非対称性を解明できない。
• FELのスペクトル位相を測定する非侵襲的かつ1ショットの手法を開発すること。これは増幅ダイナミクスの理解とパルス整形の実現に不可欠である。
• XUV実装の前段階として、シミュレーションおよびシード段階の実験を用いて、シードFELにSPIDERを適用する可能性を検証すること。
• 二重ピークやチャープドパルスを含む、複雑なFEL発光状態においても、技術の頑健性を示すこと。

提案手法

• マッハ・ツェンダ干渉計がシードレーザーを2本の光路に分割し、それぞれでBBO結晶を用いて型I ooo配置で二次高調波を生成する。
• BBO結晶のわずかな傾きにより、2つの高調波ビームに制御されたスペクトルシフト（Ω）を導入し、スペクトルシーリングを実現する。
• モーター駆動式遅延ステージにより、2つの再生成パルス間の時間遅延（τ）を調整し、スペクトル的にずれた干渉縞を生成する。
• 2つの再生成パルスがHGHG FELのモジュレータ部で相対論的電子ビームと干渉的に相互作用し、放射器部で2つのスペクトル的にずれた、時間的に遅延したFELパルスを生成する。
• 2つのXUVパルスの干渉パターンが分光器で記録され、SPIDERアルゴリズムが干渉縞を直接逆算して完全な電場を回復する。
• 再生成パラメータの必要性をXUV領域からシードレーザー領域に移管することで、複雑なXUV光学系を回避し、リアルタイム診断を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XUV領域の複雑なビーム取り扱いを回避するために、シードレーザーの操作のみでシードXUV FELにSPIDERを実装できるか？
• RQ2 特に二重ピーク発光のような複雑な状態において、SPIDER技術がFELパルスの時間的強度およびスペクトル位相をどの程度正確に再構成できるか？
• RQ3 シードレーザーのスペクトル位相がFEL出力にどの程度正確に転送されるか、増幅過程でどのような歪みが生じるか？
• RQ4 深沈化や非理想的な電子ビーム条件によって引き起こされる位相歪みを、この技術は解明・定量できるか？
• RQ5 この手法は、オンラインフィードバックやパルス整形に適したリアルタイム・1ショット診断を実現するのに十分な頑健性を有しているか？

主な発見

• FWHM持続時間が55 fsのフォーリエ変換制限パルスのSPIDER再構成は、FELシミュレーションと一致し、シミュレーション値からのずれは5%未満であった。
• 本手法は二重ピークFEL発光構造を正確に再構成でき、2つのサブパルスの持続時間および全体のエンVELOP（約300 fs）の持続時間も正確に回復した。
• スペクトル位相の回復は、シード位相転送モデルと優れた一致を示したが、深沈化領域では縦方向歪みのためわずかなずれが生じた。
• SPIDERアルゴリズムは、1 cm厚のフused silicaが誘導する位相シフト（400 nmで1.5 rad）を正しく回復した。これにより、本手法のスペクトル位相への感受性が確認された。
• 本手法は、チャープドパルスや非ガウス的パルスを含む多様なFEL状態においても頑健であることが示され、広範な適用可能性を示した。
• 本手法により、シードからFELへの有効な位相転送を直接測定可能であり、FEL増幅ダイナミクスの理解およびフィードバックベースのパルス整形への応用に不可欠な知見を提供した。