Pilot Study of Synchronization on a Femtosecond Scale between the Electron Gun REGAE and a Laser-Plasma Accelerator

Laser wakefield acceleration (LWFA) is a novel technique to accelerate charged particles. Acceleration is achieved by a high-power laser pulse transmitting a gas target where electrons and ions form a strong wakefield with gradients up to 100 GV/m. Hence, the size of the laser-plasma accelerator (LPA) is significantly smaller compared to conventional radio frequency (RF) accelerators, because its accelerating gradients are 3 orders of magnitude higher. At present, electron beams generated by LWFA do not satisfy all requirements to make them directly usable for applications such as LPA driven free-electron laser (FEL). Pointing stability and relatively high energy spread are the major limiting factors. Typically, plasma electrons are self-injected in the plasma wake which is created by a high-power laser. There is a lack of control for the injection process and there is no direct access for diagnostics. In order to overcome these challenges and better understand the overall LWFA process, external injection experiments are planned at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in the framework of the Laboratory for Laser and beam-driven plasma Acceleration (LAOLA) collaboration. Thus, well characterized and ultrashort (< 10 fs) electron bunches from the conventional RF accelerator Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration (REGAE) will be injected into the laser driven plasma wake. This approach allows to reconstruct and map the plasma wakefield by post diagnosing the injected electron bunches by measuring the energy spectra of it for different injection times. To conduct such a pump-probe type of experiment, synchronization with femtosecond accuracy is required between the electron bunches from REGAE and the high-power driver laser. Two main aspects of the laser synchronization are presented in this thesis. First, a detailed experimental investigation of the conventional, fast photodiode based direct conversion laser-to-RF synchronization setup and its limitations are given. Second, an advanced Mach-Zehnder modulator (MZM) based laser-to-RF synchronization setup has been successfully developed and tested. The conceptual design, a mathematical analysis, tolerance studies and experimental evaluation is presented. Electron beam-based measurements have been performed at REGAE where MZM based laser synchronization achieved a factor of 10 performance improvement in terms of amplitude-to-phase modulation (AM-PM) conversion compared to the previously used conventional photodiode based laser synchronization setup. This setup has been employed to phase lock the REGAE photo-injector laser with excellent long term timing drift performance of 31 fs peak-to-peak over 43 h and a short term timing jitter of 11 fs rms. Laser-Plasma-Beschleunigung ist eine neuartige Technik zur Beschleunigung geladener Teilchen. Mittels eines hochenergetischen Laserpulses wird in einer Gaszelle eine Plasmawelle mit Feldgradienten von bis zu 100 GV m−1 erzeugt. Somit sind Laser-Plasma-Beschleuniger (LPB) wesentlich kompakter als konventionelle auf Hochfrequenz (HF) basierende Beschleuniger, da die beschleunigenden Feldstarken um drei Grosenordnungen hoher sind. Gegenwartig erfullen die Elektronenstrahlen von LPBs nicht alle Anforderungen um sie direkt in Anwendungen wie zum Beispiel der Verwendung in einem Freie-Elektronen-Laser einzusetzen. Dabei sind die unzureichende raumliche Stabilitat sowie die breite Energieverteilung die hauptsachlichen Limitierungsfaktoren. Ublicherweise werden Elektronen durch Selbstinjektion in die mittels Hochenergielaser erzeugte Plasmawelle eingefangen. Dieser Injektionsprozess lasst sich auserlich nicht steuern und es gibt keine direkten Diagnosemoglichkeiten. Um diese Limitierungen zu uberwinden und um den Prozess der Laser-Plasma-Beschleunigung besser zu verstehen sind beim Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) im Rahmen einer Kollaboration namens „Laboratory for Laser and beam-driven Plasma Acceleration“(LAOLA) Experimente zur externen Injektion geplant. Hierbei sollen ultrakurze (< 10 fs) und gut charakterisierte Elektronenpakete eines HF basierten Beschleunigers namens „Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration“(REGAE) in die lasergetriebene Plasmawelle injiziert werden. Dieser Ansatz ermoglicht die Rekonstruktion und die gezielte Untersuchung der Plasmawelle, indem die Elektronenpakete zu unterschiedlichen Zeitpunkten injiziert und spater ihre Energieverteilung gemessen wird. Voraussetzung fur solch ein Anreg-Abtast Experiment ist eine femtosekundengenaue Synchronisation zwischen den Elektronenpaketen von REGAE und dem Hochenergielaser. In dieser Dissertation werden zwei Hauptaspekte der Lasersynchronisation dargestellt. Zunachst wird eine detaillierte experimentelle Untersuchung der konventionellen Synchronisation eines Laseroszillators zu einer HF Referenz, die auf direkter Konversion mittels schneller Photodioden beruht, und ihrer Grenzen vorgenommen. Anschliesend wird ein erweitertes Synchronisationsverfahren auf der Basis eines Mach-Zehnder Modulators erfolgreich entwickelt und getestet. Es werden sowohl der Entwurf als auch eine mathematische Untersuchung sowie Toleranzstudien und eine experimentelle Bewertung dieses neuen Verfahrens gezeigt. Bei elektronenstrahlbasierten Messungen bei REGAE wurde eine Reduktion des Koeffizienten der Amplituden- zu Phasenmodulation (AM-PM) um den Faktor 10 im Vergleich zum konventionellen, auf Photodioden basierenden Synchronisationsaufbau erreicht. Unter Verwendung dieses Aufbaus wurde der Oszillator des REGAE Photoinjektorlasers mit einer Langzeitstabilitat von 31 fs Spitze-Spitze uber einen Zeitraum von 43 Stunden und einer Kurzzeitstabilitat von 11 fs im quadratischen Mittel synchronisiert.