Design and optimization of the Grating Monochromator for Soft X-Ray Self-Seeding FELs

The emergence of Free Electron Lasers (FEL) as a fourth generation of light sources is a breakthrough. FELs operating in the X-ray range (XFEL) allow one to carry out completely new experiments that probably most of the natural sciences would benefit. Self-amplified spontaneous emission (SASE) is the baseline FEL operation mode: the radiation pulse starts as a spontaneous emission from the electron bunch and is being amplified during an FEL process until it reaches saturation. The SASE FEL radiation usually has poor properties in terms of a spectral bandwidth or, on the other side, longitudinal coherence. Self-seeding is a promising approach to narrow the SASE bandwidth of XFELs significantly in order to produce nearly transformlimited pulses. It is achieved by the radiation pulse monochromatization in the middle of an FEL amplification process. Following the successful demonstration of the self-seeding setup in the hard X-ray range at the LCLS, there is a need for a self-seeding extension into the soft X-ray range. Here a numerical method to simulate the soft X-ray self seeding (SXRSS) monochromator performance is presented. It allows one to perform start-to-end self-seeded FEL simulations along with (in our case) GENESIS simulation code. Based on this method, the performance of the LCLS self-seeded operation was simulated showing a good agreement with an experiment. Also the SXRSS monochromator design developed in SLAC was adapted for the SASE3 type undulator beamline at the European XFEL. The optical system was studied using Gaussian beam optics, wave optics propagation method and ray tracing to evaluate the performance of the monochromator itself. Wave optics analysis takes into account the actual beam wavefront of the radiation from the coherent FEL source, third order aberrations and height errors from each optical element. The monochromator design is based on a toroidal VLS grating working at a fixed incidence angle mounting without both entrance and exit slits. It is optimized for the spectral range of 300 − 1200 eV providing resolving power above 7000. The proposed monochromator is composed of three mirrors and the grating. Start-to-end simulation as a case study of the selfseeded European XFEL performance with a proposed SXRSS monochromator is presented. It shows that the laser pulse power reaches a TW-level with its spectral density about eighty times higher than that of the conventional SASE pulse at saturation. Freie Elektronen Laser (FEL) sind bahnbrechende Lichtquellen der vierten Generation. FELs fur den Rontgenspektralbereich (XFEL) ermoglichen vollig neuartige Experimente, von denen die meisten Naturwissenschaften profitieren konnen. Selbstverstarkte spontane Emission (Self-amplified spontaneous emission, SASE) ist der Standart Arbeitsmodus eines FELs. Der Strahlungspuls ensteht durch spontane Emission aus dem Elektronenbundel und wird verstarkt bis Sattigung eintritt. Die SASE FEL Strahlung hat ublichweise mangelhafte Eigenschaften bezuglich ihrer spektralen Bandbreit oder longitudinalen Koharenz. Self-seeding ist ein vielversprechender Ansatz die SASE Bandbreite von XFELs signifikant zur schmalern und tranformationslimitierte Pulse zu erzeugen. Self-seeding wird durch die Monochromatisierung des Strahlungspulses wahrend der FEL Verstarkung erreicht. Nach der erfolgreich demonstrierten self-seeding Konfiguration im harten Rontgenspektrum an der Linear Coherent Light Source (LCLS), soll nun auch das self-seeding fur den weichen Rontgenspektralbereich erweitert werden. Hier werden numerische Methoden vorgestellt, um die Monochromatorleistung fur das soft X-ray self-seeding (SXRSS) zu simulieren. Sie erlauben eine Anfang bis Ende self-seeding FEL Simulation. Basierend auf dieser Methode wurde die Leistung des LCLC self-seeding Betriebs in Einklang mit den Experiment simuliert. Weiterhin wurde das bei SLAC entwickelte SXRSS Monochromatordesign fur die SASE3 Undulator Station des European XFEL. Das optische System wurde mit Hilfe von Gausstrahlen Optik, wellenoptischer Propagation und Ray Tracing behandelt um die Leistung des Monochromator zu beschreiben. Wellenoptische Analysen berucksichtigen die Wellenfront koharenter FEL Quellen, berrationen dritter Ordnung und Hohenfehler jedes optischen Elements. Das Monchromatordesign basiert auf einen toroidialen Gitter mit variablem Linienabstand bei einem festen Eintrittswinkel ohne Eintrittsspalt. Im optimierte Spektralbereich zwischen $300-1200$~eV erreicht man Auflosungen von uber $ 7000 $. Der vorgeschlagene Monochromator besteht aus drei Spiegeln und dem Gitter. Weiterhin wird die Anfang zu Ende Simulation als Fallstudie der self-seeded European XFEL Leistungsfahigkeit vorgestellt. Sie zeigt Laserpuls Leistungen im TW-Bereich und einer im Vergleich zu konventionellen SASE Pulsen 80-fach hoheren spektralen Leistungsdichte.