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  Quasi-phase matching for high-average power high harmonic generation

Höppner, H. (2013). Quasi-phase matching for high-average power high harmonic generation. Master Thesis, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg & Hochschule Emden/Leer, Oldenburg, Emden/Leer.

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Item Permalink: http://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0029-4A28-4 Version Permalink: http://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0029-4FF5-0
Genre: Thesis

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:
Masterthesis-Hauke Höppner.pdf (Publisher version), 14MB
Name:
Masterthesis-Hauke Höppner.pdf
Description:
-
Visibility:
Public
MIME-Type / Checksum:
application/pdf / [MD5]
Technical Metadata:
Copyright Date:
2013
Copyright Info:
© H. O. Höppner
License:
-

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Creators

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 Creators:
Höppner, Hauke1, Author              
Affiliations:
1Extreme Timescales, Research Groups, Max Planck Research Department for Structural Dynamics, Department of Physics, University of Hamburg, External Organizations, ou_2173639              

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Free keywords: -
 Abstract: The currently running free-electron lasers (FELs) are primarily base on selfamplified spontaneous emission (SASE). Due to its stochastic process the X-ray pulse parameters change from shot to shot. There is a great scientific interest in improving the X-ray pulse parameters, such as the pulse shape and pulse spectrum, delivered by this ultra-intense and ultrashort source. One promising approach is to seed the FEL with high harmonics generated by an external XUV-source. At the „Freie-Elektronen Laser Hamburg II“ (FLASH II) at the „Deutsche-Elektronensynchrotron“ in Hamburg, it is planned to implement an external laser based XUV-seeding source. In order to generate the required seed energy of ~1 nJ in a variable spectral range from 10 nm to 40 nm (XUV - extreme ultraviolet) at 100 kHz repetition rate, a new modular multi-nozzle XUV-source has been developed. The multi-nozzles create successive gas-jets in an open space geometry, enabling the nozzle to be used at high average power without a damage threshold. The multi-jet source enables high harmonic generation (HHG) in an inert gas by successive coherent superposition. In order to obtain coherent superposition, the phase between the fundamental laser frequency and the harmonics has to be adjusted between each single jet. The concept of quasi-phase-matching (QPM) is based on HHG-jets alternating with hydrogen jets, where the hydrogen acts as phase-matching medium to correct the phase acquired in the HHG-jet. Hydrogen is completely ionized at the used driver intensities ≥ 3 · 1014 W/cm² and therefore cannot contribute to the HHG-process. Atomic and plasma dispersion allow the control of the phase relationship between the fundamental and high harmonics by pressure tuning, in order to achieve coherent superposition of the generated harmonics in the multi-jet target. Proof of principle experiments exhibited significant enhancement for low average power driver lasers. In this thesis the macroscopic aspects for QPM are analyzed in a 1-d simulation. The results of the simulation provided the conditions for experimental tests of the dual-gas target at high repetition rates. The experimental part of this work has been accomplished at the „Institut für angewandte Physik” in Jena at a high power fiber amplifiers system with laser parameter: 400 μJ pulse energy, 580 fs pulse duration (FWHM), and 75 kHz repetition rate. For selected harmonics a maximal enhancement of the harmonic yield by a factor of 2 - 3 was achieved.
 Abstract: Das wissenschaftliche Interesse an der Verbesserung der Pulsparameter von Freie-Elektronen Lasern (FEL) in Bezug auf Pulsform und Spektrum ist groß. Ein vielversprechender Ansatz ist das direkte "Seeden" des FEL‘s mit höheren Harmonischen durch eine externe XUV-Quelle. Für den Freie-Elektronen Laser Hamburg II (FLASH II) beim Deutsche-Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg ist eine derartige XUV-Quelle in der Planung vorgesehen. Um möglich effizient hohe Harmonische mit variablem Wellenlängenbereich von 10 nm bis 40 nm mit Wiederholrate von 100 kHz zu erzeugen, wurde eine neue HHG-Quelle auf Basis eines modularen multi-Düsen Systems entwickelt. Die Düsen erzeugen sukzessive Gasstrahlen im offenen Raum im Vakuum. Die offene Geometrie ist notwendig, um die durch die hohen Wiederholraten entstehende hohe Durchschnittsleistung ohne Zerstörschwelle nutzen zu können. Die multi-Strahl-Quelle erlaubt die sukzessive Erzeugung von hohen Harmonischen in Edelgas, welche kohärent überlagert werden. Um die konstruktive Überlagerung zu gewährleisten, muss die Phasenbeziehung zwischen Fundamentaler und Harmonischen nach jedem Einzelstrahl angepasst werden (Quasi-Phasen-Anpassung). Dieses Verfahren der Quasi-Phasen-Anpassung wird mit einem dual Gas System realisiert. Zwischen die einzelnen HHG-Gasstrahlen wird jeweils ein Wasserstoff-Gasstrahl eingefügt. Im Wasserstoff lassen sich ab Intensitäten von > 3·1014 W/cm² wegen vollständiger Ionisation keine höheren Harmonischen mehr erzeugen. Durch die Plasma Dispersion lässt sich die Phasenbeziehung zwischen Fundamentaler und Harmonischen wiederherstellen und somit destruktive Interferenz vermeiden. Mit dieser multi-Strahl-Quelle lässt sich die harmonische Ausbeute nachweislich verbessern. Im Rahmen der Masterthesis wurde neben einer eindimensionalen Simulation, die multi-Strahl-Quelle erstmalig bei hohen Wiederholraten getestet. Der experimentelle Teil der Arbeit wurde am Institut für angewandte Physik (IAP) in Jena an einem Hochleistungs-Faserverstärker bei 400 μJ Pulsenergie, 580 fs Pulsdauer (FWHM) bei einer Pulswiederholrate von 75 kHz getestet. Es konnte für vereinzelte Harmonische eine maximale Verbesserung der Photonenausbeute um den Faktor 2-3 erzielt werden.

Details

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Language(s): eng - English
 Dates: 20132013-02
 Publication Status: Published in print
 Pages: 69
 Publishing info: Oldenburg, Emden/Leer : Carl von Ossietzky Universität Oldenburg & Hochschule Emden/Leer
 Table of Contents: -
 Rev. Method: -
 Identifiers: -
 Degree: Master

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