08. Juni 2021

Neue Instrumentierung ermöglicht direkte Detektion von SSMB-Signalen

An der Metrology Light Source (MLS) der PTB können Signale des „Steady-State Microbunching“ (SSMB) jetzt auch bei der Anregungswellenlänge detektiert werden

SSMB-Signal über mehrere Umläufe des Elektronenpaketes durch den MLS-Speicherring (ausführliche Info siehe Pressemitteilung). © PTB

Der Effekt des SSMB wurde weltweit erstmals an der Metrology Light Source (MLS) der PTB in Berlin-Adlershof im Rahmen eines „Proof of Principle“-Experiments in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Tsinghua-Universität Peking nachgewiesen ^[1]. Es wurde gezeigt, dass Mikrobunch-Strukturen, die durch Wechselwirkung der Elektronenbunche mit einem Laser erzeugt werden, über mindestens einen Umlauf im Elektronenspeicherring erhalten bleiben. Der Nachweis der Mikrobunch-Strukturen erfolgte durch die Messung der von ihnen erzeugten kohärenten Strahlung zunächst auf der Wellenlänge der zweiten Harmonischen, um das Signal von dem starken Anregungspuls des Lasers zu trennen.

Im Rahmen einer Masterarbeit ^[2] wurde eine Instrumentierung entwickelt, um Signale des Steady-State Microbunching (SSMB) jetzt auch auf der ersten Harmonischen detektieren zu können. Hier ist die kohärente Strahlung bis zu zwei Größenordnungen stärker, als auf der zweiten Harmonischen und erlaubt damit den Nachweis auch schwacher Mikrobunch-Strukturen. Dies schafft die Voraussetzung, die Entwicklung über viele Umläufe im Speicherring zu verfolgen und den Effekt fundamental zu untersuchen.

Ein Nachweis auf der ersten Harmonischen war bislang noch nicht möglich, da der zur Modulation der Mikrobunche benutzte starke Laserpuls dieselbe Wellenlänge hat und auch räumlich überlagert ist. Das empfindliche Detektionssystem wäre durch den Laserpuls so stark gesättigt oder sogar zerstört worden, dass eine Detektion der kohärenten Strahlung der Mikrobunch-Strukturen nach einem Umlauf im Speicherring, also nach nur 160 ns, unmöglich war.

Im Rahmen der Masterarbeit wurde, basierend auf einer Kaskade von drei schnell-schaltenden Pockelszellen, jetzt die Möglichkeit geschaffen, den starken Laserpuls zu blockieren und den optischen Weg zum Detektionssystem danach ausreichend schnell freizugeben. Diese Trennung von Laserpuls und der 160 ns später eintreffenden kohärenten Strahlung erlaubt jetzt die direkte Detektion bei der Anregungswellenlänge von 1064 nm.

Abbildung: SSMB-Signal über mehrere Umläufe des Elektronenpaketes durch den MLS-Speicherring, detektiert auf der ersten Undulatorharmonischen bei einer Wellenlänge von 1064 nm. Die blaue Kurve zeigt den Verlauf der Schaltspannung an den Pockelszellen: Zum Zeitpunkt des eintreffenden Laserpulses bei 0 ms ist der optische Weg blockiert. Kurz vor dem Eintreffen des kohärenten Signals der ersten Undulatorharmonischen bei 0,160 µs wird der optische Pfad durch Schalten der Pockelszellen freigegeben. Die einliegende Grafik zeigt am Beispiel des Signals nach dem zweiten Umlauf die 2 ns getrennten Elektronenbunche mit den kohärent überhöhten Signalen der mit dem Laserpuls wechselwirkenden Bunche.

Publikationen:

^[1]
Deng, X., Chao, A., Feikes, J. et al.: Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching.
Nature 590, 576–579 (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-03203-0

^[2]
A. Kruschinski: A Fundamental Mode Detection Scheme for the Steady-State Microbunching Proof-of-Principle Experiment at the Metrology Light Source
Masterarbeit, Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin, Mai 2021