m. labat, femtoslicing @ soleil journées accélérateurs, roscoff, octobre 2015 1 femtoslicing at...
Post on 01-Jan-2016
223 Views
Preview:
TRANSCRIPT
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 1
Femtoslicing at SOLEIL
M. Labat, M.A. Tordeux, M.E. Couprie, A. Nadji, P. Hollander, P. Prigent, J. Luhning, P. Morin,
J.B. Brubach, P. Roy,C. Laulhe, P. Fertey, A. Ciavardini,
M. Silly, F. Sirotti.
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 2
• Storage rings :– = Synchrotron Radiation source
• In insertion devices (undulators)
• In bending magnets
– Typical pulse duration : few tens of ps
– Large range of experiments:• …
• Time-resolved experiments
Introduction
Need always shorter pulses…Need always shorter pulses…
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 3
• Ultra-short pulse generation methods:– Coherent Harmonic Generation [ J.M. Ortega, NIMA250 (1986) ]
– Crab cavities [A. Zholents, NIM-A, 425, 385 (1999) ]
– Low-alpha mode
– Femtoslicing [ A.A. Zholents, Proc. of the PAC’07, 69-73 (2007) ]
Introduction
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 4
• Ultra-short pulse generation @ SOLEIL:– Low-alpha mode :
>> in operation since 2010: delivery of few ps pulses
– Femtoslicing :
>> under commissioning since 2014: expected delivery of 100 fs pulses
Introduction
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 5
Femto-slicing concept
[1] A.A. Zholents, Proc. of the PAC’07 Conference, Albuquerque, New Mexico, USA, 69-73 (2007).
From R. W. Schoenlein et al., Science 287, 2237(2000).
Schematic of a femto-slicing [1] experiment:
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 6
1 – Change the electron energy only within a tiny slice 2 – Use dispersive element to separate the slice from the core
IR laser
E- beam
Femto-slicing concept
v
No energy exchange
E
v Energy exchange
Inside a wiggler magnetic field bending the e- beam trajectory…
under resonance condition: λlaser = λwiggler
E . v ≠ 0
E . v = 0
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 7
1 – Change the electron energy only within a tiny slice 2 – Use dispersive element to separate the slice from the core
Femto-slicing concept
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 8
1 – Change the electron energy only within a tiny slice 2 – Use dispersive element to separate the slice from the core3 – Use a slit to select the slice and block the core beam
Femto-slicing concept
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 9
I. General layout
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 10
C06C07
C08
C09
C10
C05
C03
C04
C02
C01
Linac(100 MeV)
Booster
Storage ring (2.75 GeV)
I. General layout
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 11
One single laser: CRISTAL beamline laser
(5 mJ @ 1 kHz, 30 fs-fwhm, 800 nm)
ModulatorWiggler
CRISTAL(U20)
TEMPO(HU44 + HU80)
MediumSection Short
Section
MediumSection
Laser Beam
DEIMOS(HU52 + HU65)
MediumSection
ShortSection
GALAXIES(U20)
I. General layout
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 12
Modulator: a wiggler used for femto-slicing and as a source for PUMA beamline
ModulatorWiggler
CRISTAL(U20)
TEMPO(HU44 + HU80)
MediumSection Short
Section
MediumSection
Laser Beam
DEIMOS(HU52 + HU65)
MediumSection
ShortSection
GALAXIES(U20)
I. General layout
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 13
Wiggler Type Hybrid out-vacuum Magnetic period 164.4 mmPeriod number 20Magnetic gap 14.5 mm – 240 mm
Magnetic components Poles: VACOFLUX50 (Saturation field: 2.35 T)
Magnets: VACODYM 764 TP (magnetization: 1.37T)
Max. magnetic field 1.81 T
Modulator: a wiggler used for femto-slicing and as a source for PUMA beamline
I. General layout
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 14
ModulatorWiggler
CRISTAL(U20)
TEMPO(HU44 + HU80)
MediumSection Short
Section
MediumSection
Laser Beam
DEIMOS(HU52 + HU65)
MediumSection
ShortSection
GALAXIES(U20)
dipole
Slice separation using the machine’s horizontal
dispersion function
I. General layout
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 15
cor
ModulatorWiggler
SDC6
SDM8
Laser Beam
SDM7
SDC7
SDM6CRISTAL(U20)
TEMPO(HU44 + HU80)
DEIMOS(HU52 + HU65)
GALAXIES(U20)
Beamline entrance slit shifted
Core
3 mm
Additionnal chicane to reduce the photon emission angle
Slice
Effective Dispersion
Def
f (m
)
S (m)
Slice separation using the machine’s horizontal
dispersion function
I. General layout
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 16
ModulatorWiggler
CRISTAL(U20)
TEMPO(HU44 + HU80)
MediumSection Short
Section
MediumSection
Laser Beam
DEIMOS(HU52 + HU65)
MediumSection
ShortSection
GALAXIES(U20)
• 2 Phase 1 beamlines (CRISTAL, TEMPO)• 1 beamline under study (DEIMOS)• 2 extra possible beamlines ? (GALAXIES, SEXTANTS)
Delivery to several beamlines:
75 fs140 fs
80 fs
210 fs
I. General layout
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 17
II. Laser transport
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 18
• Laser transport:• Over 80 m from hutch to interaction point• 22 mirrors (4 under remote control…)• ~150 m of beampipes• 5 vacuum chambers for mirrors• 6 imaging systems
0 : Wiggler
DIAG_IR
DIAG_101
DIAG_G
X01
DIAG_1
03
ENC104
ENC105
DIAG_G
X20 DIAG_G
X02
ENC103
ENC102
ENC101
LASER
Output
AFO 01ATT 01
MgF2
DIAG_0
0
55 m
LASER ROOM
LENS101
PUM
A BL
AFO 01ATT 01
MgF2
STORAGE RING ROOF
STORAG
E RIN
G T
UNNEL
CRISTAL BL
EXPERIMENTAL HALL
DIAG_001
Wig
gler
II. Laser transport
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 19
• Laser transport:• Focussing with a 9m lens
0 : Wiggler
DIAG_IR
DIAG_101
DIAG_G
X01
DIAG_1
03
ENC104
ENC105
DIAG_G
X20 DIAG_G
X02
ENC103
ENC102
ENC101
LASER
Output
AFO 01ATT 01
MgF2
DIAG_0
0
55 m
LASER ROOM
LENS101
PUM
A BL
AFO 01ATT 01
MgF2
STORAGE RING ROOF
STORAG
E RIN
G T
UNNEL
CRISTAL BL
EXPERIMENTAL HALL
DIAG_001
Wig
gler
II. Laser transport
wiggler
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 20
Goal :• Alignement of the laser on the electron beam
– Temporally (synchronization)
– Spatially– Spectrally (fundamental wiggler wavelength = laser wavelength)
III. InfraRed diagnostics
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 21
0 : Wiggler
DIAG_IR
MIR 001WIN 001FGL 610LEN 100MIR 002
Wig
gler
In Vacuum Cu Mirror Saphhire Window Filters 2.5 m Lens Rmax Mirror
900 m
m
300 mm
STORAG
E RIN
G T
UNNEL
• Laser + Synchrotron Radiation extraction:
III. InfraRed diagnostics
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 22
0 : Wiggler
DIAG_IR
MIR 001WIN 001FGL 610LEN 100MIR 002
Spatial overlap:Optics + CCD for imaging in the wigglerBasler
Spectral overlap:Spectrometer Ocean Optics USB2000
Temporal overlap: Fast photodiodeFPD 310-FV from Menlo
Wig
gler
In Vacuum Cu Mirror Saphhire Window Filters 2.5 m Lens Rmax Mirror
900 m
m
300 mm
STORAG
E RIN
G T
UNNEL
• IR detectors:
III. InfraRed diagnostics
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 23
Wiggler entry
1 pixel on the CCD ≡ 20 µm in the transverse plane of the wiggler
Wiggler middle Wiggler exit
SR
Laser
III. InfraRed diagnostics
• Spatial alignment of the laser on the SR:
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
III. InfraRed diagnostics
• Synchronization of the laser on the e- beam:• Measure arrival time of the SR on the photodiode• Measure arrival time of the laser• Adjust the laser delay to equal the SR’s• Final resolution : +/- 10 ps
24
SR
Laser
1 ns
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
III. InfraRed diagnostics
• Spectral overlap:• No straight forward measurement (presence of filters on the IR diagnostics board)
25
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
Experiment / Simulation
Measured Simulated Measured Simulated
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
III. InfraRed diagnostics
• Spectral overlap:• No straight forward measurement (presence of filters on the IR diagnostics board)• Measure the laser spectrum in the laser hutch • Define the central wavelength • Adjust the wiggler gap to the resonant wavelength
27
Wiggler gap
[mm]Lambda Res [nm]
from magnetic measurements
14.5 941.715 902.07
15.5 864.6116 829.86
16.3 810.0116.4 803.6016.5 797.1716.6 790.916.7 784.6816.8 778.5117 766.5320 618.73
500
450
400
350
300
250
200
Int
ensi
ty [
a.u.
]
1000900800700600
Wavelength [nm]
Laser
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 28
IV. THz diagnostics
• Goal : • Check that there is interaction• Optimize the interaction
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 29
IV. THz diagnostics
• Principle :• Interaction creates a hole
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 30
IV. THz diagnostics
• Principle :• Interaction creates a hole• Sub-mm hole (~ps) gives coherent THz radiation
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
Wig
gler Laser
31
-1 0 1Time (ps)
1
0
-1 0 1Time (ps)
1
0
IV. THz diagnostics
• Principle :• Good interaction = “Big hole” • “Big hole” = Big THz signal
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
Wig
gler Laser
THz pulses extracted @ AILES beamline
32
-1 0 1Time (ps)
1
0
-1 0 1Time (ps)
1
0
IV. THz diagnostics
• Setup :
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 33
V. THz measurements
• Beginning of the commissioning: January 2014• First THz signal: September 2014…
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
~ 60 mV
~ 600 mV
21/09/2015
V. THz measurements
• Bolometer typical signal :
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
~ 60 mV
~ 600 mV
21/09/2015
V. THz measurements
• Diode typical signal :
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
THz intensity vs beam current
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
P_laser = 1.7 W ; DT=33 fs ; Tirage = 4.5 mm ; gap=16.7 mm
THz intensity vs beam current
For I > 8 mA : microbunching instability ->> CSR bursts
I = 8 mA (blue) I = 9 mA (red)
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
P_laser = 1.7 W ; DT=33 fs ; Tirage = 4.5 mm ; gap=16.7 mm
THz signal still « visible » up to 15 mA but << to CSR bursts
I=15 mA
THz intensity vs beam current
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 39
THz intensity vs wiggler gap
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 40
First results : THz intensity vs delay laser / e-
Bolometer signal vs synchro. P laser = 0.230 W. Pulse laser duration = 25 fs-fwhm. Focussing = 12.5 mm.
Wiggler gap = 16.7 mm. I=4 mA.
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
Laser stays in its initial position
Electron beam displaced parallel to the reference orbit using bumps
Optimum at - 100 µm / Sensitivity : +/- 600 µm !
8
6
4
2
0
U b
olom
ter
[V]
-1000 -500 0 500 1000
Horiz. bump [µm]
THz intensity vs e- beam position in SDM6 (H)
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
Optimum at + 300 µm / Sensitivity : +/- 900 µm
12
10
8
6
4
2
0
U b
olom
ter
[V]
-1000 -500 0 500 1000
Vertical bump [µm]
THz intensity vs e- beam position in SDM6 (V)
• Laser stays in its initial position
• Electron beam displaced parallel to the reference orbit using bumps
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
THz intensity vs MIR104 setting :MIR104 = mirror on the tunnel roof, just before the shielded box
MIR104 = last motorized mirror on the transport ->> used for alignement
Result : we loose the THz signal when displacing the laser spot on CAM.001 by :
+/- 15 pixels in V
+/- 30 pixels in H
High sensitivity to the laser transport !
THz intensity vs laser transport
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
THz intensity vs laser power
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
THz intensity vs pulse duration
Chirp < 0
Chirp > 0
Optimum THz @ 500 fs but very disymetric response vs chirp…
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
Chirp < 0
Chirp > 0
First results : THz intensity vs pulse duration
Optimum THz @ 500 fs but symetric response vs chirp…
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
THz signal simulation
Optimum THz @ 500 fs but symetric response vs chirp… ????
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
P_laser = 1.7 W ; DT=33/500 fs ; Tirage = 4.5 mm ; gap=16.7 mm
Basse résolution
THz spectrum on AILES beamline
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
THz spectrum on AILES beamline
P_laser = 1.7 W ; DT=33/500 fs ; Tirage = 4.5 mm ; gap=16.7 mm
FT of the electron bunch longitudinal profile
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015
Next steps :
->> Reproduce experiment with simulations
->> Observe fs pulses @ CRISTAL
->> Deliver to other beamlines
Conclusion
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 51
Sources and Accelerators Division Head of the project (Accelerator part): A. NadjiDeputy : M.-E. CouprieCommissioning coordinators: M. Labat and M.-A. TordeuxAccelerator physics: M.-A. Tordeux, P. Brunelle, L. S. Nadolski, A. LoulergueDiagnostics: M. Labat, L. Cassinari, F. Dohou, D. Pedeau, J.-P. RicaudInsertion Devices & Chicane: O. Marcouillé, T. El Ajjouri,H. Abualrobf, F. Marteau, J. Vétéran, M.-E. Couprie.
Steering committee: M.-E. Couprie, J. Luning, P. Morin, A. Nadji, P. Prigent
Technical Division Vacuum: C. Herbeaux, N. BéchuMechanical Engineering: J.-L. Marlats, D. Zerbib, S. Génix, K. Tavakoli, A. MaryC. De Oliveira, C. Créoff , S. Bonnin Survey and Alignement: A. Lestrade, M. RosInfrastructure: P. Eymard, P. Goy
General Division
Radiation safety: J.-B. Pruvost, M. Hafsi, F. RibaudLaser Safety: L. Germain, J.P. LaurentMethods: H. Rozelot
Experiences Division Head of the project (Experience part): J. LuningDeputy: P. PrigentCommissioning coordinators: P. Hollander, CRISTAL, TEMPOInstrumentation & Coordination: P. Hollander, P. Prigent Detectors : S. HustacheOptics: F. Polack, T. MorenoCRISTAL Beamline: C. Laulhé, S. RavyTEMPO Beamline: M. Silly, F. Sirotti
Informatics Division (ECA) S. Zhang, J. Bisou, Y.M. Abiven(ISI) E. Moge, P. Gattoni(ISG) J. Guyot(ICA) O. Roux, S. Le
Femto-slicing project team
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 52
Parameter Unit Value
Energy GeV 2.739
Revolution period µs 1.18
Nb of bunches (max) - 416
Energy spread - 0.00125
Longitudinal Damping timeTransverse Damping time ms
3.476.93
Horizontal emittance nm.rad 3.9
Controlled Coupling % 1
Bunch length ps-rms 25 @ 5 mA
Beam life time h 12h @ 430 mA
SOLEIL main parameters:
Femto-slicing @ SOLEIL: Setup
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 53
Femto-slicing@ SOLEIL main parameters:
Parameter Unit Value
Laser wavelength nm 800Laser pulse energy mJ 5 @ 1 kHz
Laser pulse duration fs-fwhm 30 – 1000Laser quality (M²) - < 1.5
Laser Rayleigh length m 0.6 – 0.7Laser repetition rate kHz 1
Wiggler period mm 164.4Resonant wavelength nm ~ 785
Current / bunch mA 10Filling pattern - 1-8 bunches, exotic
hybrid
Femto-slicing @ SOLEIL: parameters
M. Labat, Femtoslicing @ SOLEIL Journées Accélérateurs, Roscoff, Octobre 2015 54
THz intensity vs laser focussing
Bolometer signal vs laser focussing. P laser = 0.230 W. Pulse laser duration = 25 fs-fwhm. Gap wiggler = 16.7 mm. I < 4 mA.
top related