Abstract
Laser-Plasma Accelerators (LPAs) combine a multitude of unique features, which makes them very attractive as drivers for next generation brilliant light sources including compact X-ray free-electron lasers. They provide high accelerating gradients, thereby drastically shrinking the accelerator size, while at the same time the produced electron bunches are intrinsically as short as a few femtoseconds and carry high peak currents. LPA are subject of very active research, yet, the field currently faces the challenge of improving the beam quality, and achieving stable and well-controlled injection and acceleration. This thesis tackles this issue from three different sides. A novel longitudinal phase space diagnostics is proposed that employs the strong fields present in plasma wakefields to streak ultrashort electron bunches. This allows for a temporal resolution down to the attosecond range, enabling direct determination to the current profile and the slice energy spread, both crucial quantities for the performance of free-electron lasers. Furthermore, adiabatic matching sections at the plasma-vacuum boundary are investigated. These can drastically reduce the beam divergence and thereby relax the constraints on the subsequent beam optics. For externally injected beams, the matching sections could even provide the key technology that permits emittance conservation by increasing the matched beam size to a level achievable with currently available magnetic optics. Finally, a new method is studied that allows to modify the wakefield shape. To this end, the plasma density is periodically modulated. One possible application can be to remove the linearly correlated energy spread, or chirp, from the accelerated bunch, which is suspected of being responsible for the main part of the often large energy spread of plasma accelerated beams.
Mehrere ihrer Eigenschaften machen Laser-Plasma Beschleuniger zu attraktiven Kandidaten, um die nächste Generation brillanter Lichtquellen, einschließlich kompakter Freie-Elektronen Laser zur Erzeugung hochintensiver Röntgenstrahlung, zu treiben. Sie können extrem große Beschleunigungsgradienten erzeugen, weshalb die Beschleunigerlänge teils um Größenordnungen verkürzt werden kann. Des Weiteren sind die erzeugten Elektronenbunche typischerweise nur einige Femtosekunden lang und weisen hohe Spitzenströme auf. Das Forschungsfeld rund um Laser-Plasma Beschleuniger ist zur Zeit mit der Herausforderung konfrontiert die Strahlqualität der erzeugten Elektronenbunche, sowie die Kontrolle über und die Stabilität der Injektion und der Beschle- unigung zu verbessern. Diese Herausforderungen sind Gegenstand der vorliegenden Dissertation. Mithilfe der starken tansversalen Felder in Laser-Plasma Wakefields kann der longitudinale Phasenraum ultrakurzer Elektronenbunche diagnostiziert werden. Mit einer zeitlichen Auflösung bis in den Attosekundenbereich kann direkt das Stromprofil und der Slice Energy Spread gemessen werden, beides Größen, die entscheidend dafür sind, ob ein Freie-Elektronen Laser mit solchen Bunchen betrieben werden kann. Des Weiteren werden adiabatische Rampen an den Plasma-Vakuum-Übergängen untersucht. Diese reduzieren drastisch die Divergenz des Elektronenstrahls, was die Anforderungen an die folgenden magnetischen Optiken senkt. Gerade für extern injizierte Elektronenbunche könnten adiabatische Rampen sogar unabdingbar sein, um die Emittanz des Strahls zu erhalten, da sie die für die Injektion benötigte Strahlgröße überhaupt erst auf ein Niveau anheben, das mit der verfügbaren Strahloptik erreichbar ist. Drittens wird die Möglichkeit untersucht, die Form des Wakefields mittels periodischer Dichtemodulationen zu beeinflussen. Eine Anwendung hiervon ist die Beseitigung der linearen Korrelation des longitudinalen Phasenraums, welche häufig für den Hauptteil der großen Energiebreite von Laser-Plasma beschleunigten Elektronenbunchen verantwortlich gemacht wird.
