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Optische Kontrolle der Lasertätigkeit im Röntgenbereich

Darvasi, Gabor

English Title: Optical Control of X-Ray Lasing

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Abstract

X-ray free-electron lasers have revolutionized x-ray science by achieving unprecedented intensities exceeding 10^18 W/cm^2. However, they lack temporal coherence and controllability of their pulses' temporal and spatial properties, which is essential for many applications. We investigate the possibility to control and shape x-ray laser pulses with optical light. An optical laser pulse is used to control the population inversion on the 2p-1s transition in a neon x-ray laser pumped by an x-ray free-electron laser. Theoretical results are presented based on population and photon rate equations. We study the dependance of the x-ray laser's output on the pump pulse's and the optical laser pulse's properties. Small-signal gain calculations reveal that for a high degree of control narrowband pumping radiation is required and the optical laser pulse must have precise timing with respect to the pump pulse. Self-consistent gain calculations show that it will be possible to do spatial pulse shaping and to produce high-intensity, sub-femtosecond pulses that are controlled by and synchronized to the optical laser pulse with femtosecond precision. Our results indicate that the presented scheme would make it possible to establish pump-probe techniques with femtosecond x-ray and optical pulses.

Translation of abstract (German)

Freie-Elektronen-Laser haben das Gebiet der Röntgenphysik durch die Erzeugung von Röntgenstrahlung mit Intensitäten über 10^18 W/cm^2 revolutioniert. Ihre Strahlung hat jedoch nur geringe Kohärenz und die zeitliche und räumliche Struktur ihrer Pulse kann nicht kontrolliert werden. Wir untersuchen die Möglichkeit Röntgen-Laserpulse mit optischem Licht zu kontrollieren und zu formen. Ein optischer Laser kontrolliert die Besetzungsinversion für den 2p-1s Übergang eines Neon-Röntgenlasers, der mit einem Freie-Elektronen-Laser gepumpt wird. Ausgehend von Bilanzgleichungen für die Photonzahl und die Besetzung der Laserniveaus untersuchen wir die Abhängigkeit der Pulse des Röntgenlasers von den Pulseigenschaften des optischen Lasers und des Freie-Elektronen-Lasers. Die Analyse der Kleinsignalverstärkung zeigt, dass eine geringe Bandbreite des Pump-Pulses und die genaue zeitliche Abstimmung des optischen Pulses und des Pumppulses miteinander Voraussetzung für wirksame optische Kontrolle sind. Unsere Rechnungen zeigen, dass die Herstellung hochintensiver sub-Femtosekunden- Laserpulse, die durch einen optischen Laser kontrolliert werden, möglich ist. Zusätzlich sind diese mit Femtosekunden-Genauigkeit an den optische Laserpuls synchronisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass dieses Laserschema für Anrege-Abfrage-Techniken mit einem Femtosekunden-Röntgenlaserpuls und einem optischen Laserpuls verwendet werden kann.

Item Type: Master's thesis
Date Deposited: 20 Apr 2012 10:34
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
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