Promotionsvortrag von Arjun Radha Krishnan

Die Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer, kohärenter Strahlungspulse im extremen Ultraviolett- (EUV) sowie im Röntgenbereich ist für die Untersuchung ultraschneller dynamischer Prozesse in Materie von entscheidender Bedeutung. In diesem Kontext beschreibt die vorliegende Arbeit zwei sich ergänzende Forschungsbeiträge: die Entwicklung von Deep-Learning-basierten Methoden für neue Formen der Strahldiagnose und die erste experimentelle Umsetzung des EEHG-Verfahrens (Echo-Enabled Harmonic Generation) in einem Elektronenspeicherring.
Um die Grenzen konventioneller Strahldiagnose zu überwinden, wurden Deep-Learningbasierte Verfahren sowohl für Anwendungen an Speicherringen als auch für Freie-Elektronen-Laser (FEL) entwickelt. Am 1,5-GeV-Elektronenspeicherring DELTA, der vom Zentrum für Synchrotronstrahlung der TU Dortmund betrieben wird, wurde das CHG-Verfahren (Coherent Harmonic Generation) eingesetzt, bei dem externe Laserpulse die Elektronen im Speicherring so manipulieren, dass ultrakurze Strahlungspulse bei Harmonischen der Laserfrequenz entstehen. Ein sog. Convolutional Neural Network (CNN) wurde trainiert, um Eigenschaften der spektralen Phase der Laserpulse aus den CHG-Strahlungsspektren zu extrahieren. Mit dieser Methode konnte eine hohe unkompensierte Dispersion dritter Ordnung erfolgreich identifiziert werden, wodurch zuvor unverstandene Asymmetrien in den Spektren erklärt werden konnten. Darüber hinaus wurden zwei CNN-basierte Methoden implementiert, um Photonenpulsprofile aus gemessenen Verteilungen der Elektronen im longitudinalen Phasenraum bei FLASH, einem FEL in Hamburg, zu rekonstruieren. Diese Arbeit umfasste die Anwendung eines Standard-U-Net-Modells und eines speziell für diese Aufgabe entwickelten Y-Net-Modells mit zwei Eingangsverteilungen. Diese Deep-Learning-Modelle ermöglichen eine Einzelpuls-Rekonstruktion der Photonenpulsform, ohne dass zahlreiche Referenzmessungen durchgeführt werden müssen. Zudem wird das Auftreten nicht-physikalischer Artefakte reduziert.
Im experimentellen Teil beschreibt diese Arbeit die Inbetriebnahme der Anlage SPEED (Short-Pulse Emission via Echo at DELTA) bei DELTA. Dieses Projekt nutzt den EEHGMechanismus, der mit einer zweistufigen Laser-Wechselwirkung die Elektronen im longitudinalen Phasenraum so manipuliert, dass Strahlung bei hohen Harmonischen erzeugt wird. Durch die Neukonfiguration eines 4,75 m langen elektromagnetischen Undulators konnte das EEHG-Verfahren weltweit erstmalig an einem Speicherring demonstriert werden. Kohärente Strahlungsemission wurde erfolgreich beobachtet und bis zur 11. Harmonischen (73 nm) der 800-nm-Laserpulse charakterisiert. Diese Ergebnisse bestätigen die Robustheit des EEHG-Mechanismus in einem Speicherring. Aufbauend auf diesen Erfolg wird das Konzept einer optimierten und kompakten EEHG-Anordnung auf der Basis von Permanentmagneten vorgestellt. Simulationsstudien belegen, dass die effiziente Erzeugung von Strahlung bis zur 29. Harmonischen (ca. 27 nm) in einer typischen freien Strecke von 5 Metern Länge möglich ist, womit ein Weg für zukünftige Kurzpulsquellen an Elektronenspeicherringen aufgezeigt wird.