Implementation of the Laser-Based Femtosecond Precision Synchronization System at FLASH

Abstract: FLASH, the high-gain free-electron laser (FEL) in Hamburg, enables the generation of light pulseswith wavelengths in the soft X-ray region and durations down to a few femtoseconds. To fully exploitthis capability in time-resolved pump-probe experiments, and for the projected externally seededoperation, the critical components of the accelerator and several external laser systems have to besynchronized with a temporal accuracy at least in the same order of magnitude. This can not be realizedpurely with established RF-based systems and therefore, an optical, laser-based synchronizationsystem is required.In this thesis, the optical synchronization system of FLASH has been, based on previous successfulproof-of-principle experiments, massively extended. One major topic is the comprehensive characterizationof the timing reference of the system and a comparison of different types of such masterlaser oscillators, as well as studies on their short- and long-term stability. Similar investigations havebeen carried out for the upgraded and newly installed length-stabilized fiber links, which connect theremote locations at the accelerator to the optical timing reference. The successful demonstration ofan all-optical synchronization of a Ti:sapphire oscillator with sub-10 femtosecond timing jitter andthe connection of the photo injector laser system to the synchronization system mark further importantkey experiments of this thesis. The robustness of the actual implementations played a key role,as the synchronization system forms the basis for the future, operator-friendly arrival time feedback.Kurzdarstellung: FLASH, der hochverstärkende Freie-Elektronen-Laser (FEL) in Hamburg, kann Pulse weicher Röntgenstrahlungmit Dauern von wenigen Femtosekunden erzeugen. Um das volle Potenzial dieserLichtpulse in zeitaufgelösten Anrege-Abfrage-Experimenten ausnutzen zu können, und für den zukünftigen Betriebsmodus mit einem externen Saat-Laser ist eine Synchronisation der kritischenKomponenten des Beschleunigers und der externen Lasersysteme mindestens in der gleichen zeitlichenGrößenordnung erforderlich. Diese Präzision ist mit elektrischen Hochfrequenzsystemen nichtzu erreichen und erfordert ein optisches, laser-basiertes Synchronisationssystem.Im Rahmen dieser Arbeit wurde, aufbauend auf früheren erfolgreichen Machbarkeitsstudien, das optischeSynchronisationssystem bei FLASH massiv erweitert. Dabei lag ein Schwerpunkt auf der umfangreichenCharakterisierung der Zeitreferenz des Systems und dem Vergleich zweier verschiedenerTypen solcher Master-Laseroszillatoren, sowie Studien zu deren Kurz- und Langzeitstabilität. Diesewurde auch an den ebenfalls erweiterten längenstabilisierten Glasfaserstrecken, die zur Ankopplungder verschiedenen Stationen am Beschleuniger an die optische Zeitreferenz dienen, studiert. Dieerfolgreich demonstrierte optische Synchronisation eines Titan:Saphir-Laseroszillators mit wenigerals 10 Femtosekunden Zeitjitter und die Anbindung des Photoinjektor-Lasers an das Synchronisationssystemstellen weitere Schlüsselexperimente dieser Arbeit dar. Dabei wurde besonderer Wertauf die Robustheit der eigentlichen Implementationen gelegt, da das Synchronisationssystem dasFundament der geplanten aktiven Ankunftszeitstabilisierung im Beschleuniger bildet