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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.

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• 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…

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• 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

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• 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

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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:

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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

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1 – Change the electron energy only within a tiny slice 2 – Use dispersive element to separate the slice from the core

Femto-slicing concept

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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

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I. General layout

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C06C07

C08

C09

C10

C05

C03

C04

C02

C01

Linac(100 MeV)

Booster

Storage ring (2.75 GeV)

I. General layout

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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II. Laser transport

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• 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

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• 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

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Goal :• Alignement of the laser on the electron beam

– Temporally (synchronization)

– Spatially– Spectrally (fundamental wiggler wavelength = laser wavelength)

III. InfraRed diagnostics

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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

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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

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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:

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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

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III. InfraRed diagnostics

• Spectral overlap:• No straight forward measurement (presence of filters on the IR diagnostics board)

25

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Experiment / Simulation

Measured Simulated Measured Simulated

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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

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IV. THz diagnostics

• Goal : • Check that there is interaction• Optimize the interaction

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IV. THz diagnostics

• Principle :• Interaction creates a hole

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IV. THz diagnostics

• Principle :• Interaction creates a hole• Sub-mm hole (~ps) gives coherent THz radiation

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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

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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 :

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V. THz measurements

• Beginning of the commissioning: January 2014• First THz signal: September 2014…

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~ 60 mV

~ 600 mV

21/09/2015

V. THz measurements

• Bolometer typical signal :

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~ 60 mV

~ 600 mV

21/09/2015

V. THz measurements

• Diode typical signal :

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THz intensity vs beam current

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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)

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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

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THz intensity vs wiggler gap

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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.

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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)

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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

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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

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THz intensity vs laser power

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THz intensity vs pulse duration

Chirp < 0

Chirp > 0

Optimum THz @ 500 fs but very disymetric response vs chirp…

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Chirp < 0

Chirp > 0

First results : THz intensity vs pulse duration

Optimum THz @ 500 fs but symetric response vs chirp…

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THz signal simulation

Optimum THz @ 500 fs but symetric response vs chirp… ????

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P_laser = 1.7 W ; DT=33/500 fs ; Tirage = 4.5 mm ; gap=16.7 mm

Basse résolution

THz spectrum on AILES beamline

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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

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Next steps :

->> Reproduce experiment with simulations

->> Observe fs pulses @ CRISTAL

->> Deliver to other beamlines

Conclusion

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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

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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

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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

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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.