Dynamics of the storage ring free electron laser : theoretical and experimental study of two SRFELs in Europe

par Cyrille Alain Thomas

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Marie-Emmanuelle Couprie et de Marnix van der Wiel.

Soutenue en 2003

à Paris 11 en cotutelle avec Technische hogeschool (Eindhoven, Pays-Bas) , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

Le président du jury était Jacques Haissinski.

Le jury était composé de Marie-Emmanuelle Couprie, Marnix van der Wiel, Jacques Haissinski.


  • Résumé

    L'objectif principal de ce travail est l'étude de la dynamique du laser à électron libres sur anneaux de stockage, dans le domaine spectral UV-VUV et en présence de l'instabilité micro-onde. Cette instabilité affecte tous les anneaux de stockage en fonctionnement pour le laser à électrons libres. Une étude à la fois théorique et expérimentale du comportement de ce système a été mise en place, dans laquelle les résultats théoriques ont été comparés aux mesures effectuées à Super ACO (France) et à ELETTRA (Italie). Dans un premier temps, le comportement du système en présence de l'instabilité micro­onde est décrit qualitativement par un modèle simple. Ensuite, dans le but de prédire de façon quantitative le comportement du faisceau, nous avons développé un code numérique unidimensionel de la dynamique du laser à électrons libres sur anneau de stockage en présence de l'instabilité micro-onde. Le code décrit l'évolution du champ électrique du laser dans la cavité optique, couplée à l'évolution du faisceau d'électrons dans l'anneau, et a été validé par comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus à Super ACO et ELETTRA. L'étude expérimentale nous a amené en premier lieu à caractériser le comportement du faisceau dans l'anneau de stockage. Ceci a été effectué seulement à Super ACO. Nous avons mesuré les caractéristiques du faisceau d'électrons (distribution électronique, dispersion en énergie, etc. ) pour le fonctionnement du laser à électrons libres, et nous avons caractérisé deux effets du champs de sillage sur le faisceau d'électrons. Le premier effet, communément appelé la ''distortion du puits de potentiel", modifie les caractériques du faisceau sans générer aucune instabilité. Le deuxième effet du champ de sillage est la génération d'instabilités dans le faisceau d'électron, en particulier l'instabilité micro-onde. Cette instabilité induit en moyenne sur le temps un accroissement de la dispersion en énergie, qui s'accompagne d'un accroissement de la longueur des paquets d'électrons dans l'anneau. Ensuite nous avons caractérisé le comportement du laser, mesuré les caractéristiques de l'impulsion laser sous différentes conditions de désaccord, i. E. Synchronisation entre l'impulsion laser et les paquets d’électrons. Les paramètres du système dynamique, tels que le gain, les pertes de la cavité optique etc. , ont été déduits de ces mesures. La principale conclusion de ce travail est que l'instabilité micro-onde peut sérieusement dégrader les performances du laser à électrons libres sur anneau de stockage. Pour tout projet de construction d'un tel système, l'impédance de l'anneau de stockage, qui régit la puissance de l'instabilité micro-onde, doit être la plus petite possible. Le laser est en compétition avec l'instabilité micro-onde, et est capable de l'amortir dans une plage de courant dont la borne supérieure est déterminée par le gain, les pertes de la cavité optique, et la puissance de l’instabilité. Pour des courants supérieurs, le laser n’est pas stable, ou est tout simplement éteint par l'instabilité. Le code numérique que nous avons développé a été utilisé pour simuler avec succès le comportement de deux lasers à électrons libres. Il peut donc être utilisé comme outil pour l'étude de tout nouveau laser à électrons libres sur anneau de stockage.


  • Résumé

    The purpose of the present work is to study the dynamics of the storage ring free electron laser in the UV-VUV wavelength range and in the presence of the microwave instability. In practice this instability is always present during the operation of a free electron laser in a storage ring, and it may degrade the performance of the laser. In order to investigate the behavior of this complex system, we used a dual approach, in which theoretical results have been compared with measurements performed on two storage ring free electron lasers, at Super ACO (France) and at ELETTRA (Italy). As a first theoretical step, we analyzed a simple model which describes qualitatively the behavior of the storage ring free electron laser only, including the effects due to the microwave instability. In order to get more quantitative predictions, which can not be obtained from the simple model, we developed a 1-dimensional numerical code for the evolution of the laser electric field along the optical cavity axis. The code was validated by the comparison with experimental measurements performed at Super ACO and at ELETTRA. The experimental approach has also been clone in two steps. The first step was to characterize the electron beam behavior in the storage ring without the free electron laser. This has only been clone at Super ACO. We measured the beam characteristics (electron distribution, beam energy spread, etc. ) for the free electron laser operation, and we characterized two effects of the wakefield on the electron beam. The first effect is the so-called potential well distortion, which only modifies the beam properties, leaving the beam stable. The second effect induces instabilities in the beam, in particular the microwave instability, with on average an enhancement of energy spread and a proportional bunch lengthening. Next we characterized the laser behavior, measured the laser pulse properties (pulse duration, average power, etc. ) under detuning conditions, and deduced from measurements the parameters of the dynamical system, such as the gain at start-up, the cavity loss, etc. The main conclusion of the present work is that the microwave instability can seriously degrade the performance of the storage ring free electron laser. For any design of such a system one has to make sure that the impedance of the storage ring, which scales the strength of the microwave instability, is as low as possible. The laser is in competition with the instability, and is able to damp it in a range of current determined by the gain of the free electron laser, the optical cavity Joss and the microwave instability strength. At higher current the laser is unstable, or simply, it may be switched off by the microwave instability. The numerical code we developed has been used to simulate successfully the behavior of two different storage ring free electron lasers. It can be used reliably as a tool for the design of new storage ring free electron lasers.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (viii-118 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitres

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2003)336
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