Advances towards the development of compact relativistic electron and bright x-ray sources

Kompakte, brillante Attosekunden-Elektronen- und Rontgenquellen treten mit dem Versprechen an, einen weitverbreiteten Zugang zu neuen bahnbrechenden wissenschaftlichen, technologischen und medizinischen Werkzeugen zu ermoglichen. In Verfolgung dieser visionaren Technologie beschreibt diese Arbeit detailliert drei wesentliche Fortschritte bezuglich der wissenschaftlichen und technologischen Machbarkeit auf dem Weg zur Entwicklung neuartiger Elektronen- und Rontgenquellen, die ganz auf optischen Lasern basieren. Die wichtigsten in dieser Arbeit behandelten Themen sind (i) die Entwicklung optischer Lasersysteme mit hoher mittlerer und Spitzenleistung, (ii) Skalierung desWirkungsgrades und die Grenzen bei der Erzeugung von Terahertz-Strahlung, und (iii) direkte Laser-Vorwartsbeschleunigung von Elektronen im Vakuum. Im ersten Teil wird zunachst die Yb:YLF Technologie als Kandidat vorgestellt, um die optische Energie bei hohen Repetitionsraten und Impulsdauern unter einer Pikosekunden zu erhohen. Wir prasentieren das ausgearbeitete Frontend-Design und erste experimentelle Ergebnisse. Der zweite Teil der Arbeit (ii) beschreibt genau die theoretischen und experimentellen Details der wichtigsten Mechanismen, die zur Steigerung und letztendlich Sattigung der Energiekonversionseffizienz vom optischen zum Terahertz-Bereich im nichtlinearen Medium Lithiumniobat durch optische Gleichrichtung beitragen. Hierbei wird die bisher hochste Konversionseffizienz gezeigt. In (iii) wird die erstmalige Demonstration der Vorwartsbeschleunigung von Elektronen mit relativistischen, wenige Lichtzyklen langen, radial polarisierten Laserimpulsen im Vakuum diskutiert. Uberall in der Doktorarbeit, und insbesondere in der Einleitung, wird aufgezeigt, wie jedes dieser unabhangigen Themen mit den anderen in Beziehung steht, und wie sich schlieslich alles in das Konzept der kompakten relativistischen Elektronen- und brillanten Rontgenquellen integriert. Compact brilliant attosecond electron and x-ray sources promise to bring wide-spread access to groundbreaking scientific, technological, and medical tools. In the pursuit of such visionary technology, this thesis describes in detail three key scientific and technological feasibility advances towards the development of novel electron and x-ray sources based entirely on optical lasers. The main areas covered are (i) high average- and peak-power optical laser development, (ii) efficiency scaling and limitations of terahertz radiation generation, and (iii) direct longitudinal laser acceleration of electrons in vacuum. In (i) we will point at Yb:YLF technology as a candidate for optical energy scaling at high repetition rates and sub-ps pulse durations, and will present a thorough front-end design and preliminary experimental results. In (ii) we will describe in detail theoretical and experimental aspects of the primary mechanisms that contribute to increasing and ultimately saturating the optical-toterahertz energy conversion efficiency in lithium niobate through optical rectification, and show the highest efficiency demonstrated to date. In (iii) we will expound on the first-time demonstration of longitudinal acceleration of electrons using relativistic radially-polarized few-cycle pulses in an entirely free-space environment. Throughout the thesis and specially in the introduction, we will discuss how each independent topic relates to one another and ultimately integrates into the concept of compact relativistic electron and bright x-ray sources.