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The research towards a Dielectric laser accelerator (DLA) have gone through a remarkable development within the last decade as a method of acceler- ating electron beams. Utilizing photonic nano structures in combination with ultra-short laser pulses, acceleration gradients of up to 850 MeV/m can be achieved. Such values are beyond the capabilities of conventional parti- cle accelerators. In addition, DLA has the potential of becoming tool for the investigation of ultrafast phenomena on the attosecond timescale as it allows electron pulses to be further compressed into a train of individual, sub-femtosecond micropulses, using the sub cycle optical control accessible with DLA. However, the current accelerated is merely sufficient for proof- of-principle experiments. This limitation is primarily caused by inadequate beam qualities and low bunch charges of the used electron sources. Fur- thermore, up to this point only short structures of up to 30 µm have been tested, for which the overall acceleration is limited and the loss of particles is substantial. This thesis aims to address these two issues. First, an anal- ysis of an existing ultrafast setup is conducted with respect to its electron beam parameters. A special focus is put on intra-beam Coulomb interactions which is the main cause of beam quality degradation at higher bunch charges. This is in turn used to design an improved electron source system, which in theory surpasses the established setup in beam brightness, the most crucial beam parameter for DLA, by up to two orders of magnitude. Second, the first experimental realization of an advanced accelerator scheme in DLA is presented. More specific, a well known technique, alternating phase focus- ing (APF), is applied. It uses gaps within the dielectric grating to alternate between different phases of the driving laser field. This, in theory, allows the confinement of an electron beam within an infinitely long structure. The structure used for the demonstration experiment is 80 µm long. Under laser illumination it guides the electron beam such that up to 2.67 times more particles pass the structure than compared to the throughput without. The experimental findings agree well with simulations, marking the first successful implementation of modern accelerator schemes in DLA. Zusammenfassung Die Erforschung von dielektrische Laserbeschleunigungern (DLA) hat inner- halb der letzten zehn Jahren eine bemerkenswerte Entwicklung als Meth- ode zur Beschleunigung von Elektronenstrahlen durchlaufen. Unter Ver- wendung von photonischen Nanostrukturen in Kombination mit ultrakurzen Laserpulsen können Beschleunigungsgradienten von bis zu 850 MeV/m er- reicht werden. Solche Werte ̈ubertreffen die Möglichkeiten konventioneller Teilchenbeschleuniger. Dar ̈uber hinaus hat DLA das Potential als Werkzeug für die Untersuchung ultraschneller Phänomene auf der Attosekunden-Zeit- skala fungieren, da sich Elektronenpulse durch die mit DLA zugängliche sub- zyklische, optische Kontrolle weiter zu einem Zug aus individuellen, sub- femtosekunden kurze Mikrobündeln komprimieren lassen. Die derzeitige Be- schleunigung ist jedoch lediglich für Experimente, die das Konzept bestäti- gen, ausreichend. Diese Einschränkungen sind vor allem auf unzureichende Strahlqualitäten und geringe Pulsladungen der verwendeten Elektronstrahlen zurückzuführen. Außerdem wurden bisher nur relativ kurze Strukturen ge- testet, bei denen die Gesamtbeschleunigung begrenzt und der Verlust an Teilchen erheblich ist. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, Lösungsansätze für diese Probleme aufzuzeigen. Zunächst wird eine Analyse eines beste- henden, ultraschnellen Aufbaus hinsichtlich seiner Elektronenstrahlparame- ter durchgeführt. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Coulomb- Wechselwirkungen innerhalb des Strahls gelegt, welche die Hauptursache f ̈ur die Verschlechterung der Strahlqualität bei höheren Pulsladungen ist. Die gewonnenen Erkenntnisse werden wiederum genutzt, um ein verbessertes Elektronenquellensystem zu entwerfen, das den etablierten Aufbau in der Strahlhelligkeit, dem wichtigsten Strahlparameter für DLA, theoretisch um bis zu zwei Größenordnungen ̈ubertrifft. Der zweite Teil demonstriert die er- ste experimentelle Realisierung eines fortschrittlichen Beschleunigerschemas in DLA. Genauer gesagt wird eine wohlbekannte Technik, die alternierende Phasenfokussierung (APF), angewendet. Sie nutzt Lücken innerhalb des dielektrischen Gitters, um zwischen verschiedenen Phasen des treibenden Laserfeldes zu wechseln. Dies ermöglicht theoretisch die Fokussierung eines Elektronenstrahls innerhalb einer unendlich langen Struktur. Die für das Demonstrationsexperiment verwendete Struktur ist 80 µm lang. Unter La- serbeleuchtung führt sie den Elektronenstrahl so, dass bis zu 2.67-mal mehr Teilchen die Struktur passieren als im Vergleich zum Durchsatz ohne. Die experimentellen Ergebnisse stimmen hervorragend mit Simulationen überein und markieren die erste erfolgreiche Implementierung moderner Beschleu- nigerschemata in DLA. |
