Röntgenlaser

Der Freie-Elektronen-Laser (kurz: FEL) ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die kohärente Strahlung mit sehr hoher Brillanz erzeugt. Aufgrund der Kohärenz der Strahlung wird er als Laser bezeichnet. Zentrale Komponenten sind ein Teilchenbeschleuniger und ein sehr langer Undulator, in dem relativistische Elektronenpakete die Strahlung emittieren. Diese Komponenten machen den Freie-Elektronen-Laser zu einer aufwändigen und teuren Anlage, die meistens in eine vorhandene Großforschunganlage (wie beispielsweise dem DESY in Hamburg) integriert wird. Weltweit gibt es zur Zeit (2006) 21 Freie-Elektronen-Laser, 15 weitere Anlagen befinden sich in Bau oder Planung (z. B. am BESSY II in Berlin-Adlershof). Freie-Elektronen-Laser decken prinzipiell große Teile des spektralen Bereichs ab, sind aber auf einen bestimmten Bereich optimiert. So arbeitet der Particle Physics Lab FEL in Dubna im Millimeterbereich, der FLASH (free-electron laser in Hamburg) am DESY im UV-Bereich (6 bis 30 nm). Zukünftige Freie-Elektronen-Laser (z. B. der European X-ray FEL, ebenfalls am DESY) sollen auch den Röntgenbereich bis 0,1 nm abdecken. Solche Freie-Elektronen-Laser werden oft als Röntgenlaser bezeichnet.

Funktionsweise

Schemaskizze des XFEL Freie-Elektronen-Lasers

Im Undulator wird der Elektronenstrahl durch alternierend angeordnete Magnete in hin- und hergehende transversale Bewegung versetzt (engl. to undulate), wodurch Synchrotronstrahlung erzeugt wird. Aufgrund der relativistischen Bewegung der Elektronen ist die Strahlung nahezu vollständig vorwärts entlang der Elektronenbahn gerichtet. Beim FEL wird der Undulator sehr lang gebaut, so dass es zu einer Wechselwirkung zwischen der emittierten Strahlung und dem Elektronenpaket kommt. Der Abstand der Magnete und die Geschwindigkeit der Elektronen werden so aufeinander abgestimmt, dass die Lichtwellen, die an jedem einzelnen Magneten abgegeben werden, konstruktiv interferieren.

Die Funktionsweise als Laser wird möglich durch den Microbunching-Effekt, der dafür sorgt, dass eine Mikrostrukturierung des Elektronenpaketes durch die Wechselwirkung mit der erzeugten Laserstrahlung entsteht. Das Elektronenpaket wird in dünne Scheiben strukturiert, die senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet sind. Diese Scheiben haben einen genau auf die emittierte Strahlung ausgerichteten Abstand, der gleich der Wellenlänge ist, so dass alle Elektronen in dem Paket gleichzeitig kohärent emittieren können. Durch das phasenrichtige Emittieren der Strahlung addieren sich die Amplituden der einzeln erzeugten Wellen und nicht mehr die Intensitäten, wie es bei zufälliger, nicht phasenrichtig emittierter Strahlung der Fall ist. Die Folge ist, dass die Intensität der emittierten Strahlung beim FEL proportional zum Quadrat der Anzahl der emittierenden Elektronen steigt und nicht mehr linear. Dies ist die Ursache für die sehr hohe erreichbare Brillanz, die den Hauptvorteil des FEL darstellt.

Die Wellenlänge eines FEL kann durchgestimmt werden, indem die Energie der Elektronen variiert wird. Zukünftige FEL sollen kohärente Strahlung hoher Intensität bis in den Röntgenbereich liefern.

Weblinks

• Freie Elektron Laser Bestimmung_Strahlparameter_am_FEL
• XFEL - Einführung Röntgenlaserlicht durch Selbstverstärkung
• Forschungszentrum Dresden-Rossendorf Freie-Elektronen Laser der Strahlungsquelle ELBE
• Einführung in den Freie-Elektronen Laser der Strahlungsquelle ELBE
• The World Wide Web Virtual Library: Free Electron Laser research and applications (englisch)
• Der freie Elektronenlaser bei BESSY 2 in Berlin-Adlershof
• FLASH bei DESY
• Internetseite des European XFEL