Wie funktioniert ein Freie-Elektronen-Laser?

Sausen Elektronen um die Kurve, so senden sie Licht aus. In modernen Strahlungsquellen werden die Teilchen daher auf Slalomkurse gebracht, wodurch sich die ausgesendete Strahlung extrem verstärkt. Freie-Elektronen-Laser (FEL) sind dabei so konstruiert, dass die Elektronen im Gleichtakt Licht abgeben. Das Ergebnis sind hochintensive Strahlungsblitze mit den Eigenschaften von Laserlicht.

Schema eines Freie-Elektronen-Röntgenlasers

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Das intensive Laserlicht des Freie-Elektronen-Röntgenlasers wird nach einem neuartigen Prinzip erzeugt: Elektronen werden in einem supraleitenden Teilchenbeschleuniger auf hohe Energien gebracht, fliegen anschließend im Slalomkurs durch eine besondere Magnetanordnung, den Undulator, und senden dabei laserartig gebündelte Strahlung aus.

Der erste Teil eines Freie-Elektronen-Lasers besteht aus einem Teilchenbeschleuniger, in dem Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Im zweiten Teil werden die Elektronen in speziellen Magnetfeldanordnungen (so genannten Undulatoren) auf einen Slalomkurs gebracht und geben dabei Strahlung ab. Diesen Aufbau haben FELs mit konventionellen modernen Synchrotronstrahlungsquellen gemeinsam. Der Trick bei einem FEL ist nun, die Elektronen auf ihrem Weg durch das Magnetfeld des Undulators mit einer Strahlung wechselwirken zu lassen, die genau die gleiche Wellenlänge hat wie die Strahlung, die die Elektronen aussenden. Dann entsteht ein FEL, der um ein Vielfaches intensiver leuchtet.

Microbunching - Gemeinsam sind sie stark

Lichterzeugung im Undulator

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Der selbstverstärkende SASE-Effekt 1: Beim Slalomkurs durch eine periodische Magnetanordnung, den Undulator, strahlen die Elektronenpakete Licht (Photonen) einer festen Wellenlänge aus. Der Photonenstrahl breitet sich geradlinig aus und überlappt mit dem Elektronenpaket. Dabei prägt er den Elektronen seine regelmäßige Struktur auf.

Durch die Wechselwirkung der Elektronen mit der Strahlung kommt es zur Bildung von Kleinstgruppen - ein Phänomen mit dem Namen microbunching: Am Anfang des Undulators haben alle Elektronen noch dieselbe Energie. Dies ändert sich jedoch, wenn die Teilchen mit der Strahlung wechselwirken. Dabei können die Ladungen von der Strahlung Energie aufnehmen oder an sie abgeben.

Nun gehört im Undulator zu jeder Elektronenenergie ein bestimmter Slalomkurs und zu jedem Slalomkurs eine bestimmte Vorwärtsgeschwindigkeit. Ein Skifahrer kommt ja auch schneller ins Tal, wenn er dicht an den Slalomstangen entlang fährt, als wenn er weit ausholt. Aus diesem Grund sorgt eine Energieaufnahme oder -abgabe dafür, dass die Elektronen vorauseilen oder zurückfallen.

Bei einem FEL sind die Geschwindigkeit der Elektronen und die Form der Magnetfeldanordnungen nun so aufeinander abgestimmt, dass die Ladungen nach zwei Kurven im Undulator genau eine Wellenlänge zurückfallen. Die Ladungen sind dann in derselben Situation wie zuvor: Ein Elektron, das zuvor ein wenig Energie verlor, wird jetzt schon wieder gebremst. Andere Elektronen werden hingegen ausschließlich beschleunigt. Das geht so lange, bis alle Elektronen in Bereiche geschoben wurden, in denen kein Energieaustausch mehr stattfindet. So rücken die Elektronen zu kleinen Grüppchen zusammen.

Microbunching beim selbstverstärkenden SASE-Effekt

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Der selbstverstärkende SASE-Effekt 2: Nach einiger Zeit der Überlappung zwischen Photonen- und Elektronenstrahl im Undulator ist aus der anfangs gleichmäßigen Ladungsdichteverteilung in den Elektronenpaketen eine Aneinanderreihung von einzelnen "Ladungsscheibchen" geworden, die jeweils eine Lichtwellenlänge voneinander getrennt sind ("Microbunching"). Nun strahlen alle Elektronenscheibchen im Gleichtakt - das Licht kann sich zu intensiver Laserstrahlung verstärken.
 

 

Das Licht ordnet das Elektronenpaket also nach und nach zu Kleinstgruppen an, die immer mehr wie Pfannkuchen aussehen. Ihr Abstand beträgt genau eine Wellenlänge der ordnenden Strahlung. Nach wie vor geben die Elektronen Strahlung ab, nicht mehr und nicht weniger als zuvor. Dennoch ist das Resultat ein viel intensiveres Licht. Denn die Strahlung der Elektronen in den Kleinstgruppen überlagert sich perfekt.

Impfung oder SASE

Ein Freie-Elektronen-Laser ist ein Lichtverstärker: Er erhöht die Intensität des Lichts, das die Elektronen in kleine Gruppen zwingt, um zahlreiche Größenordnungen. Aus dem Nichts kann aber auch ein FEL nichts verstärken. Er benötigt zu Beginn einen kleinen Lichtblitz, der die richtige Wellenlänge besitzt und die Elektronen ordnet.

Hier gibt es nun zwei Möglichkeiten:

• Man nutzt einen Lichtstrahl von außen. Diese Möglichkeit heißt Impfung (seeding); man spricht dann von einem geimpften FEL.
• Man kann jedoch auch das Licht verwenden, das spontan im FEL entsteht, wenn sich die Elektronen auf Slalomkurs befinden. Dieser Effekt heißt SASE (selbstverstärkte spontane Abstrahlung, self-amplified spontaneous emission).

Der beim Forschungszentrum DESY in Hamburg 2005 in Betrieb gegangene Freie-Elektronen-Laser VUV-FEL ist ein solcher SASE-FEL, ebenso wie der geplante europäische Röntgenlaser XFEL. Dabei muss die gesamte Lichtverstärkung in einem Rutsch erfolgen. Dies erfordert sehr lange Undulatoren. Beim VUV-FEL sind sie 30 Meter, beim XFEL bis zu 150 Meter lang.

Geschichte der Freie-Elektronen-Laser

Seinen Namen erhält der Freie-Elektronen-Laser dadurch, dass die Elektronen nicht fest an Atome gebunden sind, sondern sich frei durch eine Magnetfeldanordnung bewegen. Die Idee zum FEL wurde erstmals im Jahr 1971 von John M. J. Madey vorgeschlagen. Auf ihre erste Umsetzung musste sie jedoch sechs Jahre warten. Damals entwickelte Madey mit seinen Kollegen an der Universität von Stanford den ersten Freie-Elektronen-Laser.

Die SASE-Idee wurde zum ersten Mal von Anatoli M. Kondratenko und Evgeni L. Saldin diskutiert und 1984 von Rodolfo Bonifacio, Claudio Pellegrini und Mitarbeitern im Detail ausgearbeitet. Den derzeitigen SASE-FEL-Weltrekord hält DESY, als im Frühjahr 2005 am VUV-FEL gezeigt wurde, dass der SASE-Effekt auch bei einer Wellenlänge von 31 milliarstel Metern auftritt. Der Röntgenlaser XFEL wird auf ein 400-stel dessen heruntergehen.