Weißer Strahl eines beschleunigten Elektronenpakets, auf den Laerpulse treffe – rot und blau dargestellt – und ihn so beeinflussen, dass spektral saubere Lichtblitze entstehen.

Schärferes Licht aus dem Röntgenlaser

Mit intensiven, scharfen und extrem kurzen Lichtblitzen können Physiker, Chemiker und Biologen schnelle Prozesse auf der atomaren Skala am besten untersuchen. Freie-Elektronen-Laser liefern diese Blitze bis in den Bereich weicher Röntgenstrahlung. Um die Qualität dieser Blitze weiter zu steigern, nutzten nun Physiker in den USA einen speziellen Echoeffekt zwischen Elektronen und Lichtwellen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten, konnten sie mit ihrer Methode scharfe Lichtblitze mit einer Wellenlänge von bis zu 32 Nanometern erzeugen. In Zukunft könnten dank des Echoeffekts intensive Blitze bis in den Bereich harter Röntgenstrahlung generiert werden.

„Unser Ansatz zeigt, dass mit zusätzlichen Lasern die Eigenschaften der besten Lichtquellen, den Freie-Elektronen-Lasern, weiter verbessert werden können“, sagt Erik Hemsing vom SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park. Mit seinen Kollegen nutzte er einen Linearbeschleuniger, in dem sie Elektronenpakete fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten. Mit mehreren Magneten, deren Nord- und Südpol abwechselnd gegenseitig ausgerichtet waren, brachten sie die Elektronenpakete auf eine geschlängelte Flugbahn. Diese Magnetstruktur nennen Physiker auch Undulator. Insgesamt entsprach dieser Aufbau dem eines Freien-Elektronen-Lasers, bei dem die Elektronenpakete kurze Lichtblitze aussenden können.

Zusätzlich zu den Elektronenpaketen schickten nun Hemsing und Kollegen an zwei Stellen infrarote Laserpulse in die Vakuumröhre des Linearbeschleunigers. Dabei kam es zu dem gewünschten Echoeffekt, der auf einer Wechselwirkung zwischen Lichtwellen und Elektronen beruhte. Wurden die Elektronenpakete nun weiter beschleunigt und wieder durch einen Undulator geschickt, sendeten sie kurze extrem ultraviolette Lichtblitze aus. Verglichen mit einem herkömmlichen Freie-Elektronen-Laser waren diese Lichtblitze allerdings besser voneinander getrennt und deckten einen schmaleren Wellenlängenbereich ab. „Diese Lichtblitze sind sauberer und sogar heller“, sagt Hemsing.

Mit diesem Experiment zeigten Hemsing und Kollegen, dass sich die Qualität der Lichtblitze aus einem Freien-Elektronen-Laser mit der Einspeisung zusätzlicher Laserpulse verbessern lässt. Bisher konnten sie so Licht mit bis zu 32 Nanometer Wellenlänge erzeugen. Doch halten es die Forscher für möglich, mit dieser Methode Lichtquellen für extrem kurze und spektral saubere Lichtblitze bis in den Energiebereich harter Röntgenstrahlung entwickeln zu können.