Schema Freie-Elektronen-Laser

Wie funktioniert ein Freie-Elektronen-Laser?

In Freie-Elektronen-Lasern werden Elektronen auf hohe Energien beschleunigt und in speziellen Magnetanordnungen zur Aussendung intensiver Lichtblitze mit Lasereigenschaften gebracht. So lassen sich insbesondere leistungsstarke Röntgenlaser realisieren, die der Forschung völlig neue Perspektiven eröffnen.

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.

Grafische Darstellung eines Freie-Elektronen-Lasers: Aus einer Elektronenquelle und einem Beschleuniger kommend (links, dargestellt als kleiner Zylinder) fliegt ein Elektronenstrahl im Slalomkurs durch eine periodische Magnetstruktur (zwei lange Reihen von abwechselnden grünen und violetten Kästen oberhalb und unterhalb des Strahls). Darin erzeugt er Röntgenlicht, das als gelber Strahl dargestellt ist. Hinter der Magnetstruktur wird der Elektronenstrahl zur Seite in eine Elektronenfalle abgelenkt, während der Lichtstrahl geradeaus zu einem Experiment weitergeleitet wird.
Schema eines Freie-Elektronen-Röntgenlasers

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

Grafik: Ein Elektronenstrahl (rote Linie) tritt von links in eine periodische Magnetstruktur ein (abwechselnde grüne und violette Kästen oberhalb und unterhalb des Strahls). In dieser Magnetstruktur gerät er ins Schlingern. Dabei sendet er Licht aus (gelbe Schlangenlinien), das mit dem Elektronenstrahl überlappend nach rechts aus der Magnetanordnung herausfliegt. Anschließend wird der Elektronenstrahl in einen Elektronenabsorber abgelenkt, während der Laserstrahl geradeaus weitergeleitet wird.
Lichterzeugung im Undulator

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.

Diagramm, in dem nach oben die Strahlungsleitung im logarithmischen Maßstab aufgetragen ist, nach rechts die zurückgelegte Entfernung im Undulator. Die Kurve beginnt zunächst relativ flach bei null und steigt dann geradlinig an, bis sie rechts einen Sättigungswert erreicht. Über der Kurve ist die Form der Elektronenpakete schematisch dargestellt: Anfangs sind sie geformt wie langgezogene, homogene "Zigarren", danach wird daraus eine Aneinanderreihung von einzelnen "Scheibchen", die immer stärker ausgeprägt werden.
Microbunching beim selbstverstärkenden SASE-Effekt

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. Beim Röntgenlaser XFEL wird die Wellenlänge 400-mal kleiner sein.