Freie-Elektronen-Laser

Schemaskizze des XFEL Freie-Elektronen-Lasers

Ein Freie-Elektronen-Laser (kurz: FEL) ist eine Strahlungsquelle, die Synchrotronstrahlung mit sehr hoher Brillanz erzeugt. Da freie Elektronen kontinuierliche Energieniveaus besitzen, ist die Wellenlänge des emittierten Lichtes konzeptionell nicht begrenzt. Aufgrund der Kohärenz dieser Strahlung und der Abhängigkeit der Verstärkung von der vorhandenen Photonenanzahl wird der FEL als Laser bezeichnet. Im Gegensatz zu konventionellen Lasern besitzt er jedoch kein laseraktives Medium, in dem Besetzungsinversion herrscht. Daher findet auch keine stimulierte Emission statt. Zentrale Komponenten eines FELs sind die Elektronenquelle, in der Regel ein Teilchenbeschleuniger, und ein Wechselwirkungsbereich, in dem ein Teil der Bewegungsenergie der Elektronen in Photonen umgesetzt wird. Das geschieht gewöhnlich durch ein alternierendes Magnetfeld (Undulator), das die Elektronen zwingt, eine transversale Bewegung durchzuführen, wodurch Synchrotronstrahlung emittiert wird. Die Photonenerzeugung kann jedoch auch durch einen Hohlleiter induziert werden, der mit einem Dielektrikum beschichtet ist (Tscherenkow-FEL). Im weitesten Sinnen können auch die ersten kohärenten Strahlungsquellen, Wanderfeldröhren und Magnetrons als Freie-Elektronen-Laser aufgefasst werden. Im weiteren wird die Funktion eines FEL erläutert, der einen Undulator zur Strahlungserzeugung verwendet.

Der FEL wurde Anfang der 1970er Jahre durch John Madey an der Stanford University erfunden und ein Prototyp gebaut.

Aufbau und Funktionsweise

Der schematische Aufbau ist in der obigen Skizze gezeigt. Zunächst muss ein Elektronenstrahl erzeugt werden. Dieser wird dann üblicherweise in einem oder mehreren Beschleunigern auf eine relativistische Geschwindigkeit beschleunigt. Diese relativistischen Elektronen werden dann in den Undulator injiziert, in dem durch die sinusförmige periodische Bewegungsrichtung der Elektronen die Synchrotronstrahlung erzeugt wird.

Die Elektronen in einem FEL besitzen wie oben beschrieben in der Regel relativistische Geschwindigkeiten. Zudem muss der Elektronenstrahl eine sehr gute Qualität besitzen, was bedeutet, dass die Elektronen möglichst alle die gleiche Geschwindigkeit besitzen. Solch einen Elektronenstrahl zu erzeugen ist äußerst komplex. Dies macht den Freie-Elektronen-Laser zu einer aufwändigen und teuren Anlage, die meistens in eine vorhandene Großforschungsanlage (wie beispielsweise das DESY in Hamburg) integriert wird. Im DESY z.B. sind mehrere Beschleuniger nötig, um letztendlich einen Elektronenstrahl von 1.2 GeV Energie zu erhalten.

Im Undulator wird dieser Elektronenstrahl dann 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, sodass 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. Dadurch wird kohärente Strahlung hoher Brillanz erzeugt.

Die Wellenlänge eines FEL kann durchgestimmt werden, indem die Energie der Elektronen oder das Magnetfeld des Undulators variiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern ist der Durchstimmbereich prinzipiell nicht begrenzt, da freie Elektronen keine festen Energieniveaus besitzen. Allerdings begrenzen technische Faktoren den Durchstimmbereich.

Verbreitung

Weltweit gibt es zurzeit (2006) 21 Freie-Elektronen-Laser, 15 weitere Anlagen befinden sich in Bau oder Planung. 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 (4.12 bis 30 nm). Die zurzeit kurzwelligste Strahlung emittiert die Linac Coherent Light Source in Stanford (USA) mit 0,15 nm. Zukünftige Freie-Elektronen-Laser (z. B. der European X-ray FEL, ebenfalls am DESY) sollen auch den Röntgenbereich noch bis 0,1 nm abdecken. Solche Freie-Elektronen-Laser werden oft auch als Röntgenlaser bezeichnet.

Weblinks

• Freie Elektron Laser Bestimmung_Strahlparameter_am_FEL (PDF-Datei; 1,19 MB)
• Entwicklung eines Table-Top FEL mit laserbeschleunigten Elektronen an der LMU / MPQ (englisch)
• XFEL - Einführung Röntgenlaserlicht durch Selbstverstärkung
• Freie-Elektronen Laser der Strahlungsquelle ELBE im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
• 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
• Internetseite der Linac Coherent Light Source