Forschungsteam ebnet Weg zu kompakten und günstigen Freie-Elektronen-Lasern
Laser-Plasma-FEL könnte Engpass bei Forschungs-Messzeiten lösen
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Extrem kurze und intensive Lichtblitze sind begehrt, um Atome, Moleküle oder neue Materialien zu untersuchen. Freie-Elektronen-Laser (FEL) liefern diese Blitze. Doch die verfügbaren Messzeiten an den großen Nutzeranlagen weltweit sind rar, die Wartezeiten lang. Den hohen Bedarf könnten künftig kompakte Laser-Plasma-FEL decken. Sie ließen sich weit kostengünstiger bauen als heutige Großanlagen. Einen Schritt auf diesem Weg haben nun Forschende des HZDR und des Synchrotrons SOLEIL nahe Paris erreicht: Sie konnten einen Laser-Plasma-FEL erstmals stabil und reproduzierbar im sogenannten High-Gain-Regime betreiben – einem Betriebszustand mit besonders hoher Verstärkung der erzeugten Strahlung.
Im Undulator trifft der Elektronenstrahl aus einem kompakten Laser-Plasma-Beschleuniger auf einen Laserimpuls. Das Zusammenspiel verstärkt die erzeugte FEL-Strahlung und ermöglicht höhere Pulsenergien.
HZDR/Blaurock
„Stabilität – also Lichtblitze von konstant hoher Qualität über viele Stunden oder sogar Tage – ist für alle Experimente mit einem FEL extrem wichtig“, sagt Dr. Arie Irman vom HZDR-Institut für Strahlenphysik. Konventionelle Großanlagen erreichen diese Stabilität seit Langem. Bei Laser-Plasma-FEL war das bisher jedoch nicht der Fall. Nach jahrelanger Forschungsarbeit gelang es Irmans Team nun, dieses Problem zu lösen. Das Team erzeugte ultraviolette Lichtblitze mit einer Wellenlänge von 272 Nanometern und hoher Pulsenergie. Die FEL-Leistung zeigte dabei das für das High-Gain-Regime charakteristische exponentielle Wachstum. „Das stellt einen bedeutenden Fortschritt gegenüber unseren im Jahr 2023 veröffentlichten Ergebnissen dar“, ergänzt Irman.
Surfen auf der Plasmawelle
Grundsätzlich funktioniert ein Laser-Plasma-FEL ähnlich wie ein konventioneller Freie-Elektronen-Laser: Für die intensiven Lichtblitze benötigen die Forschenden zunächst hochenergetische Elektronen, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fliegen. Anschließend gelangen sie in einen sogenannten Undulator – eine Anordnung aus vielen Magneten, die die Elektronen auf eine schlingernde Bahn zwingt. Dabei ordnen sich die Elektronen zu winzigen Paketen an und senden intensive, kohärente Lichtblitze aus.
Bisher bedarf es großer Beschleuniger, um die Elektronen auf die nötige Energie zu bringen. Solche Beschleuniger können bis zu rund zwei Kilometer lang sein. „In einem Laser-Plasma-FEL lässt sich diese Strecke um etwa das Tausendfache verkürzen“, sagt Dr. Marie Labat vom Synchrotron SOLEIL. „Dabei surfen die Elektronen quasi auf einer Plasmawelle.“ Schon nach wenigen Millimetern erreichen sie Energien, für die ein konventioneller Beschleuniger viele Meter benötigt.
Stabilität als Schlüssel
Der Schlüssel zum Erfolg lag darin, die Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma präzise zu kontrollieren. Dazu nutzte das Team den HZDR- Hochleistungslaser DRACO. Seine Infrarotpulse erzeugten in einem millimeterdünnen Gasstrahl das benötigte Plasma. „Uns gelang es, den Laser exakt auf das Plasma abzustimmen“, sagt HZDR-Physikerin Dr. Susanne Schöbel. Das war alles andere als einfach, denn die Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma wird von schwer kontrollierbaren nichtlinearen Prozessen bestimmt. „Dank des gut kontrollierten Elektronenstrahls konnten wir mit unserem Undulator intensive ultraviolette Lichtblitze stabil und reproduzierbar erzeugen“. Ein charakteristisches Merkmal dafür ist das exponentielle Wachstum der Laserleistung, das das Team erstmals beobachtete.
Mit diesem Erfolg ist die Entwicklung jedoch noch nicht abgeschlossen. Durch eine weitere Optimierung der Laser-Plasma-Wechselwirkung und der Undulator-Strecke wollen die Forschenden die Qualität ihrer Lichtblitze weiter steigern. „Lichtblitze mit dieser ultravioletten Wellenlänge sind erst der Anfang“, sagt Irman. Als nächstes Ziel hat sein Team extrem ultraviolettes Licht (EUV) im Blick. Solche Strahlung könnte beispielsweise für eine effizientere Qualitätskontrolle nanostrukturierter Computerchips eingesetzt werden. Bis kompakte Laser-Plasma-FEL konventionelle Großanlagen ergänzen können, wird es zwar noch einige Jahre dauern. Das Interesse ist jedoch bereits groß.
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