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Neuer Hochleistungslaser für ultraviolettes Licht
20.09.2001
Kürzlich gelang es einem internationalen Wissenschaftlerteam beim Forschungszentrum DESY, die maximale Lichtverstärkung an
einem "Freie-Elektronen-Laser" (FEL) für ultraviolette Strahlung zu erreichen. Der Elektronenlaser erreicht eine Lichtverstärkung
von 10 Millionen - das entspricht der theoretisch erwarteten Höchstleistung für eine solche Anlage und einem neuen Weltrekord:
Gegenüber den besten bisherigen Lichtquellen, die im Bereich der extrem harten ultravioletten Strahlung für die Forschung zur
Verfügung stehen, hat der neue Laser eine tausendfach höhere Spitzenleuchtstärke.
Der Freie-Elektronen-Laser bei DESY erzeugt ultraviolettes Laserlicht mit Wellenlängen zwischen 80 und 180 Nanometern (Millionstel
Millimetern), das sind die kürzesten Wellenlängen, die je ein FEL erzeugt hat. Die maximale Lichtverstärkung ("Sättigung") gelang bei einer
Wellenlänge von 98 Nanometern. Der Forschung wird damit eine neue, extrem leistungsfähige Lichtquelle zur Verfügung gestellt. Außerdem
ist dieser Nachweis ein entscheidender Meilenstein auf dem Weg zu einem Röntgenlaser, der derzeitig im Rahmen des TESLA-Projekts in
internationaler Zusammenarbeit beim Forschungszentrum DESY in Hamburg entwickelt und geplant wird.
Die spektakulären Ergebnisse wurden mit einem Freie-Elektronen-Laser erzielt, der zurzeit an einer Testanlage für TESLA bei DESY
betrieben wird. Dabei wird das intensive Laserlicht nach einem neuartigen Prinzip erzeugt: Elektronen werden in einem supraleitenden
Teilchenbeschleuniger auf hohe Energien gebracht, fliegen anschließend im Slalomkurs durch eine besondere Magnetanordnung und senden
dabei laserartig gebündelte Strahlung aus. Der Verstärkertrick: Die Elektronen und die Strahlungsblitze beeinflussen einander auf ihrem Weg
durch die 15 m lange Magnetstruktur - und zwar so, dass die zu winzigen Päckchen gebündelten Elektronen immer dichter zusammengedrängt
werden und immer intensiver strahlen - ein sich selbst verstärkender Effekt. Er wiederholt sich so oft, bis sämtliche Elektronen im Gleichtakt
schwingen. Das von ihnen ausgesandte Licht überlagert sich zu extrem intensiven Laserblitzen. Dies ist das SASE-Prinzip - "Self-Amplified
Spontaneous Emission", die selbstverstärkte spontane Emission. Das Besondere am SASE-Prinzip ist, dass es im Gegensatz zu
herkömmlichen Lasern nicht auf bestimmte Wellenlängen beschränkt ist. Die Beschleunigung der Elektronen muss nur entsprechend der
gewünschten Wellenlänge eingestellt werden. An dem Freie-Elektronen-Laser bei DESY hat sich nun erstmalig gezeigt, dass dieser
selbstverstärkende Effekt auch tatsächlich zu der theoretisch berechneten millionenfachen Lichtverstärkung im Ultravioletten führt. Dass das
Prinzip für sichtbares Licht mit ähnlich hohen Verstärkungsfaktoren funktioniert, hatten Institute in den USA bereits im letzen Jahr gezeigt. Bei
DESY haben jetzt die ersten Wissenschaftlergruppen damit begonnen, die konkurrenzlose Lichtquelle für ihre Forschung zu verwenden. Dazu
DESY-Forschungsdirektor Prof. Jochen Schneider: "Verglichen mit den besten Synchrotronstrahlungsquellen, an denen wir heute unsere
Forschungsarbeiten durchführen, ist unser Freie-Elektronen-Laser millionenfach besser".
In etwa einem Jahr wird die derzeitige Testanlage zu einem 300 Meter langen Freie-Elektronen-Laser für Wellenlängen bis hinunter zu sechs
Nanometern ausgebaut, dem Bereich der "weichen" Röntgenstrahlung. Diese einzigartige Lichtquelle wird dann Wissenschaftlern aus aller
Welt für ihre Experimente zur Verfügung stehen. Gleichzeitig dient sie als Pilotanlage für das Zukunftsprojekt TESLA, bei dem die neuartige
SASE-Technologie zur Erzeugung noch kleinerer Wellenlängen genutzt werden soll.
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