Freie-Elektronen-Laser

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Schemaskizze des XFEL Freie-Elektronen-Lasers

Ein Freie-Elektronen-Laser (engl.: free-electron laser, kurz: FEL) ist eine Strahlungsquelle, die Synchrotronstrahlung mit sehr hoher Brillanz erzeugt.[1] 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 Sinne 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.[2]

Aufbau und Funktionsweise[Bearbeiten]

Der schematische Aufbau ist in der obigen Skizze gezeigt. Ein Elektronenstrahl wird in einem oder mehreren Beschleunigern auf relativistische Geschwindigkeit beschleunigt und anschließend in einen Undulator geleitet. Durch die sinusförmige Bewegung der Elektronen und durch die damit verbundene Kreisbeschleunigung werden hochenergetische Photonen emittiert, die als Synchrotronstrahlung bezeichnet werden.

Für eine gute Brillanz müssen die Elektronen in dem beschleunigten Teilchenpaket möglichst die gleiche Geschwindigkeit besitzen. Einen solchen Elektronenstrahl zu erzeugen ist komplex. Dies macht den Freie-Elektronen-Laser zu einer aufwändigen und teuren Anlage, die meistens in eine vorhandene Elektronenbeschleuniger-Anlage (wie beispielsweise DESY in Hamburg) integriert wird. Bei DESY z. B. sind mehrere Beschleuniger nötig, um einen Elektronenstrahl von 1,2 GeV Energie zu erhalten.

Im Undulator wird der Elektronenstrahl durch alternierend angeordnete Magnete in hin- und hergehende transversale Bewegung versetzt (engl. to undulate), wobei er Synchrotronstrahlung emittiert. Aufgrund der relativistischen Bewegung der Elektronen ist die Strahlung nahezu vollständig vorwärts entlang der Elektronenbahn gerichtet. Beim FEL wird der Undulator sehr lang gebaut, so dass 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 Wellenlänge \lambda_r des emittierten Lichts ist gegeben durch

\lambda_r = \frac{\lambda_u}{2 \gamma^2}\left(1+\frac{K^2}{2} \right),

mit \lambda_u der Periode des Undulators, dem Lorentzfaktor \gamma und dem sog. Undulator-Parameter  K . Dieser ist gegeben durch

 K = \frac{e B_0 \lambda_u}{2\pi m_e c} \approx 0.93 B_0[\mathrm{T}] \lambda_u[\mathrm{cm}] ,

mit dem Magnetfeld des Undulators B_0 . Der \gamma^{-2} Faktor entsteht dadurch, dass das Elektron einerseits einen um \gamma^{-1} lorentzkontrahierten Undulator sieht, andererseits das abgestrahlte Licht im Laborsystem um \gamma^{-1} dopplerverschoben ist.

Die Funktionsweise als Laser wird möglich durch den Microbunching-Effekt. Das Elektronenpaket wird durch Wechselwirkung mit der erzeugten Strahlung mikrostrukturiert, das heißt in dünne Scheiben unterteilt, die senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet sind. Der Abstand der Scheiben ist gleich der Wellenlänge, so dass alle Elektronen in dem Paket gleichzeitig kohärent emittieren können. Durch die phasenrichtige Emission der Strahlung addieren sich die Amplituden der einzeln erzeugten Wellen und nicht die Intensitäten, wie es bei zufälliger, nicht phasenrichtig emittierter Strahlung der Fall wäre. 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[Bearbeiten]

2006 gab es weltweit 21 Freie-Elektronen-Laser, 15 weitere Anlagen befanden 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 derzeit 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[3], ebenfalls am DESY) sollen auch den Röntgenbereich noch bis 0,05 nm abdecken. Solche Freie-Elektronen-Laser werden oft auch als Röntgenlaser bezeichnet.

Militärische Verwendung[Bearbeiten]

FEL-Technologie wurde von der US Navy als Kandidat zur Flugabwehr evaluiert. Bedeutende Fortschritte konnten bei der Anhebung der Leistung erzielt werden (der FEL der Thomas Jefferson National Accelerator Facility konnte über 14 kW Leistung demonstrieren) und es erscheint nun auch möglich, kompakte Multi-Megawatt-FEL-Waffen zu bauen. Am 9. Juni 2009 erklärte das Office of Naval Research den Abschluss eines Vertrages mit Raytheon über den Bau eines experimentellen 100 kW-FEL. Am 18. März 2010 erklärte Boeing Directed Energy Systems die Fertigstellung eines speziellen Designs für den maritimen Einsatz. Die Vorstellung eines vollständigen Prototyps ist für das Jahr 2018 terminiert.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Free Electron Lasers 2002, Proceedings of the 24th International Free Electron Laser Conference, and the 9th FEL Users Workshop, Argonne, Illinois, U.S.A., September 9 - 13, 2002.
  2. John Madey, Stimulated Emission of Bremsstrahlung in a Periodic Magnetic Field, J. Appl. Phys. 42, 1971.
  3. J. Schneider, R. Treusch, Ich sehe was, was Du nicht siehst - Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser, Artikel in der Anthologie von H. Müller-Krumbhaar und H.-F. Wagner (Hrsg.), Und Er würfelt doch!, Wiley-VCH, S. 494 - 507, November 2001, ISBN 978-3527403288.