Hochleistungslaser für ultraviolettes Licht

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.

TESLA steht für TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator, also supraleitender linearer Beschleuniger für Tera-Elektronenvolt-Energien. Dahinter verbirgt sich ein 33 Kilometer langer, in internationaler Zusammenarbeit entwickelter Linearbeschleuniger, in dem Elektronen auf ihre Antiteilchen, die Positronen, stoßen sollen. Das Besondere an der neuen Anlage: Ein Beschleuniger ermöglicht Teilchenkollisionen mit höchster Energie und dient gleichzeitig als Quelle für intensive und extrem kurze Röntgenblitze mit Lasereigenschaften. Die TESLA-Röntgenlaser eröffnen neue Forschungsperspektiven für ganz verschiedene Fachgebiete – von der Physik über die Chemie, Biologie und Materialforschung bis hin zur Medizin. Mit einer Entscheidung über das TESLA-Projekt wird ab Sommer 2002 gerechnet. TESLA soll als internationales Zentrum gegründet und betrieben werden. Nach seiner Genehmigung und dem Ablauf des Planfeststellungsverfahrens könnte TESLA nach etwa achtjähriger Bauzeit den Betrieb Anfang des nächsten Jahrzehnts aufnehmen.