Freie-Elektronen-Laser

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Freie-Elektronen-Laser (FEL) ist eine Strahlungsquelle, die Synchrotronstrahlung mit sehr hoher Brillanz erzeugt. Brillanz beschreibt dabei die starke Bündelung und Intensität der Strahlung. Weil freie Elektronen keine festen Energieniveaus besitzen, lässt sich die Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung kontinuierlich einstellen. Bereits 2017 waren Wellenlängen von weniger als 1 Ångström möglich.

Die Bezeichnung „Laser“ bezieht sich auf die Kohärenz der Strahlung und darauf, dass die Verstärkung von der vorhandenen Photonenzahl abhängt. Kohärent bedeutet, dass die ausgesendeten Wellen eine feste Phasenbeziehung besitzen. Anders als ein konventioneller Laser hat ein FEL jedoch kein laseraktives Medium mit Besetzungsinversion; daher findet auch keine stimulierte Emission statt.

Die wichtigsten Bestandteile sind eine Elektronenquelle, gewöhnlich ein Hochenergie-Teilchenbeschleuniger, und ein Wechselwirkungsbereich. Dort wird ein Teil der Bewegungsenergie der Elektronen in Photonen umgewandelt. Meist geschieht dies in einem Undulator, einem System aus abwechselnd ausgerichteten Magneten. Alternativ kann ein dielektrisch beschichteter Hohlleiter die Strahlung erzeugen; diese Bauart heißt Tscherenkow-FEL. Der FEL wurde Anfang der 1970er Jahre von John Madey an der Stanford University erfunden und als Prototyp gebaut.

Elektronenstrahl und Undulator

Zunächst wird ein Elektronenpaket in einem oder mehreren Beschleunigern auf relativistische, also annähernd lichtschnelle Geschwindigkeit gebracht. Anschließend durchläuft es den Undulator. Dessen Magnetfeld zwingt die Elektronen auf eine periodische, transversale Bewegung quer zur Flugrichtung. Wegen der damit verbundenen Beschleunigung senden die Elektronen hochenergetische Photonen als Synchrotronstrahlung aus.

Für hohe Brillanz muss das Elektronenpaket eine geringe Energiestreuung, eine kleine Emittanz und einen hohen Spitzenstrom besitzen. Die Emittanz kennzeichnet vereinfacht, wie stark Positionen und Bewegungsrichtungen der Elektronen im Strahl voneinander abweichen. Wegen ihrer gegenseitigen Coulomb-Abstoßung können Elektronen mit dem erforderlichen Spitzenstrom nicht unmittelbar als dichtes Paket erzeugt werden. Deshalb erzeugt man zunächst ein Paket mit kleinem Strom, beschleunigt es sofort auf ultrarelativistische Energie und komprimiert es danach in Längsrichtung. Die Kompression verkürzt das Paket und steigert den Spitzenstrom im gleichen Maß. Bei diesen hohen Energien ist die Coulomb-Abstoßung durch relativistische Effekte stark reduziert.

Diese Folge aus Beschleunigung und Kompression kann wiederholt werden, bei Röntgen-FELs bis zu dreimal. Das macht die Anlagen technisch aufwendig und teuer. Beim FEL FLASH wird das Paket beispielsweise vor der ersten Kompression auf 145 MeV beschleunigt, danach auf etwa 450 MeV gebracht und erneut komprimiert. Schließlich erreicht der fertig komprimierte Strahl eine Endenergie von maximal rund 1,2 GeV.

Wellenlänge, Frequenz und Abstimmung

Die Wellenlänge λᵣ des ausgesendeten Lichts ist gegeben durch

λᵣ = (λᵤ/(2γ²)) · (1 + K²/2).

Dabei ist λᵤ die Periode des Undulators, γ der Lorentz-Faktor und K der dimensionslose Undulator-Parameter. Für ihn gilt

K = eB₀λᵤ/(2πmₑc) ≈ 0,93 B₀[T] λᵤ[cm],

wobei B₀ das Magnetfeld des Undulators bezeichnet. Der Faktor 1/(2γ²) entsteht aus zwei relativistischen Effekten: Das Elektron nimmt die Undulatorperiode um γ⁻¹ lorentzkontrahiert wahr, und das ausgesendete Licht wird im Laborsystem näherungsweise um (2γ)⁻¹ dopplerverschoben.

Unter Berücksichtigung des Korrekturfaktors beträgt die Frequenz

fᵣ = c/λᵣ = (c/λᵤ)γ · √(1−β²)/(1−β² cos θ),

mit β = v/c. Der letzte Faktor beschreibt den relativistischen Doppler-Effekt der Dipolstrahlung in Richtung des Winkels θ. Da sich die Elektronen relativistisch schnell bewegen, wird die Strahlung fast vollständig nach vorn entlang ihrer Bahn ausgesendet. Dieses relativistische Beaming erlaubt die Näherung θ → 0 beziehungsweise cos(θ) → 1.

Die Wellenlänge lässt sich verändern, indem die Elektronenenergie oder das Magnetfeld des Undulators variiert wird. Prinzipiell ist der Durchstimmbereich nicht begrenzt; praktisch setzen die erreichbaren Elektronenenergien und der Abstimmbereich des Undulatormagnetfeldes Grenzen.

Kohärente Verstärkung

Der Undulator eines FEL ist so lang, dass die erzeugte Strahlung mit dem Elektronenpaket wechselwirkt. Dadurch wird das Paket mikrostrukturiert: Die Elektronen ordnen sich in dünnen, senkrecht zur Flugrichtung liegenden Scheiben an. Ihr Abstand entspricht der Wellenlänge der Strahlung. So können die Elektronen gleichzeitig und phasenrichtig, also kohärent, abstrahlen.

Bei kohärenter Emission addieren sich die Amplituden der einzelnen Wellen. Bei zufälliger, nicht phasenrichtiger Strahlung würden sich dagegen nur die Intensitäten addieren. Deshalb wächst die Intensität beim FEL proportional zum Quadrat der Zahl der abstrahlenden Elektronen und nicht nur linear. Auf diese Weise entsteht Strahlung mit sehr hoher Brillanz.

Ein freies Elektron kann nicht unmittelbar mit einem Photon wechselwirken, weil Energie- und Impulserhaltung dabei nicht gleichzeitig erfüllt wären. Im FEL wird der Energietransfer dennoch durch Phasenanpassung ermöglicht. Das elektrische Feld der entlang des Undulators laufenden Strahlung liegt parallel zur Schwingungsbewegung der Elektronen und kann diese beschleunigen oder abbremsen. Nach einer Undulatorperiode sind die etwas langsameren Elektronen gegenüber dem Licht um eine optische Wellenlänge zurückgefallen. Dadurch wirkt wiederholt eine passende Komponente des elektrischen Feldes auf sie.

Je nach Phasenlage werden manche Elektronen beschleunigt und andere abgebremst. Dies führt zur Gruppierung der Ladungsträger und damit zur kohärenten Abstrahlung. Da sowohl Energie von den Elektronen auf die Strahlung übertragen werden kann als auch umgekehrt, stehen Verstärkung und Absorption einander gegenüber. In der Praxis wird die Bedingung „Verstärkung größer als Verluste“ erreicht, indem die kinetische Energie der Elektronen entlang ihrer Ausbreitungsrichtung im Undulator leicht erhöht wird.

Anlagen und Spektralbereiche

Im Jahr 2006 gab es weltweit 21 Freie-Elektronen-Laser; 15 weitere Anlagen waren im Bau oder in Planung. FELs können grundsätzlich große Teile des elektromagnetischen Spektrums abdecken, einzelne Anlagen sind jedoch jeweils für einen bestimmten Bereich optimiert.

Der Particle Physics Lab FEL in Dubna arbeitet im Millimeterbereich. FLASH, der „free-electron laser in Hamburg“ am DESY, erzeugt UV-Strahlung mit Wellenlängen von 4,12 bis 30 nm. Die im Artikel als kurzwelligste bezeichnete Strahlung entsteht am European XFEL, dessen Injektor sich ebenfalls am DESY in Hamburg befindet. Er erreicht 0,05 nm, entsprechend einer Photonenenergie von 25 keV. Mit diesen sehr kurzen Röntgenblitzen lassen sich selbst atomare Details erkennen.

Militärische Erprobung

Die US Navy untersuchte die FEL-Technologie als mögliches System zur Flugabwehr. Bei der Leistung wurden deutliche Fortschritte erzielt: Der FEL der Thomas Jefferson National Accelerator Facility demonstrierte mehr als 14 kW. Nach Einschätzung des Artikels erschienen damit auch kompakte FEL-Waffen im Multi-Megawatt-Bereich möglich.

Am 9. Juni 2009 meldete das Office of Naval Research einen Vertrag mit Raytheon über den Bau eines experimentellen FEL mit 100 kW. Am 18. März 2010 erklärte Boeing Directed Energy Systems, ein spezielles Design für den Einsatz auf See fertiggestellt zu haben. Die Vorstellung eines vollständigen Prototyps war für 2018 vorgesehen.