Zusammenfassung:
Die Forschungsteams des Helmholtz Zentrums Rosendorf (HZDR) in Dresden, Deutschland, und des SOLEIL Synchrotron Radiation Centre in der Nähe von Paris, Frankreich, gaben kürzlich bekannt, dass ihnen ein wichtiger Durchbruch bei der Entwicklung einer neuen Generation kompakter Freie-Elektronen-Laser gelungen ist. Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, einen stabilen und reproduzierbaren Betrieb eines Laserplasma-Freie-Elektronen-Lasers in einem Betriebszustand mit hoher Verstärkung zu erreichen und damit den Weg für den Bau kleinerer und kostengünstigerer Freie-Elektronen-Lasergeräte in der Zukunft zu ebnen.
Freie-Elektronen-Laser sind ein wichtiges Werkzeug für die moderne wissenschaftliche Forschung. Sie können extrem kurze und hochintensive Lichtimpulse erzeugen und werden häufig zur Untersuchung von Atomen, Molekülen und neuen Materialien eingesetzt. Allerdings sind die meisten derzeitigen Freie-Elektronen-Laseranlagen auf der ganzen Welt groß und teuer, sodass den Forschern nur sehr wenig Zeit für Experimente zur Verfügung steht. Deshalb haben Forscher schon lange gehofft, kompaktere und wirtschaftlichere Alternativen zu entwickeln.
Herkömmliche Freie-Elektronen-Laser erfordern den Einsatz großer Beschleuniger mit einer Länge von bis zu zwei Kilometern, um Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Der Elektronenstrahl gelangt dann in einen Undulator aus Magneten, der bei kontinuierlicher Schwingung hochkohärente Impulse intensiven Lichts freisetzt.
Neue Laserplasma-Freie-Elektronen-Laser verfolgen einen völlig anderen Ansatz. Mithilfe von Lasern erzeugen Forscher spezielle Wellen im Plasma, die es den Elektronen ermöglichen, schnell wie beim Surfen auf den Plasmawellen zu „reiten“. Mit diesem Mechanismus kann das Energieniveau, das ursprünglich Hunderte oder sogar Tausende Meter Beschleunigungsstrecke erforderte, nun in nur wenigen Millimetern erreicht werden, und die Gesamtbeschleunigungsstrecke verkürzt sich um etwa das Tausendfache.
Trotz ihrer erheblichen Vorteile litt diese Technologie lange Zeit unter unzureichender Stabilität. Für wissenschaftliche Experimente muss die Laserleistung über Stunden oder sogar Tage hinweg von gleichbleibender Qualität sein, ein Standard, den Laserplasma-Freie-Elektronen-Laser in der Vergangenheit nur schwer erfüllen konnten.
Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt darin, dass es dem Forschungsteam gelungen ist, den Interaktionsprozess zwischen Laser und Plasma präzise zu steuern. Mit dem Hochleistungslasersystem DRACO des HZDR emittieren Wissenschaftler Infrarot-Laserpulse in einen nur wenige Millimeter dicken Gasstrom, erzeugen eine stabile Plasmaumgebung und passen die Laserparameter präzise an die Plasmabedingungen an.
Nach Abschluss der Beschleunigung wird der Elektronenstrahl zum Undulatorsystem geschickt. Die Forscher führten außerdem den Wechselwirkungsmechanismus zwischen Laserpulsen und Elektronenstrahlen ein, um die Intensität der Freie-Elektronen-Laserstrahlung zu erhöhen und eine höhere Energieabgabe zu erzielen.
Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass es dem Team gelang, hochenergetische ultraviolette Lichtimpulse mit einer Wellenlänge von 272 Nanometern zu erzeugen. Noch wichtiger ist, dass die Laserleistung zum ersten Mal die einzigartigen exponentiellen Wachstumseigenschaften des High-Gain-Zustands zeigte, was beweist, dass das System in einen Betriebsmodus mit starker Verstärkung eingetreten ist. Dieser Zustand gilt als wichtiges Zeichen für den Hochleistungsbetrieb von Freie-Elektronen-Lasern.
Die Forscher sagten, dass dieses Experiment im Vergleich zu den vom Team im Jahr 2023 veröffentlichten Ergebnissen erhebliche Verbesserungen erzielte. Laserplasma-Freie-Elektronen-Laser, deren stabiler und wiederholter Betrieb in der Vergangenheit nur schwer zu gewährleisten war, sind nun in der Lage, kontinuierlich und stabil Strahlung hoher Qualität zu erzeugen, was Möglichkeiten für praktische wissenschaftliche Forschungsanwendungen schafft.
Die wissenschaftliche Gemeinschaft geht allgemein davon aus, dass dieser Erfolg voraussichtlich die Miniaturisierung und Popularisierung der Freie-Elektronen-Lasertechnologie vorantreiben wird. Zukünftig müssen entsprechende Geräte nicht mehr in großen nationalen Laboren gebaut werden, sondern können auf einen Umfang reduziert werden, den sich Universitäten oder mittelgroße Forschungseinrichtungen leisten können, um so mehr wissenschaftlichen Forschungsteams mit fortschrittlichen Lichtquellen zu versorgen.
Die Forscher wiesen darauf hin, dass das aktuelle System immer noch Lichtquellen im ultravioletten Band produziert, aber durch weitere Verbesserungen und Optimierungen in der Zukunft wird erwartet, dass die Wellenlänge auf weniger als 100 Nanometer verkürzt wird. Bis dahin wird dieser Typ kompakter Freie-Elektronen-Laser einen größeren Anwendungswert in Bereichen wie Materialwissenschaften, Beobachtung chemischer Reaktionen, biomedizinischer Forschung und Nanotechnologie haben.
Dieses Ergebnis wurde in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht und gilt als wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der Miniaturisierung von Freie-Elektronen-Lasern. Es bietet auch eine realistische Grundlage für den zukünftigen Bau wirtschaftlicherer und einfacher zu implementierender fortschrittlicher Lichtquellenanlagen.
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