FreieElektronenLaser

Freie Elektronenlaser (FEL) sind eine Klasse von Lasern, die coherente elektromagnetische Strahlung erzeugen, indem ein relativistischer Elektronenstrahl durch ein periodisches Magnetgitter, das Undulator oder Wiggler, geleitet wird. Im Gegensatz zu konventionellen Lasern erzeugen freie Elektronen die Strahlung aus der kinetischen Energie freier Elektronen, nicht aus Transitionszuständen in einem festen Medium.

Wie sie funktionieren: Ein Elektronenstrahl aus einem Linearbeschleuniger wird durch den Undulator geführt, wobei der sich periodisch ändernde Magnetfluss die Elektronen zu Oszillationen zwingt und sie elektromagnetische Wellen abstrahlen. Das emittierte Feld moduliert den Strahl, was zu Mikrobauschenkung führt und eine Verstärkung der Strahlung ermöglicht. In der Regel wird die Verstärkung durch Selbstverstärkungs-Emission (SASE) realisiert; FELs kann man im SASE-Modus betreiben oder bereits vorgesehene Quellen verwenden (Seeded FEL) für bessere Kohärenz.

Spektrum und Eigenschaften: FELs decken ein breites Spektrum ab, von Millimeter- bis hin zu hartem Röntgenbereich; die Wellenlänge wird durch Elektronenenergie, Undulatorperiode und Undulatorstärke bestimmt. Pulsdauern reichen vom Femtosekundenbereich; hohe Spitzenleistungen und räumliche Kohärenz sind charakteristisch.

Bedeutende Anlagen und Anwendungen: Zu den großen Einrichtungen zählen DESYs FLASH, das European XFEL in Hamburg, das Linac Coherent Light Source (LCLS) in Kalifornien und SACLA in Japan. FELs liefern Werkzeuge für Strukturbiologie, Chemie, Materialwissenschaften und die Physik intensiver Licht-Materie-Wechselwirkungen; Vorteile sind Tunbarkeit und extrem kurze Pulse; Herausforderungen umfassen Stabilität, Synchronisation, Komplexität und Kosten.

Geschichte: Der Begriff und das Konzept gehen auf John Madey (1970er Jahre) zurück; das erste FEL wurde 1976–77 demonstriert. Seitdem haben FELs weltweit die Forschung in den genannten Bereichen stark geprägt.