Freie-Elektronen-Laser
Der Freie-Elektronen-Laser ist eine Sonderform und kein klassischer Laser in dem Sinne, dass er Licht durch stimulierte Emission erzeugt. Er ist eine Synchrotronstrahlungsquelle und emittiert Strahlung im Mikrowellenbereich bis in den Röntgenbereich aus der Energie eines Elektronenstrahls. Da aber die emittierte Strahlung die gleichen Eigenschaften wie Laserlicht aufweist, wird er auch als Laser bezeichnet.
Aufbau
Der schematische Aufbau ist in der Skizze gezeigt. Ein Elektronenpaket 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.
Funktionsweise
Für eine hohe Brillanz der emittierten Strahlung müssen die Elektronen im Teilchenpaket eine möglichst geringe Energiestreuung, eine kleine Emittanz und einen hohen Spitzenstrom besitzen. Ein solches Elektronenpaket zu erzeugen ist komplex, da aufgrund der gegenseitigen Coulomb-Abstoßung der Elektronen ein Teilchenpaket mit dem benötigten Spitzenstrom nicht direkt in der Teilchenquelle des Beschleunigers generiert werden kann. Stattdessen wird zunächst ein Elektronenpaket mit kleinem Strom erzeugt, welches sofort auf ultrarelativistische Energien beschleunigt wird, um dann longitudinal komprimiert zu werden. Diese Kompression verkürzt das Elektronenpaket und erhöht im gleichen Maße den Spitzenstrom, was aufgrund der durch relativistische Effekte jetzt stark reduzierten Coulombabstoßung möglich ist. Bei Bedarf wird diese Abfolge aus Beschleunigung und Kompression mehrfach wiederholt (bis zu dreimal bei Röntgen-FELs), was Freie-Elektronen-Laser zu einer aufwändigen und teuren Anlage macht. Bei FLASH z. B. wird das Elektronenpaket vor der ersten Kompression zunächst auf 145 MeV beschleunigt, wird dann auf ca. 450 MeV weiterbeschleunigt und nochmals komprimiert. Abschließend wird der jetzt fertig komprimierte Strahl auf die Endenergie (maximal rund 1,2 GeV) beschleunigt.
Beim FEL wird der Undulator sehr lang gebaut, so dass es zu einer Wechselwirkung zwischen der emittierten Strahlung und dem Elektronenpaket kommt. Das Elektronenpaket wird durch Wechselwirkung mit der erzeugten Strahlung mikrostrukturiert, das heißt in dünne Scheiben unterteilt, die senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet sind. Der Abstand dieser 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, wobei der Durchstimmbereich prinzipiell nicht begrenzt ist. Allerdings begrenzen technische Faktoren wie die verfügbaren Elektronenenergien und der Abstimmbereich des Undulatormagnetfeldes den Durchstimmbereich.
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