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Der Freie-Elektronen-Laser (kurz: FEL) ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die kohärente Strahlung mit sehr hoher Brillanz erzeugt. Aufgrund der Kohärenz der Strahlung und der Strahlungserzeugung durch stimulierte Emission wird er als Laser bezeichnet. Zentrale Komponenten sind ein Teilchenbeschleuniger und ein sehr langer Undulator, in dem relativistische Elektronenpakete die Strahlung emittieren. Diese Komponenten machen den Freie-Elektronen-Laser zu einer aufwändigen und teuren Anlage, die meistens in eine vorhandene Großforschunganlage (wie beispielsweise dem DESY in Hamburg) integriert wird. Weltweit gibt es zur Zeit (2006) 21 Freie-Elektronen-Laser, 15 weitere Anlagen befinden sich in Bau oder Planung (z.B. am BESSY II in Berlin-Adlershof). Freie-Elektronen-Laser decken prinzipiell große Teile des spektralen Bereichs ab, sind aber auf einen bestimmten Bereich optimiert. So arbeitet der Particle Physics Lab FEL in Dubna im Millimeterbereich, der TESLA am DESY in UV-Bereich (minimal einige 10 nm). Im Bau befindliche Freie-Elektronen-Laser (z.B. der European X-ray FEL, ebenfalls am DESY) sollen auch den Röntgenbereich bis 0.1 nm abdecken. Solche Freie-Elektronen-Laser werden oft als Röntgenlaser bezeichnet.
Funktionsweise
FEL.png Im Undulator wird der Elektronenstrahl durch alternierend angeordnete Magnete in hin-und-hergehende transversale Bewegung versetzt (wiggle), wodurch jedes einzelne Elektron elektromagnetische Strahlung analog zur Synchrotronstrahlung erzeugt. Aufgrund der relativistischen Bewegung der Elektronen ist die Strahlung vollständig vorwärts entlang der Elektronenbahn gerichtet. Daher ist die Wechselwirkung der Elektronen mit dem ausgesendeten Licht sehr wichtig. Der Abstand der Magnete und die Geschwindigkeit der Elektronen werden so aufeinander abgestimmt, dass die Lichtwellen, die an jedem einzelnen Magneten abgegeben werden, konstruktiv interferieren.
Dabei nutzt man den Microbunching-Effekt aus, der dafür sorgt, dass eine Mikrostrukturierung des Elektronenpaketes durch die Wechselwirkung mit der erzeugten Laserstrahlung entsteht. Das Elektronenpaket wird in dünne Scheiben strukturiert, die senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet sind. Diese Scheiben haben einen genau auf die emitierte Strahlung ausgerichteten Abstand, der gleich der Wellenlänge ist, so dass alle Elektronen in dem Paket gleichzeitig kohärent emitieren können.
Die Wellenlänge eines FEL kann durchgestimmt werden, indem die Energie der Elektronen variiert wird. Zukünftige FEL sollen kohärente Strahlung hoher Intensität bis in den Röntgenbereich liefern.
Weblinks
- Das europäische Röntgenlaserprojekt XFEL
- XFEL - Einführung Röntgenlaserlicht durch Selbstverstärkung
- Forschungszentrum Rossendorf Freie-Elektronen Laser der Strahlungsquelle ELBE
- Einführung in den Freie-Elektronen Laser der Strahlungsquelle ELBE
- The World Wide Web Virtual Library: Free Electron Laser research and applications (englisch)
- Der freie Elektronenlaser bei BESSY 2 in Berlin-Adlershof
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