Neuer Weg zu kompakten und günstigen Freie-Elektronen-Lasern

Extrem kurze und intensive Lichtblitze bilden das Fundament moderner Analytik zur Untersuchung von Atomstrukturen, Moleküldynamiken und neuartigen Materialien. Hochbrillante Freie-Elektronen-Laser (FEL) stellen diese Strahlung bereit, jedoch sind Messzeiten an den weltweiten Großnutzeranlagen stark limitiert. Kompakte Laser-Plasma-FEL bieten hierzu eine kostengünstige, dezentrale Alternative. Forschungsteams des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des Synchrotrons SOLEIL erzielten nun einen entscheidenden Durchbruch: Sie demonstrierten erstmals den stabilen und reproduzierbaren Betrieb eines Laser-Plasma-FEL im High-Gain-Regime, das durch eine exponentielle Verstärkung der Strahlungsleistung gekennzeichnet ist.

„Stabilität – also Lichtblitze von konstant hoher Qualität über viele Stunden oder sogar Tage – ist für alle Experimente mit einem FEL extrem wichtig“, sagt Dr. Arie Irman vom HZDR-Institut für Strahlenphysik. Konventionelle Großanlagen erreichen diese Stabilität seit Langem. Bei Laser-Plasma-FEL war das bisher jedoch nicht der Fall. Nach jahrelanger Forschungsarbeit gelang es Irmans Team nun, dieses Problem zu lösen. Das Team erzeugte ultraviolette Lichtblitze mit einer Wellenlänge von 272 Nanometern und hoher Pulsenergie. Die FEL-Leistung zeigte dabei das für das High-Gain-Regime charakteristische exponentielle Wachstum. „Das stellt einen bedeutenden Fortschritt gegenüber unseren im Jahr 2023 veröffentlichten Ergebnissen dar“, ergänzt Irman.

Plasmabasierte Elektronenbeschleunigung im Millimeterbereich

Das Funktionsprinzip entspricht im Grundsatz konventionellen Systemen: Relativistische Elektronen werden in einem periodischen Magnetfeld (Undulator) auf eine transversale Schlingerbahn gezwungen. Durch Microbunching-Effekte emittiert das Elektronenpaket kohärente, hochintensiv verstärkte Strahlung.

Der entscheidende Vorteil der Laser-Plasma-Technologie liegt in der Beschleunigungsstrecke. Während klassische Hochfrequenzbeschleuniger Strecken von bis zu zwei Kilometern benötigen, generiert die feldstarke Plasmawelle die erforderlichen Teilchenenergien bereits auf wenigen Millimetern. „In einem Laser-Plasma-FEL lässt sich diese Strecke um etwa das Tausendfache verkürzen“, sagt Dr. Marie Labat. „Dabei surfen die Elektronen quasi auf einer Plasmawelle.“

Präzise Prozesskontrolle der Laser-Plasma-Wechselwirkung

Die methodische Herausforderung bestand in der Beherrschung der nichtlinearen Plasma-Dynamik. Unter Einsatz des Hochleistungslasers DRACO wurden Infrarotpulse in einen millimeterdünnen Gasstrahl eingekoppelt, um ein hochhomogenes Plasma zu erzeugen. „Uns gelang es, den Laser exakt auf das Plasma abzustimmen“, sagt Dr. Susanne Schöbel. Das war alles andere als einfach, denn die Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma wird von schwer kontrollierbaren nichtlinearen Prozessen bestimmt. „Dank des gut kontrollierten Elektronenstrahls konnten wir mit unserem Undulator intensive ultraviolette Lichtblitze stabil und reproduzierbar erzeugen“.

Ausblick auf extrem-ultraviolette Strahlung (EUV) und industrielle Analytik

Ziel folgender Entwicklungsstufen ist die Optimierung des Undulator-Parameters sowie der Strahlgeometrie zur Erschließung kürzerer Wellenlängenbereiche. „Lichtblitze mit dieser ultravioletten Wellenlänge sind erst der Anfang“, sagt Irman. Die Erzeugung extrem-ultravioletter Strahlung (EUV) eröffnet unmittelbare Anwendungsperspektiven, etwa in der hochauflösenden Metrologie und Defektanalyse nanostrukturierter Halbleiterbauelemente.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (09/2026)