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Was ist ein Freie-Elektronen-Laser (FEL)?

Der Freie-Elektronen-Laser (kurz: FEL) ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die kohärente Strahlung mit sehr hoher Brillanz erzeugt. Als kohärent wird Strahlung bezeichnet, deren Bestandteile (Wellenpakete) in festen Beziehungen zueinander schwingen. Aufgrund der Kohärenz der Strahlung wird der FEL als Laser bezeichnet. 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 FLASH (Free-Electron Laser in Hamburg) am DESY in UV-Bereich (6 bis 30 nm) und der European XFEL in Schenefeld und Hamburg decken den Röntgenbereich bis 0,05 nm ab. Solche Freie-Elektronen-Laser werden oft als Röntgenlaser bezeichnet.

Der erste Teil eines Freie-Elektronen-Lasers besteht aus einem Teilchenbeschleuniger, in dem Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Im zweiten Teil werden die Elektronen in speziellen Magnetfeldanordnungen (so genannten Undulatoren) auf einen Slalomkurs gebracht und geben dabei Strahlung ab. Diesen Aufbau haben FELs mit konventionellen modernen Synchrotronstrahlungsquellen gemeinsam. Der Trick bei einem FEL ist nun, die Elektronen auf ihrem Weg durch das Magnetfeld des Undulators mit einer Strahlung wechselwirken zu lassen, die genau die gleiche Wellenlänge hat wie die Strahlung, die die Elektronen aussenden. Dann entsteht ein FEL, der um ein Vielfaches intensiver leuchtet.

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 Strahlung ausgerichteten Abstand, der gleich der Wellenlänge ist, so dass alle Elektronen in dem Paket gleichzeitig kohärent strahlen können.

Die Wellenlänge eines FEL kann durchgestimmt werden, indem die Energie der Elektronen variiert wird. Moderne FEL liefern kohärente Strahlung hoher Intensität bis in den Röntgenbereich.

Quellen: Wikipedia / Welt der Physik