Die SwissFEL-Anlage: Laserlicht durch lawinenartige Verstärkung

Das Röntgenlicht des SwissFEL wird die Eigenschaften von Laserlicht haben. Licht ist von seiner Natur her eine Welle – und das Licht, mit dem wir im Alltag meist zu tun haben, besteht aus vielen unkoordinierten Wellen – Fachleute sagen, es ist nicht kohärent. Laserlicht hingegen ist kohärent – seine Wellen sind in Phase. Das heisst, dass die Wellenberge aller Wellen zusammenfallen und die Wellentäler auch. Diese koordinierte Schwingung macht die Stärke des Laserlichts aus, denn so wirken alle Anteile des Lichts zusammen, und das Licht kann die maximale Wirkung entfalten – so wie mehrere Personen eine Schaukel am besten in Schwingung versetzen, wenn sie sie gleichzeitig in die gleiche Richtung stossen.

Am SwissFEL wird das Röntgenlicht von Elektronen auf ihrem Weg durch den Undulator ausgesandt. Zunächst kommen die Elektronen aus dem Beschleuniger in langgezogenen Paketen an. Auf dem Weg durch den Undulator senden die Elektronen dann Röntgenlicht aus und – das ist das Besondere an einem Freie-Elektronen-Laser – das Licht wirkt auf die Elektronenpakete zurück und verändert sie. Und zwar teilt sich das grosse Paket unter Einfluss des Röntgenlichts in Scheiben, die sogenannten Microbunches, auf, die nun hintereinander fliegen – und zwar in einem Abstand, der gleich der Wellenlänge des ausgesandten Lichts ist. So strahlen die einzelnen Microbunches ihr Licht nun in Phase aus. Das so erzeugte Licht ist jetzt stärker als das, das vorher auf das Elektronenpaket gewirkt hat – es wurde verstärkt. Der Vorgang setzt sich fort, die Microbunches werden kürzer, das Licht immer stärker. Wie intensiv der Prozess ist, zeigt sich auch darin, dass die Fachleute gerne von lawinenartiger Verstärkung sprechen.

Keime für das Licht

Die Erzeugung von Röntgenlaserlicht im SwissFEL startet nicht von selbst – sie braucht immer etwas Licht, das dann verstärkt werden kann. Im einfachsten Fall nutzt man dafür etwas von dem Licht, das die Elektronen am Anfang ihres Weges durch den Undulator spontan abstrahlen. Dieses wird dann verstärkt, so dass am Ende der Laserblitz entsteht. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass man für bestimmte Anwendungen nicht im Voraus mit der gewünschten Genauigkeit planen kann, welche Eigenschaften das verstärkte Licht hat. So werden sich aufeinanderfolgende Lichtblitze geringfügig voneinander unterscheiden – das erschwert in bestimmten Fällen natürlich den Betrieb der Experimentieranlagen.

Alternativ könnte man von aussen Licht mit genau vorgegebenen Eigenschaften einspeisen, das gewissermassen als Keim für den Röntgenlaser wirken könnte. So könnte man dem endgültigen Lichtblitz die Eigenschaften vorgeben. Das Problem hier ist aber, dass man als Keim eigentlich Röntgenlicht aus Röntgenlasern bräuchte, das man aber nicht hat. Ziel der Forschenden des SwissFEL-Teams ist, einen Weg zu finden, wie man dieses als Seeding (wörtlich Ansaat) bekannte Verfahren am SwissFEL dennoch nutzen kann.

Text: Paul Piwnicki