HZDR und Synchrotron SOLEIL betreiben Laser-Plasma-FEL nahe Paris; erstmals stabil im High-Gain-Regime
Rasante Elektronen für brillantes Laserlicht: Forschungsteam ebnet Weg zu kompakten und günstigen Freie-Elektronen-Lasern - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR
Rasante Elektronen für brillantes Laserlicht
Forschungsteam ebnet Weg zu kompakten und günstigen Freie-Elektronen-Lasern
Extrem kurze und intensive Lichtblitze sind begehrt, um Atome, Moleküle oder neue Materialien zu untersuchen. Freie-Elektronen-Laser (FEL) liefern diese Blitze. Doch die verfügbaren Messzeiten an den großen Nutzeranlagen weltweit sind rar, die Wartezeiten lang. Den hohen Bedarf könnten künftig kompakte Laser-Plasma-FEL decken. Sie ließen sich deutlich kostengünstiger bauen als heutige Großanlagen. Einen entscheidenden Schritt auf diesem Weg haben nun Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des Synchrotrons SOLEIL nahe Paris erreicht: Sie konnten einen Laser-Plasma-FEL erstmals stabil und reproduzierbar im sogenannten High-Gain-Regime betreiben – einem Betriebszustand mit besonders hoher Verstärkung der erzeugten Strahlung. Die Arbeitsgruppe stellt ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (DOI: 10.1103
Im Undulator trifft der Elektronenstrahl aus einem kompakten Laser-Plasma-Beschleuniger auf einen Laserimpuls. Das Zusammenspiel verstärkt die erzeugte FEL-Strahlung und ermöglicht höhere Pulsenergien.
„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.
Grundsätzlich funktioniert ein Laser-Plasma-FEL ähnlich wie ein konventioneller Freie-Elektronen-Laser: Für die intensiven Lichtblitze benötigen die Forschenden zunächst hochenergetische Elektronen, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fliegen. Anschließend gelangen sie in einen sogenannten Undulator – eine Anordnung aus vielen Magneten, die die Elektronen auf eine schlingernde Bahn zwingt. Dabei ordnen sich die Elektronen zu winzigen Paketen an und senden intensive, kohärente Lichtblitze aus.
Bisher bedarf es großer Beschleuniger, um die Elektronen auf die nötige Energie zu bringen. Solche Beschleuniger können bis zu rund zwei Kilometer lang sein. „In einem Laser-Plasma-FEL lässt sich diese Strecke um etwa das Tausendfache verkürzen“, sagt Dr. Marie Labat vom Synchrotron SOLEIL. „Dabei surfen die Elektronen quasi auf einer Plasmawelle.“ Schon nach wenigen Millimetern erreichen sie Energien, für die ein konventioneller Beschleuniger viele Meter benötigt.
Der Schlüssel zum Erfolg lag darin, die Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma präzise zu kontrollieren. Dazu nutzte das Team den HZDR-Hochleistungslaser DRACO . Seine Infrarotpulse erzeugten in einem millimeterdünnen Gasstrahl das benötigte Plasma. „Uns gelang es, den Laser exakt auf das Plasma abzustimmen“, sagt HZDR-Physikerin 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“. Ein charakteristisches Merkmal dafür ist das exponentielle Wachstum der Laserleistung, das das Team erstmals beobachtete.
Mit diesem Erfolg ist die Entwicklung jedoch noch nicht abgeschlossen. Durch eine weitere Optimierung der Laser-Plasma-Wechselwirkung und der Undulator-Strecke wollen die Forschenden die Qualität ihrer Lichtblitze weiter steigern. „Lichtblitze mit dieser ultravioletten Wellenlänge sind erst der Anfang“, sagt Irman. Als nächstes Ziel hat sein Team extrem ultraviolettes Licht (EUV) im Blick. Solche Strahlung könnte beispielsweise für eine effizientere Qualitätskontrolle nanostrukturierter Computerchips eingesetzt werden. Bis kompakte Laser-Plasma-FEL konventionelle Großanlagen ergänzen können, wird es zwar noch einige Jahre dauern. Das Interesse ist jedoch bereits groß.
M. Labat, S. Schöbel, A. Ghaith, F. M. Herrmann, M. LaBerge, E. Roussel, U. Schramm, P. Ufer, M.-E. Couprie, A. Irman, Laser-Plasma Based Seeded Free Electron Laser in the High-Gain Regime, in Physical Review Letters (2026) (DOI: 10.1103
Dr. Arie Irman | Dr. Susanne Schöbel Institut für Strahlenphysik am HZDR Tel.: +49 351 260-3043 | -2611 E-Mail: a.irman@hzdr.de | s.schoebel@hzdr.de
Dr. Marie Labat Synchrotron SOLEIL, France Tel.: +33 01 69 35-98 63 E-Mail: marie.labat@synchrotron-soleil.fr
Simon Schmitt | Leitung und Pressesprecher Abteilung Kommunikation und Medien am HZDR Tel.: +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de