Techniklexikon

Freie-Elektronen-Laser

Kernphysik, FEL, Laser mit grosser Durchstimmbarkeit, hoher Leistung, hohem Wirkungsgrad und sehr kurzen Pulsen, die auf der Wechselwirkung eines Elektronenstrahls als Lasermedium in einem periodisch alternierenden Magnetfeld mit einem Photonenpuls beruhen. Zur Zeit (1998) gibt es weltweit 31 FELs, die das Wellenlängenspektrum von 280 nm im Ultravioletten bis zu einigen mm im Mikrowellenbereich abdecken.

Der FEL besteht aus einem in einem Ring umlaufenden, hochrelativistischen Elektronenstrahl, der von einem Elektronenbeschleuniger geliefert wird, einer periodischen Anordnung alternierend gepolter Magnete, einem sog. Undulator, und der durch zwei Spiegel begrenzten optischen Kavität (Resonator).

Aufgrund der Wechselwirkung der Elektronen mit dem Undulatorfeld oszillieren die Elektronen in transversaler Richtung, und als beschleunigte Ladung emittieren sie Strahlung. Ähnlich wie bei der Synchrotronstrahlung wird diese sogenannte spontane Strahlung bei hochrelativistischen Elektronen in einen sehr kleinen Vorwärtskegel mit dem Öffnungswinkel ~ 1 / g emittiert. Die spontane Strahlung ist um die Wellenlänge  zentriert, mit  und l_U die Periodenlänge des Undulators, B die Magnetfeldstärke, g die Energie des Elektronenstrahls in Einheiten von m_ec², m_e die Elektronenmasse und c die Lichtgeschwindigkeit. Für Undulatoren gilt K ~ 1, für K 1 Wiggler. Im Gegensatz zur Synchrotronstrahlung ist die spontane Strahlung sehr schmalbandig: Jedes Elektron emittiert bei N Undulatorperioden einen Wellenzug mit N Perioden, woraus die relative spektrale Bandbreite zu  folgt.

Die Wellenlänge der spontanen Strahlung lässt sich mit der Energie des Elektronenstrahls und der Magnetfeldstärke variieren. Zum FEL wird die Strahlungsquelle durch Einbau in eine optische Kavität, so dass die spontane Strahlung mit den nachfolgenden Elektronenbündeln wechselwirkt. Die Laserverstärkung wächst mit der dritten Potenz der Wechselwirkungszone, d.h. der Undulatorlänge, und hängt linear vom Elektronenstrom ab.