Am Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin ist ein technologischer Meilenstein gelungen. Erstmals wurde ein infraroter Freie-Elektronen-Laser (FEL) im Zweifarbenmodus betrieben. Diese weltweit einzigartige Technologie ermöglicht Experimente mit synchronisierten Zweifarben-Laserpulsen und eröffnet neue Möglichkeiten in der Forschung.
Freie-Elektronen-Laser, von denen es weltweit mehr als ein Dutzend gibt, variieren erheblich in ihrer Größe (von einigen Metern bis zu mehreren Kilometern), ihrem Wellenlängenbereich (von Mikrowellen bis zu harten Röntgenstrahlen) und ihren Kosten (von Millionen bis zu mehr als einem Jahr). Milliarde). Sie alle erzeugen jedoch intensive, kurze Strahlungsimpulse. Freie-Elektronen-Laser haben sich in den letzten Jahrzehnten zu wichtigen Strahlungsquellen entwickelt und finden breite Anwendung in der Grundlagenforschung und angewandten Wissenschaften.
Forscher des FHI haben nun in Zusammenarbeit mit amerikanischen Partnern eine Methode entwickelt, die die gleichzeitige Erzeugung von Infrarotimpulsen in zwei verschiedenen Farben ermöglicht. Diese Innovation ist besonders wichtig für die Untersuchung zeitlicher Prozesse in Festkörpern und Molekülen.
In einem FEL werden Elektronenpakete zunächst durch einen Elektronenbeschleuniger auf sehr hohe kinetische Energien beschleunigt und erreichen nahezu Lichtgeschwindigkeit. Anschließend durchlaufen die schnellen Elektronen einen Undulator, wo sie durch starke Magnetfelder mit periodisch wechselnder Polarität auf eine Slalombahn gezwungen werden.
Die Schwingungen der Elektronen führen zur Emission elektromagnetischer Strahlung, deren Wellenlänge durch Anpassung der Elektronenenergie und/oder der magnetischen Feldstärke variiert werden kann. Aus diesem Grund lässt sich mit FELs laserähnliche Strahlung in fast allen Teilen des elektromagnetischen Spektrums erzeugen, von langen Terahertz- bis hin zu kurzen Röntgenwellenlängen.
Seit 2012 ist am FHI ein FEL in Betrieb, der intensive, gepulste Strahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) erzeugt, deren Wellenlänge stufenlos von 2,8 bis 50 Mikrometer einstellbar ist. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler und Ingenieure des FHI an einer Zweifarbenerweiterung gearbeitet, bei der ein zweiter FEL-Zweig installiert wurde, um Strahlung im fernen Infrarot (FIR) bei Wellenlängen zwischen 5 und 170 Mikrometern zu erzeugen.
Zum FIR-FEL-Zweig gehört ein neuer Hybrid-Magnet-Undulator, der speziell am FHI gebaut wurde. Darüber hinaus wurde hinter dem Elektronenlinearbeschleuniger (LINAC) eine 500-MHz-Kickerkavität zur Querablenkung der Elektronen installiert. Der Kicker-Hohlraum kann die Richtung der hochenergetischen Elektronenpakete mit einer Geschwindigkeit von einer Milliarde Mal pro Sekunde ändern.
Im Juni 2023 demonstrierte das FHI-Team den ersten „Laser“ des neuen FIR-FEL, bei dem alle vom LINAC kommenden Elektronenpakete zum FIR-FEL gelenkt wurden. Im Dezember 2023 konnten sie erstmals den Zweifarbenbetrieb vorführen. In diesem Modus lenkt das im Kicker-Hohlraum gebildete starke oszillierende elektrische Feld jedes zweite Elektronenpaket nach links und jedes zweite zweite Paket nach rechts ab.
Auf diese Weise wird der vom LINAC kommende Elektronenbündelzug mit hoher Wiederholungsrate (1 GHz; 1 Bündel pro ns) in zwei Bündelzüge mit jeweils halber Wiederholungsrate aufgeteilt; einer wird zum alten MIR-FEL gesteuert, der andere zum neuen FIR-FEL. In jedem FEL ermöglicht die Variation der Magnetfeldstärke des Undulators eine kontinuierliche Abstimmung der Wellenlänge um bis zu den Faktor vier.
Seit etwa einem Jahrzehnt ermöglicht der FHI-FEL Forschungsgruppen am FHI die Durchführung von Experimenten, die von der Spektroskopie von Clustern, Nanopartikeln und Biomolekülen in der Gasphase bis hin zur nichtlinearen Festkörperspektroskopie und Oberflächenwissenschaft reichen, was zu etwa 100 von Experten begutachteten Experimenten führte Bisherige Veröffentlichungen.
Der neue Zweifarbenmodus, der in keiner anderen IR-FEL-Anlage weltweit verfügbar ist, wird neuartige Experimente wie MIR/MIR- und MIR/FIR-Pump-Probe-Experimente ermöglichen. Es wird erwartet, dass dadurch neue Möglichkeiten für experimentelle Studien in verschiedenen Bereichen eröffnet werden, die von der physikalischen Chemie über die Materialwissenschaften und die Katalyseforschung bis hin zu biomolekularen Studien reichen, und so zur Entwicklung neuer Materialien und Medikamente beitragen.