Freie-Elektronen-Laser
Ein Freie-Elektronen-Laser, oder FEL, ist ein Laser, der einen sehr hellen Lichtstrahl erzeugt. Er ist im Grunde eine Super-Taschenlampe. Er hat die gleichen optischen Eigenschaften wie konventionelle Laser, wie z.B. die Aussendung eines Strahls, der aus kohärenter elektromagnetischer Strahlung besteht und hohe Leistungen erreichen kann. Der FEL verwendet zur Strahlformung Funktionsprinzipien, die sich von den Funktionsprinzipien eines konventionellen Lasers stark unterscheiden. Im Gegensatz zu Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperlasern wie Diodenlasern, bei denen Elektronen angeregt werden, während sie an Atome gebunden sind, verwenden FEL einen relativistischen Elektronenstrahl als Lasermedium, der sich frei durch eine magnetische Struktur bewegt, daher der Begriff freies Elektron. Der Freie-Elektronen-Laser hat den breitesten Frequenzbereich aller Lasertypen und kann weitgehend durchstimmbar sein, wobei die Wellenlänge derzeit von Mikrowellen über Terahertz-Strahlung und Infrarot bis hin zum sichtbaren Spektrum, von Ultraviolett bis hin zu Röntgenstrahlen reicht.
Freie-Elektronen-Laser wurden 1976 von John Madey an der Universität Stanford erfunden. Die Arbeit baut auf Forschungsarbeiten von Hans Motz und seinen Mitarbeitern auf, die 1953 in Stanford den ersten Undulator bauten, der die Wiggler-Magnetkonfiguration verwendet, die das Herzstück eines Freie-Elektronen-Lasers bildet. Madey verwendete einen 24 MeV-Elektronenstrahl und einen 5 m langen Wiggler, um ein Signal zu verstärken. Bald darauf begannen andere Labors mit Beschleunigern mit der Entwicklung solcher Laser.
Freie-Elektronen-Laser verbrauchen beim Betrieb viel Strom. Um die Energie zu reduzieren, die benötigt wird, um sie in Betrieb zu halten, verwenden Wissenschaftler einen Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung, um den hochenergetischen Elektronenstrahl, der den Laser aktiviert, wiederzugewinnen.
Freie-Elektronen-Laser FELIX am FOM (Nieuwegein)
Fragen und Antworten
F: Was ist ein Freie-Elektronen-Laser?
A: Ein Freie-Elektronen-Laser, oder FEL, ist ein Laser, der einen sehr hellen Lichtstrahl erzeugt. Er hat dieselben optischen Eigenschaften wie herkömmliche Laser, wie z.B. die Emission eines Strahls, der aus kohärenter elektromagnetischer Strahlung besteht und eine hohe Leistung erreichen kann. Im Gegensatz zu Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperlasern wie Diodenlasern, bei denen Elektronen angeregt werden, während sie an Atome gebunden sind, verwenden FELs einen relativistischen Elektronenstrahl als Lasermedium, der sich frei durch eine magnetische Struktur bewegt.
F: Welchen Frequenzbereich deckt der Freie-Elektronen-Laser ab?
A: Der Freie-Elektronen-Laser hat den breitesten Frequenzbereich aller Lasertypen und ist in hohem Maße abstimmbar. Seine Wellenlängen reichen derzeit von Mikrowellen über Terahertz-Strahlung und Infrarot bis hin zum sichtbaren Spektrum, Ultraviolett und Röntgenstrahlen.
F: Wer hat den Freie-Elektronen-Laser erfunden?
A: Freie-Elektronen-Laser wurden 1976 von John Madey an der Stanford University erfunden.
F: Womit wurden die Signale bei den ersten Experimenten mit FELs verstärkt?
A: Bei frühen Experimenten mit FELs verwendete John Madey einen 24 MeV-Elektronenstrahl und einen 5 m langen Wiggler, um Signale zu verstärken.
F: Wer hat eine frühere Version des späteren FELs entwickelt?
A: Hans Motz und seine Mitarbeiter entwickelten 1953 in Stanford eine frühere Version des späteren FEL, bei der die magnetische Wiggler-Konfiguration verwendet wurde, die das Herzstück eines Freie-Elektronen-Lasers ist.
F: Wie viel Strom verbrauchen FELs, wenn sie arbeiten?
A: Freie-Elektronen-Laser verbrauchen eine Menge Strom, wenn sie in Betrieb sind.
F: Wie können Wissenschaftler die für den Betrieb benötigte Energie reduzieren?
A: Um die für den Betrieb benötigte Energie zu reduzieren, verwenden Wissenschaftler einen Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung, um den hochenergetischen Elektronenstrahl zu recyceln, der den Laser aktiviert.
