XFEL: Ultrakurze Röntgenlaserpulse erstmals exakt vermessen

Für erfolgreiche Forschung an Röntgenlasern ist die Qualität der erzeugten Röntgenpulse von großer Bedeutung. Ein internationales Forscherteam, an dem auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von European XFEL beteiligt waren, hat diese Pulse nun unter Leitung von Christian David und Simon Rutishauser vom Paul Scherrer Institut (PSI), Schweiz, am amerikanischen Röntgenlaser LCLS erstmals exakt vermessen. Die Ergebnisse, die den Grundstein für eine wissenschaftlich optimale Nutzung der Röntgenlaser legen, haben sie im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Um mit Röntgenlasern wissenschaftliche Experimente durchführen zu können, reflektieren spezielle Spiegel die Lichtpulse und leiten sie zu den Experimentierstationen weiter. Aufgrund der hohen Energie der Pulse müssen die Spiegel hohen Belastungen standhalten. Um sie unter experimentellen Bedingungen zu testen, untersuchten die Forscher die Pulse nach Passieren der Spiegel mit Hilfe der Gitterinterferometrie, einer am PSI entwickelten Technik, bei der die Lichtpulse durch mehrere sehr enge Gitter geleitet werden. Obwohl die Pulse extrem kurz sind, gelang es den Forschern, sie einzeln zu messen und daraus auf ihre ursprüngliche Form zu schließen.

Ein zentrales Ergebnis der Beobachtungen ist, dass die verwendeten Röntgenspiegel die Strahlung nicht unverändert ablenken, sondern sie – ohne dass dies beabsichtigt wäre – auch leicht bündeln, und zwar in horizontaler Ebene. Dadurch wird die Fokussierung des Strahls auf das Untersuchungsobjekt beeinträchtigt. Mit den neuen Messungen lassen sich die Röntgenspiegel jetzt so anpassen, dass die Fokussierung kompensiert und die volle Leistung des Lasers ausgenutzt werden kann.

Darüber hinaus gelang es den Forschern, den sogenannten Quellpunkt jedes Röntgenpulses zu bestimmen. Die Strahlung im Röntgenlaser entsteht in einer Anordnung von Magneten abwechselnder Polarität (Undulatoren), die sich bei LCLS über 130 Meter erstrecken. Die Forscher fanden heraus, wie sich die Lage des Quellpunkts im Undulator abhängig von den Beschleunigereinstellungen ändert. Diese Erkenntnisse sollen künftig zu verbesserten Röntgenoptiken und damit auch zu einer besseren Leistung der Röntgenlaser führen.

Unter Verwendung von Material einer Presseinformation des PSI.

Links: Das Moirémuster, wie es die Kamera für einen einzelnen Röntgenpuls aufzeichnet. Es entsteht aus der Überlagerung der durch das Phasengitter abgelenkten (gebeugten) Röntgenstrahlen mit dem Absorptionsgitter. Rechts: Marco Cammarata (LCLS), Jacek Krzywinski (LCLS), Christian David (LCLS), Jan Grünert (European XFEL), Simon Rutishauser (PSI), Harald Sinn (European XFEL), Liubov Samoylova (European XFEL) und David Fritz (LCLS). PSI / LCLS (photo by Brad Plummer)