XFEL: Tag des Lichts: 60 Jahre Laser

Vor sechzig Jahren, am 16. Mai 1960, nahm Theodore Maiman an den Hughes Research Laboratories in Kalifornien den ersten Laser in Betrieb. Seitdem haben Laser sowohl das Alltagsleben als auch die Wissenschaft revolutioniert. Laser sind auch für die Forschung am European XFEL von grundlegender Bedeutung. Eine öffentliche Veranstaltung auf dem Forschungscampus in Schenefeld, die anlässlich dieses Jubiläums geplant war, hat European XFEL aufgrund der Corona-Pandemie auf einen späteren Zeitpunkt verschoben.

Als 2017 der European XFEL den Betrieb aufnahm, der größte Röntgenlaser und eine der hellsten Lichtquellen der Welt, war ein Höhepunkt des wissenschaftlichen Fortschritts in der Laser- und Röntgenlasertechnologie erreicht.

Bei den seit Anfang der 1960er Jahre entwickelten Lasern im sichtbaren Wellenlängenbereich wird aus Elektronenübergängen in Atomen oder Molekülen Strahlung erzeugt. Das emittierte Licht wird dann kontinuierlich zwischen Spiegeln verstärkt. Das so erzeugte qualitativ hochwertige Laserlicht prägt heute viele Anwendungen im Alltag. Die Beispiele reichen von beeindruckenden Lichtinstallationen über hochpräzise chirurgische Instrumente, Breitband-Telekommunikation, Komponenten in elektrischen Geräten bis hin zum Laserpointer.

1971 erzeugte der amerikanische Physiker John Madey erstmals laserartiges Licht durch Emission mit Hilfe beschleunigter Elektronen. Die von solchen Freie-Elektronen-Lasern oder FELs erzeugte Strahlung kann einen breiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken – von Mikrowellen bis hin zu Röntgenstrahlen. Die nächsten Jahrzehnte brachten weitere Meilensteine in der technischen Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern für Forschungsanwendungen.

Ein Jahrzehnt später wurde der Prozess der "selbstverstärkten spontanen Emission" (SASE, self-amplified spontaneous emission) beschrieben, zuerst von den russischen Physikern Evgeny Saldin, Anatoli Kondratenko und Yaroslav Derbenev am Institut für Kernphysik in Novosibirsk. Zwei Jahre danach präsentierte der italienisch-amerikanische Physiker Claudio Pellegrini zusammen mit Rodolfo Bonifacio und Lorenzo Narducci das gleiche Prinzip unabhängig von ihren russischen Kollegen. Der SASE-Prozess, bei dem das von beschleunigten Elektronen emittierte Röntgenlicht mit anderen beschleunigten Elektronen in Wechselwirkung tritt, um ein noch helleres Röntgenlicht zu erzeugen, ist die Grundlage der Freie-Elektronen-Röntgenlaser-Technologien (XFEL). Im Jahr 2005 konnte das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY am weltweit ersten XFEL, dem "Freie-Elektronen-Laser in Hamburg" (FLASH), die ersten Nutzer begrüßen.

Im Laufe der Jahre entwickelten verschiedene Gruppen von Wissenschaftlern Ideen zur Optimierung des SASE-Prozesses, um noch hellere Röntgenstrahlen zu erzeugen. Im Jahr 2010 schlugen Vitali Kocharyan, Gianluca Geloni und Evgeny Saldin einen neuen Weg zur spektralen Filterung und Verstärkung von hartem Röntgenlicht vor.

Freie-Elektronen-Laser im harten, kurzwelligen Röntgenbereich sind heute auch in den USA (LCLS), Japan (SACLA), der Schweiz (SwissFEL) und Südkorea (PAL-XFEL) in Betrieb. Ein weiterer großer Röntgenlaser (SHINE) ist in China geplant und soll 2025 den Betrieb aufnehmen.

Röntgenlaser ermöglichen es den Wissenschaftlern heute, die atomaren Strukturen von Materialien in noch nie dagewesenen Details zu untersuchen. Laser, die mit sichtbarem Licht arbeiten, sind für die Forschung an großen Röntgenlaser-Anlagen ebenfalls von großer Bedeutung. In Kombination mit Röntgenstrahlen können die Wissenschaftler nun die komplizierten Abläufe biologischer und chemischer Reaktionen und weit entfernte Welten beleuchten. In so genannten Pump-Probe-Experimenten lassen sich mit solchen Lasern zum Beispiel Reaktionen in lichtempfindlichen Proteinen auslösen. Mit dem Röntgenlaser wird dann ein Bild der Struktur des Proteins nach einer sorgfältig eingestellten Zeitverzögerung aufgenommen. Wird der Vorgang mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen wiederholt, lässt sich aus vielen Standbildern ein molekularer Film erstellen.

Film: Ein Jahr in drei Minuten: Der Film zeigt, wie ein im infraroten Wellenlängenbereich arbeitender moderner Laser für „Pump-Probe-Experimente“ am European XFEL aufgebaut wird.

Am European XFEL wird außerdem ein speziell gebauter Hochenergielaser extreme Temperaturen und Drücke in Materialien erzeugen, die die Bedingungen im Inneren von Exoplaneten mit Temperaturen von bis zu 10.000°C und Drücken von bis zu 10.000 Tonnen pro Quadratzentimeter simulieren. Die atomare Struktur und Materialveränderungen können dann ebenfalls mit den Röntgenblitzen des European XFEL untersucht werden.

European XFEL-Geschäftsführer Prof. Robert Feidenhansl: „60 Jahre nach der Erfindung des Lasers helfen uns am European XFEL leistungsstarke Laser dabei, die kleinsten Details des Mikrokosmos zu erforschen. Laser sind ein Beispiel dafür, wie ein Gerät die Forschung und unser Leben in einer Weise verändert hat, die bei seiner Erfindung in keiner Weise absehbar waren.“

Weitere Informationen: Fotos und Video stehen in der Mediendatenbank zum Download bereit.