Freie-Elektronen-Laser für ELBE

Der Freie-Elektronen Laser (FEL) ist ein Gerät, mit dessen Hilfe kinetische Energie von beschleunigten Elektronen in elektromagnetische Strahlungsenergie umgewandelt wird. Bei ELBE wird mit einem solchen Laser infrarotes Licht produziert.

Die wichtigsten Teile eines FEL sind der Undulator und der aus zwei Hohlspiegeln bestehende optische Resonator. Die Dipolmagnete dienen dazu, den Elektronenstrahl in den Undulator hinein und nach dessen Durchlaufen aus dem Undulator hinaus und in einen Strahlfänger zu leiten. Spiegel 2 enthält ein kleines Loch, durch das ein Teil der Strahlung den Resonator verlassen kann.


Der Elektronenstrahl von ELBE besteht aus einzelnen Pulsen, die in festen Zeitabständen aufeinander folgen (quasikontinuierlicher Strahl). Der Strahl kommt vom Beschleuniger über ein Strahlrohr mit Hochvakuum zum vorderen Dipolmagnet, der ihn in den Undulator lenkt. Das wechselseitig gepolte Magnetfeld des Undulators führt zu einer Schlängelbewegung der Elektronen, wodurch elektromagnetische Strahlung erzeugt wird (spontane Emission). Nach dem Durchlaufen des Undulators werden die Elektronen durch den hinteren Dipolmagnet in einen Strahlfänger abgelenkt, um nicht gegen den Spiegel 1 zu knallen und diesen zu zerstören.

Mikroskopische Struktur des Elektronenstrahls von ELBE.
Der Strahl von ELBE besteht aus Pulsen, jeder etwa eine Pikosekunde [ps] lang, die mit einem Abstand von 77 Nanosekunden [ns] aufeinander folgen. Ein einzelner Puls besteht aus etwa 100 Millionen Elektronen. Während eines Pulses fließt damit ein Strom von etwa 10-50 A. Wegen der langen Pause zwischen den Pulsen beträgt der mittlere Strom aber nur 1mA.
Der erzeugte Laserstrahl hat die gleiche Zeitstruktur.

Der erzeugte Lichtpuls trifft auf den Hohlspiegel 1 und wird von diesem durch den Undulator über den Spiegel 2 in den Undulator zurückreflektiert. Dort trifft er auf den nächsten Elektronenpuls. Während des gemeinsamen Durchquerens des Undulators, wird ein Teil der kinetischen Energie der Elektronen in Strahlungsenergie umgewandelt (induzierte Emission), wodurch das Licht verstärkt wird. Durch die ständige Wiederhohlung dieses Vorgangs baut sich die Laserstrahlung bis zu einem Sättigungswert auf. Ein einfaches Modell dieses Prozesses wird HIER betrachtet. Durch ein kleines Loch im Spiegel 2 wird ein geringer Teil (einige Prozent) der erzeugten Laserstrahlung aus dem Resonator ausgekoppelt und über eine Strahlführung in die sich anschließenden Nutzerlabors geführt.

Elektromagnetische Strahlung (z.B. Licht) entsteht immer dann, wenn geladene Teilchen ihre Geschwindigkeit nach Betrag oder Richtung ändern. Da die Geschwindigkeitsänderungen der Elektronen wegen der regelmäßigen Anordnung der Magnete im Undulator ebenfalls regelmäßig (wie bei einer Sinusfunktion) erfolgt und die induzierte Emission dem Vorbild der spontanen Emission folgt, hat die erzeugte Strahlung ganz besondere Eigenschaften, ...

... die du HIER findest!

Hilfe zu den physikalischen Begriffen und Einheiten findest du auf unserer Grundbegriffe-Seite!!!

Hier zeigen wir:

Weitere Informationen gibt es zu den Themen

  • Wie sehen Undulatoren aus und was machen sie mit dem Elektronenstrahl?
  • Welche Undulatoren hat die Anlage ELBE, wie sieht ihr Magnetfeld aus und was für Strahlung kann man mit ihnen erzeugen?
  • Wozu dient ein optischer Resonator und was für Resonatoren bekommt ELBE?
  • Eine einfaches Beschreibung der Entwicklung des Laserfeldes in Form einer Gewinn-Verlust Rechnung.
  • Wozu kann und soll die mit den FELs von ELBE erzeugte Strahlung benutzt werden?
 
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