XFEL: Vielseitiger optischer Laser ermöglicht innovative Experimente mit Messungen im atomaren Maßstab

Der European XFEL wird Lichtblitze produzieren, die kurz, hell und kurzwellig genug sind, um ultraschnelle Prozesse zu beobachten, die ansonsten nicht in Echtzeit messbar wären.

 

Um diese Messungen zu ermöglichen, entwickelte das Forschungsteam einen gepulsten optischen Hochleistungslaser, der mit den Lichtblitzen des European XFEL synchronisiert ist und in Wellenlänge und Pulsdauer auf die Bedürfnisse der sechs verschiedenen Experimente abgestimmt werden kann. Die optischen Laserpulse lösen einen Prozess in der Probe aus, anschließend wird der Röntgenblitz genutzt, um die unbekannte Prozessdynamik zu untersuchen. Der optische Laser ist insbesondere dazu ausgelegt, den „Anrege“-Part dieser „Anrege-Abfrage“-Experimente (engl.: pump–probe experiments) zu übernehmen.

Die Eigenschaften des optischen Lasersystems wurden in der Fachzeitschrift Optics Express veröffentlicht.

„Unser Laser ist einzigartig, weil er in seinem Pulsemissionsmuster den Pulszügen des European XFEL entspricht“, erklärte Max J. Lederer, Leiter der Gruppe „Optical Lasers“ bei European XFEL. „Er ermöglicht damit Experimente bei der höchstmöglichen Pulsfrequenz des Röntgenlasers, mit optischen Pulsparametern wie Energie und Pulsdauer, die sonst nur mit Titan:Saphir-Systemen bei viel geringen Wiederholraten erreichbar sind.“

 

Einen optischen Laser – zum Beispiel einen Titan:Saphir-Laser – zu finden, der ultrakurze Pulse für Forschungszwecke produziert, ist nicht schwer; einen zu bauen, der den Leistungs- und Zeitstrukturanforderungen der sechs European XFEL-Experimente entspricht, umso mehr. „Der Unterschied liegt in der hohen Wiederholrate und somit der mittleren Leistung während der Pulszüge“, erläutert Lederer.

Der Pumplaser kann für jedes der sechs wissenschaftlichen Instrumente eingestellt werden, die jeweils verschiedene Probenarten und Materiezustände untersuchen. Diese Konfigurierbarkeit bietet der optische Laser dank einer Anzahl von optischen Techniken, die Licht-Materie-Wechselwirkungen nutzen, um Pulse mit der gewünschten Energie und Zeitstruktur zu erzeugen.

Derzeit werden die Hauptkomponenten dieses Lasersystems für die ersten beiden Instrumente installiert, die den Nutzerbetrieb aufnehmen werden, FXE und SPB/SFX. Im November hat die „Optical Lasers“-Gruppe das Herzstück des ersten Lasersystems installiert: eine Reihe von Verstärkern, die Frequenz und Intensität des Lasers bestimmen und die gemeinsam mit privaten Industriepartnern für European XFEL entwickelt wurden.

Lederer und sein Team sind gespannt auf die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Systems. „Wir freuen uns darauf, gleichzeitig mit dem European XFEL das ‚erste Photon‘ zu liefern“, meint Lederer. „Persönlich hoffe ich, dass unser Laser bei so vielen wissenschaftlichen Entdeckungen wie möglich eine Rolle spielt.“