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Der Freie-Elektronenlaser ist das Sahnestück der
Strahlungsquelle ELBE im Forschungszentrum Rossendorf, soll er doch
den europaweit intensivsten durchstimmbaren Infrarotstrahl erzeugen.
Dabei bedeutet "durchstimmbar", dass die Wellenlänge des
Infrarotlichtes durch Veränderung der Elektronenenergie und der
Magnetabstände im Undulator über einen weiten Bereich abstimmbar ist
und je nach Untersuchungsgegenstand frei eingestellt werden kann.
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Der Freie-Elektronenlaser im FZR, dabei
gut zu erkennen in der Mitte: der Undulator |
Justierarbeiten an einer der beiden
Spiegelkammern des FEL |
Der Stolz der Ingenieure
Bei dem Prozess werden hochenergetische Elektronen
in Form von Elektronenpaketen vom supraleitenden
Elektronenbeschleuniger erzeugt und in den Undulator geführt.
Innerhalb des Undulators zwingt das wechselseitig gepolte Magnetfeld
die Elektronen zu einer "Schlängelbewegung". Durch die ständige
Richtungsänderung der Flugbahn geben die Elektronen Energie in Form
von elektromagnetischer Strahlung ab. Der Prozess ist allerdings
hochkomplex, da der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegende
Laserstrahl und die Elektronenpulse in der Länge von einem Drittel
Millimeter und im Abstand von 77 Nanosekunden zusammengeführt werden
müssen. Eine Pikosekunde entspricht dem unvorstellbar kleinen Zeitraum
von 1 Millionstel einer Millionstel Sekunde, eine Nanosekunde ist
lediglich um den Faktor Tausend länger. Nur das gemeinsame,
tausendfache und genau zeitgleiche Durchlaufen des Undulators von
immer neuen Elektronenpulsen und dem durch Spiegel reflektierten
Laserlicht führt zum Erfolg. Dieser Vorgang lieferte im
Forschungszentrum Rossendorf bisher Lichtpulse (Photonen) mit einer
Wellenlänge von 20 Mikrometer.
Wärmestrahlung versetzt Atome in Bewegung
Diese Wellenlänge liegt im Bereich des unsichtbaren
infraroten Lichts und ist in Form von Wärmestrahlung allgegenwärtig.
Solch eine Strahlung kann Atome in Bewegung versetzen. Beim
Freie-Elektronenlaser ist das Licht jedoch in ultrakurzen Zeitpulsen
von wenigen Pikosekunden gebündelt. Licht der Wellenlänge von 20
Mikrometer schwingt mit einer Frequenz von 15 Terahertz, das ist 15
Billionen Mal in der Sekunde. Als Vergleich: 1 Terahertz entspricht
1000 Gigahertz und 1 Gigahertz wiederum kennt man aus dem täglichen
Leben, da das die typische Handy-Frequenz ist.
Ultrakurze Lichtpulse in diesem Wellenlängenbereich
haben große Bedeutung für die Halbleiterforschung und Biophysik. In
modernen Halbleiter-Nanostrukturen kann mit diesem Licht die Bewegung
von Elektronen verfolgt und analysiert werden. Da die schnellsten
elektronischen Bauelemente heutzutage auch schon in den
Terahertzbereich vorstoßen, wird es zunehmend wichtig, Laser in diesem
Frequenzbereich zur Verfügung zu haben. So wird im Forschungszentrum
Rossendorf etwa daran geforscht, kompakte Lichtquellen auf
Halbleiterbasis in diesem Frequenzbereich zu entwickeln. Auch dabei
wird der Freie-Elektronenlaser helfen, weil er es ermöglicht, die
ablaufenden physikalischen Prozesse in derartigen Bauelementen
genauestens zu untersuchen und zu verstehen.
Bio-Moleküle reagieren auf Blitze
Die besonders kurzen und scharf gebündelten
"Blitze" des Freie-Elektronenlasers erlauben, an Atomen in
unterschiedlichsten Molekülen kurzzeitig zu "rütteln", ohne diese
gleich zu zerstören. Durch diesen Vorteil eignet sich die
Infrarotstrahlung auch in besonderem Maße für Untersuchungen von
Bio-Molekülen. Wie die ausgelösten Bewegungen nach solch einer
Anregung wieder abklingen, hängt von den strukturellen Eigenschaften
der Atomverbände ab. Dabei dient die Infrarot-Absorption einerseits
als Werkzeug zur Auslösung und andererseits als Sonde zur
störungsfreien Beobachtung dieser Bewegungsprozesse.
Biologisch relevante Moleküle besitzen besonders
komplexe und sehr flexible Strukturen. Die Untersuchung von
Strukturänderungen der Moleküle mit Hilfe des Freie-Elektronenlasers
lässt einzigartige, mit anderen Methoden nicht mögliche Aussagen über
Lebensprozesse zu. Der anwendungsorientierten Grundlagenforschung auf
dem Gebiet der molekularen Medizin wird so ein sehr leistungsfähiges
Instrument geboten, das auch zu neuen Erkenntnissen über Krankheiten
und ihre Heilung beitragen soll.
Nutzung des Freie-Elektronenlasers
Schon vor dem ersten "Lasing", also der
erfolgreichen Inbetriebnahme des Freie-Elektronenlasers, lag dem
Forschungszentrum Rossendorf die Förderzusage der EU für die Anlage
vor. Ab Herbst 2004 wird der Freie-Elektronenlaser zum Nutzerlabor für
Wissenschaftler aus ganz Europa. Deren Forschungen mit der Strahlung
im Infrarot auf den Gebieten Biophysik, Chemie und Halbleiterphysik
werden dann von der EU finanziert. In diesem Förderprogramm sind alle
führenden Synchrotronanlagen und Freie-Elektronenlaser in Europa
bedacht. Der Rossendorfer Laser wird hieraus zunächst für 5 Jahre
gefördert.
Ein Labor für hohe Magnetfelder wird in
unmittelbarer Nähe zur Strahlungsquelle ELBE aufgebaut. Dadurch ergibt
sich die spektakuläre Möglichkeit, den Infrarotstrahl vom
Freie-Elektronenlaser in das Hochfeldlabor Dresden zu führen und mit
den hohen Magnetfeldern zu kombinieren. Dies ist eine weltweit
einzigartige Kombination und wird erstmals eine Vielzahl interessanter
Untersuchungen zum Magnetismus, der Supraleitung, der Halbleiterphysik
und im Bereich der Nanostrukturen ermöglichen. |
