FLASH: der erste optisch synchronisierte Freie-Elektronen-Laser

Forscher des MPSD liefern Beitrag zur Verbesserung der DESY-Lichtquelle

DESYs Röntgenlaser FLASH ist dank eines neuen, von Forschern des Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) und DESY entwickelten optischen Systems die weltweit am genauesten synchronisierte Anlage ihrer Art. Durch das neu entwickelte optische Synchronisierungssystem können alle Komponenten der Anlage mit einer Präzision von einigen Femtosekunden aufeinander abgestimmt werden. Eine Femtosekunde ist eine milliardstel Mikrosekunde. Die Präzisionssynchronisierung ermöglicht ultraschnelle Experimente mit höchster Zeitauflösung, wie die Entwicklerteam um Holger Schlarb und Sebastian Schulz von DESY und Adrian Cavalieri vom MPSD im Fachjournal "Nature Communications" berichtet.

Freie-Elektronen-Laser (FEL) wie FLASH erzeugen ultrakurze, extrem intensive, laserartige Lichtblitze, indem sie schnelle Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger durch einen magnetischen Slalomkurs schicken. In jeder Kurve senden die Teilchen winzige Lichtblitze aus, die sich zu einem intensiven, laserartigen Puls verstärken. Mit FELs im Röntgenbereich können Forscher dynamische Prozesse im Mikrokosmos studieren, wie beispielsweise chemische Reaktionen, die zum Teil im Femtosekundenbereich ablaufen, oder die Eigenschaften von Biomolekülen. Voraussetzung für diese Untersuchungen ist allerdings, dass die Lichtblitze und alle Komponenten der Anlage mit höchstmöglicher Präzision synchronisiert sind.

Künstlerische Darstellung des präzisen Taktsignals zur Synchronisierung aller Beschleunigerkomponenten. Ein optischer Pulszug wird mit Hilfe eines faseroptischen Netzwerks zu den einzelnen Stationen am Beschleuniger übertragen. Um die Genauigkeit des Synchronisationssystems zu bewerten wird die relative Ankunftszeit zwischen synchronisierten, optischen Laserpulsen und den Röntgenblitzen von FLASH vermessen. Die orange Kurve repräsentiert diese Messung mit herkömmlicher Synchronisierung im Vergleich zur blauen Kurve, welche mit dem neuen optischen Synchronisationssystem aufgenommen wurde. Je besser die Synchronisierung, desto schmaler die Linie.

Das Team um Schulz, Schlarb und Cavalieri hat nun ein rein optisches System zur Synchronisierung entwickelt und implementiert, das eine rund zehnfach bessere Genauigkeit erlauben soll als die elektronischen Systeme, die üblicherweise zur Synchronisierung verwendet werden. In diesem Schlüsselexperiment taktete das optische Synchronisierungssystem alle unabhängigen Beschleunigersystemen und externen Versuchslaser bei FLASH mit einer Genauigkeit von 28 Femtosekunden – bloß ein Bruchteil der 90 Femtosekunden langen Röntgenlaserblitze. Die beste mit elektronischen Systemen erreichbare Synchronisierungsgenauigkeit beträgt etwa 100 Femtosekunden – eine Limitierung, die das wissenschaftliche Potenzial der FELs bei manchen Anwendungen einschränkt und deren Weiterentwicklung begrenzt.

Die optische Synchronisierung verbessert die Eigenschaften der Röntgenlaserblitze in aller Regel, unter anderem die Stabilität der Ankunftszeit, die Photonenenergie, Intensität und Pulsdauer. Aus Sicht der Experimentatoren ist jedoch die Bereitstellung von Röntgenblitzen mit stabil bleibenden Eigenschaften zum passenden Zeitpunkt nur die „halbe Miete“. Ebenso wichtig sind zeitgleich eintreffende, unabhängige optische Laserpulse, erzeugt durch vergleichsweise kompakte Lasersysteme in der FLASH-Experimentierhalle, mit denen ultraschnelle Prozesse wie chemische Reaktionen in Molekülen oder Phasenübergänge in Materialien ausgelöst werden. Die Entwicklung dieser komplexen dynamischen Prozesse kann dann mit Hilfe der Röntgenlaserblitze studiert werden. Um solche Untersuchungen mit höchstmöglicher Zeitauflösung durchführen zu können, sollte der optische Laserpuls mit einer zeitlichen Präzision bereitgestellt werden, die nur ein Bruchteil der Röntgenlaser-Pulsdauer beträgt. Und genau dies leistet das erstmals bei FLASH demonstrierte optische Synchronisierungssystem.

Wie das Team weiter feststellte, ist die Qualität der optischen Synchronisierung in erster Linie durch die Dauer der Röntgenlaserblitze begrenzt, so dass die Genauigkeit bei kürzeren Röntgenpulsen noch besser werden sollte. Eine so präzise Synchronisierung würde nicht nur ultraschnelle Experimente mit höchster Zeitauflösung ermöglichen, sondern auch neue Möglichkeiten für die FEL-Weiterentwicklung eröffnen. So wird ein auf diesem Prototypen basierendes Synchronisationssystem auch für den European XFEL, den zukünftigen Europäischen Röntgenlaser, essentiell sein, der zurzeit vom Forschungscampus Hamburg-Bahrenfeld bis ins benachbarte Schenefeld gebaut wird.

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