Neuartiger Röntgenlaser mit hoher Strahlqualität

Trieste (Italien) - Die Erzeugung von Laserstrahlen benötigt üblicherweise eine Optik, bei der Lichtstrahlen in einem Medium zwischen zwei Spiegeln hin und her flitzen und sich dabei selbst verstärken. Dies führt zu der großen Kohärenz von Laserlicht, das dank seiner Eigenschaften vielfältige Anwendungen besitzt. Röntgenstrahlen hingegen ermöglichen besonders tiefe und scharfe Einblicke in die Materie, denn sie besitzen eine sehr viel höhere Energie und kürzere Wellenlänge als gewöhnliches Licht. Der Bau von Röntgenlasern ist jedoch schwierig, da es keine brauchbaren Spiegel für Röntgenstrahlen gibt. Mit Hilfe eines ausgeklügelten Konzeptes konnten italienische Physiker nun einen neuartigen Röntgenlaser vorstellen, der in einigen Belangen Vorteile gegenüber den heutigen Modellen zeigt. Ihr zweistufiges Modell, das sie in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts „Nature Photonics“ präsentieren, nutzt einen externen Laser, um die Aussendung von Laserlicht am Elektronenstrahl eines Teilchenbeschleunigers anzuregen. Dieses Licht wird dann über spezielle Konverter zu höherer Energie „hochgeschaltet“, so dass schließlich hochwertiges Laserlicht im weichen Röntgenbereich entsteht.

„Die Konversion entspricht einem Hochschalten um den Faktor sechzig, das ist mit einem einstufigen Aufbau nicht erreichbar“, berichtet Enrico Allaria vom Elektronensynchrotron Elettra in Trieste. Elettra erzeugt einen hochenergetischen Elektronenstrahl, den die Physiker durch eine exakt positionierte Anordnung von Magneten schicken. Durch die gleichzeitige Bestrahlung mit dem leistungsstarken externen Laser führt dies zur Entstehung von Laserlicht, das aber noch im Ultravioletten und nicht im Röntgenbereich liegt. Der Konverter der ersten Stufe erhöht zunächst die Energie des Laserstrahls deutlich. Spezielle Radiatoren verstärken dann die Intensität des Strahls noch einmal. Dieses Strahlung wird in die zweite Stufe eingespeist, die ganz analog wie die erste aufgebaut ist, jedoch noch mehr Radiatoren besitzt.

Die austretende Laserstrahlung befindet sich im weichen Röntgenbereich und hat dank ihrer Entstehungsart gute Eigenschaften bezüglich ihrer Kohärenz und Ausgangsleistung. Ein solcher Röntgenlaser, der scharfe Pulse von weniger als einer billionstel Sekunde Dauer liefern kann, ist nicht nur für die Physik und die Materialforschung interessant, sondern könnte auch vielfältige Anwendungen in der Chemie und Biologie finden. Vorerst aber wollen die Forscher ihren Aufbau optimieren, um zu noch höheren Energien zu gelangen. Insbesondere müssen sie noch einen variablen Laser in ihr Experiment integrieren, um wirklich stufenlos in der Wellenlänge durchstimmbare Röntgenpulse erzeugen zu können.