Kompakte Quelle für Röntgenstrahlung hoher Qualität
„Die Röntgenstrahlen, die bislang mit kompakten Lasern erzeugt wurden, ließen mehrere der Qualitätsmerkmale der Synchrotronstrahlen vermissen, wie etwa das reine und durchstimmbare Energiespektrum“, sagt Donald Umstadter, Gruppenleiter am Extreme Light Laboratory der University of Nebraska-Lincoln. Die Forscher an diesem Labor entwickelten einen ausgeklügelten Aufbau, bei dem sie die kurzen und scharfen Pulse eines ultrastarken Lasers gleich doppelt verwendeten. Zunächst spalteten sie den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen auf.
Den ersten schickten sie scharf fokussiert in einen nur wenige Millimeter messenden Gasstrahl aus Helium. Der extrem intensive Laserpuls regte dort die Entstehung eines schwingenden Plasmas an. Dabei entstanden starke elektromagnetische Felder, die zur Aussendung eines hochenergetischen Elektronenstrahls führten. Diese Technik, mit Hilfe von Laserstrahlen Elektronen zu beschleunigen, ist noch relativ jung und wird Kielfeldbeschleunigung genannt.
Den zweiten Laser-Teilstrahl lenkten die Forscher über Spiegel um und schickten ihn frontal gegen die beschleunigten Elektronen. Indem sie ihre Optiken sehr präzise justierten, konnten sie die ultrakurzen Elektronen- und Laserpulse, die nur wenige Bruchteile einer billionstel Sekunde dauerten, genau aufeinander treffen lassen. Hierdurch stießen viele der Lichtteilchen des Lasers auf die hochenergetischen Elektronen, wodurch sie ebenfalls hohe Energien erhielten und zu Röntgenstrahlung wurden.
Durch diesen Trick, nur einen sehr starken Laser für beide Zwecke zu nutzen, konnten die Forscher die nötige Synchronisation erzielen. Diese neue Technologie wird zwar nicht die großen Synchrotrone mit ihren hervorragenden Strahlqualitäten überflüssig machen. Für kompakte Geräte ist es aber eine interessante neue Technologie, die – mit einigen Verbesserungen – eine Vielzahl möglicher Anwendungen bedienen könnte. In der Medizin etwa könnte sie die Strahlenbelastung von Patienten bei der Radiographie verringern.